DIY-photometer ya LED na Arduino kwa Fizikia au Kemia Masomo: Hatua 5 (na Picha)

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:52

Halo!

Vimiminika au vitu vingine vinaonekana kuwa na rangi kwa sababu huchagua au hupitisha rangi fulani na kumeza (kunyonya) zingine. Kwa kinachoitwa photometer, rangi hizo (wavelengths) zinaweza kuamua, ambazo hufyonzwa na vinywaji. Kanuni ya msingi ni rahisi: ukiwa na mwangaza wa rangi fulani, kwanza huangaza kupitia cuvette iliyojaa maji au kutengenezea nyingine. Photodiode hupima kiwango cha nuru inayoingia na kuibadilisha kuwa voltage inayolingana ya U0. Thamani hii imebainika. Baada ya hapo, cuvette iliyo na kioevu kitakachochunguzwa imewekwa kwenye njia ya boriti na tena hupima kiwango cha mwangaza au voltage U. Kiwango cha maambukizi kwa asilimia basi huhesabiwa tu na T = U / U0 * 100. Kupata sababu ya kunyonya A lazima uhesabu A = 100 ukiondoa T.

Kipimo hiki kinarudiwa na LED za rangi tofauti na huamua katika kila kesi T au A kama kazi ya urefu wa rangi (rangi). Ukifanya hivi na LED za kutosha, unapata curve ya ngozi.

Hatua ya 1: Sehemu

Kwa photometer unahitaji sehemu zifuatazo:

* Kesi nyeusi na vipimo 160 x 100 x 70 mm au sawa: nyumba

* Nano wa Arduino: ebay arduino nano

* Kikuza kazi LF356: ebay LF356

* 3 capacitors yenye uwezo wa 10μF: ebay capacitors

* 2 capacitors na C = 100nF na capacitor na 1nF: ebay capacitors

* Inverter moja ya voltage ICL7660: ebay ICL7660

* Photodiode moja ya BPW34: ebay BPW34 photodiode

* Vipinzani 6 vyenye 100, 1k, 10k, 100k, 1M na 10M ohms: resistors za ebay

* onyesho la I²C 16x2: onyesho la ebay 16x2

* kubadili 2x6 rotary: kubadili rotary

* mmiliki wa betri ya 9V na betri ya 9V: mmiliki wa betri

* kubadili: kubadili

* Cuvettes za glasi: mikate ya ebay

* LED zilizo na rangi tofauti: f.e. LED za ebay

* usambazaji rahisi wa umeme wa 0-15V kuwasha LED

* kuni kwa mmiliki wa cuvette

Hatua ya 2: Mzunguko na nambari ya Arduino

Mzunguko wa photometer ni rahisi sana. Inajumuisha photodiode, amplifier ya kazi, inverter ya voltage na sehemu zingine (vipinga, swichi, capacitors). Kanuni ya aina hii ya mzunguko ni kubadilisha sasa (chini) kutoka kwa photodiode kuwa voltage ya juu, ambayo inaweza kusomwa na nano ya arduino. Sababu ya kuzidisha imedhamiriwa na thamani ya kinzani katika maoni ya OPA. Ili kubadilika zaidi nilichukua vipinzani 6 tofauti, ambavyo vinaweza kuchaguliwa na swichi ya rotary. "Ukuzaji" wa chini kabisa ni 100, ya juu zaidi ya 10 000 000. Kila kitu kinatumiwa na betri moja ya 9V.

Hatua ya 3: Jaribio la kwanza: Mzunguko wa ngozi ya Chlorophyll

Kwa utaratibu wa kupimia: Cuvette imejazwa na maji au kutengenezea mwingine wa uwazi. Hii imewekwa kwenye kipima picha. Cuvette inafunikwa na mfuniko mwepesi. Sasa weka usambazaji wa umeme kwa LED ili sasa ya karibu 10-20mA inapita kupitia LED. Baada ya hapo, tumia swichi ya rotary kuchagua nafasi ambayo voltage ya pato ya photodiode iko karibu 3-4V. Uwekaji mzuri wa voltage ya pato bado unaweza kufanywa na usambazaji wa umeme unaoweza kubadilishwa. Voltage hii U0 imebainika. Kisha chukua cuvette iliyo na kioevu ili ichunguzwe na kuiweka kwenye kipima picha. Kwa wakati huu voltage ya usambazaji wa umeme na nafasi ya swichi ya rotary lazima ibaki bila kubadilika! Kisha funika cuvette tena na kifuniko na pima voltage U. Kwa maambukizi T kwa asilimia thamani ni T = U / U0 * 100. Ili kupata mgawo wa kunyonya A lazima uhesabu A = 100 - T.

Nilinunua LED za rangi tofauti kutoka Roithner Lasertechnik ambayo iko katika austria, nchi yangu ya nyumbani. Kwa haya, urefu wa urefu husika hutolewa kwa nanometers. Ili kuwa na hakika kabisa mtu anaweza kuangalia urefu wa wavelength na spectroscope na programu ya Theremino (theremino spectrometer). Kwa upande wangu, data katika nm ilikubaliana na vipimo vizuri kabisa. Wakati wa kuchagua LEDs, unapaswa kufikia kama chanjo hata ya urefu wa urefu wa 395nm hadi 850nm.

Kwa jaribio la kwanza na photometer nilichagua chlorophyll. Lakini kwa hili utalazimika kung'oa nyasi kutoka mejani ukitumaini kuwa hakuna mtu anayekuangalia …

Nyasi hii hukatwa vipande vidogo na kuwekwa pamoja na propanoli au ethanoli kwenye sufuria. Sasa unaponda majani na chokaa au uma. Baada ya dakika chache, klorophyll imeyeyuka vizuri kwenye propanoli. Suluhisho hili bado ni kali sana. Inahitaji kupunguzwa na propanoli ya kutosha. Na kuepusha utatuzi wowote suluhisho linapaswa kuchujwa. Nilichukua kichungi cha kahawa cha kawaida.

Matokeo yanapaswa kuonekana kama inavyoonekana kwenye picha. Suluhisho la kijani-manjano lenye kupita kiasi. Kisha unarudia kipimo (U0, U) na kila LED. Kama inavyoweza kuonekana kutoka kwa mkuta wa ngozi uliopatikana, nadharia na kipimo vinakubaliana vizuri. Chlorophyll a + b inachukua sana katika safu ya hudhurungi na nyekundu, wakati taa ya kijani-manjano na infrared inaweza kupenya suluhisho karibu bila kizuizi. Katika anuwai ya infrared, ngozi hiyo iko karibu na sifuri.

Hatua ya 4: Jaribio la pili: Utegemezi wa Kutoweka kwa Mkusanyiko wa Potanganamu ya Potasiamu

Kama jaribio zaidi, uamuzi wa kutoweka kulingana na mkusanyiko wa matoleo. Kama solute, ninatumia potasiamu potasiamu. Ukali wa mwanga baada ya kupenya suluhisho hufuata sheria ya Bia ya Lambert: Inasomeka I = I0 * 10 ^ (- E). I0 ni nguvu bila solute, mimi nguvu na solute na E kinachojulikana kutoweka. Kupotea hii E inategemea (laini) juu ya unene x wa cuvette na kwenye mkusanyiko c wa solute. Kwa hivyo, E = k * c * x na k kama mgawo wa ngozi ya molar. Kuamua kutoweka E unahitaji tu mimi na I0, kwa sababu E = lg (I0 / I). Wakati nguvu imepunguzwa hadi, kwa mfano, 10%, kutoweka E = 1 (10 ^ -1). Kwa kudhoofika kwa 1% tu, E = 2 (10 ^ -2).

Ikiwa moja inatumika E kama kazi ya mkusanyiko c, tunatarajia kupata laini inayoinuka inayopanda kupitia hatua ya sifuri.

Kama unavyoona kutoka kwa mkondo wangu wa kutoweka, sio laini. Katika viwango vya juu, hupunguka, haswa kutoka kwa viwango zaidi ya 0.25. Hii inamaanisha kuwa kutoweka ni chini kuliko inavyotarajiwa kulingana na sheria ya Bia ya Lambert. Walakini, kwa kuzingatia viwango vya chini tu, kwa mfano kati ya 0 na 0.25, husababisha uhusiano mzuri sana kati ya mkusanyiko c na kutoweka E. Katika safu hii, mkusanyiko usiojulikana c unaweza kuamua kutoka kwa kupotea kwa kipimo E. Katika kesi yangu, mkusanyiko una vitengo vya kiholela tu, kwani sijaamua kiwango cha awali cha potasiamu iliyokatwa (imekuwa miligramu tu, ambayo haikuweza kupimwa na kiwango changu cha jikoni kwangu, ikayeyushwa kwa maji 4 ml kwa kuanza suluhisho).

Hatua ya 5: Hitimisho

Picha hii inafaa haswa kwa masomo ya fizikia na kemia Gharama ya jumla ni karibu 60 Euro = 70 USD. LED za rangi tofauti ni sehemu ya gharama kubwa zaidi. Kwenye ebay au aliexpress hakika utapata LED za bei rahisi lakini kawaida haujui ni urefu gani wa taa zina LED. Kuonekana kwa njia hii, ununuzi unapendekezwa kutoka kwa muuzaji mtaalamu.

Katika somo hili unajifunza kitu juu ya uhusiano kati ya rangi ya vinywaji na tabia yao ya kunyonya, juu ya Chlorophyll muhimu, sheria ya Lambert-Beer, maonyesho, usafirishaji na ngozi, hesabu ya percents na urefu wa urefu wa rangi zinazoonekana. Nadhani hii ni mengi sana…

Kwa hivyo furahiya pia kufanya mradi huu katika somo lako na Eureka!

Mwisho lakini ningefurahi sana ikiwa ungeweza kunipigia kura kwenye darasa-sayansi-mashindano. Asante kwa hiyo…

Na ikiwa una nia ya majaribio zaidi ya fizikia, hii ndio kituo changu cha youtube:

www.youtube.com/user/stopperl16/videos?

miradi zaidi ya fizikia: