Smartphone- Photometer zum Selbstbau

Vom LED- Photosensor mit Smartphone zum Photometer

  • © Heiko Thämlitz© Heiko Thämlitz
  • © Heiko Thämlitz
  • Abb. 1: Hauptkomponenten (A), Fertiggestellte Bauteile (B) und Photosensor komplett (C) © Ulrich Scheffler
  • Abb. 2: Photosensor im Gehäuse © Ulrich Scheffler
  • Abb. 3: Bedienoberfläche des Smartphone- Photometers nach Messung der Probe 1 © Ulrich Scheffler
Olaf Elsholz1, Tereza Cristina Rodrigues Elsholz2, Ulrich Scheffler1
 
Ein als Bausatz konzipierter und über 100 Mal von Schulgruppen angefertigter LED- Photosensor wurde grundsätzlich überarbeitet. Als Lichtdetektor wird nun ein Bauteil der Digitalelektronik verwendet und mit einem WLAN-fähigen Mikroprozessor gekoppelt, der seine Daten zu einem Smartphone überträgt. Der Preis der benötigten Bauteile ist mit ca. 30 € ebenfalls niedrig und anstelle des zuvor benötigten Multimeters kann jetzt jedes handelsübliche Smartphone verwendet werden.
 
In diesem Artikel wird ein Photometer beschrieben, dass für geringe Kosten auch von Personen mit wenigen Vorkenntnissen im Elektronik-, Computer- und Softwarebereich selbst herstellbar ist. Es wird im Schullabor „mobile Analytik“ für Experimente von Schülerinnen und Schülern eingesetzt. Die Kombination von selbstgebautem Sensor mit Smartphone hat bei den bisherigen Veranstaltungen begeistert und die Motivation gefördert, sich mit Photometrie zu befassen.
 
Die grundlegenden Komponenten eines Photometers sind: Lichtquelle, Monochromator, Küvette und Lichtsensor sowie ein die Messdaten aufbereitendes und ggf. visualisierendes System. Es wird monochromatisches Licht auf eine in den meisten Anwendungen flüssige Probe gesendet und entweder die Absorption, die Transmission oder die Extinktion gemessen. Die hierzu häufig eingesetzten Varianten sind im Photometrie-Kompendium [1] ausführlich beschrieben. 
 
Aufbau des Photosensorteils
 
Das hier vorgestellte Photometer stellt eine Weiterentwicklung eines zuvor beschriebenen LED-Photosensors [2] dar. Als Lichtquelle wird eine LED verwendet, die bereits monochromatisches Licht aussendet, so dass auf einen aufwändigen Monochromator und die damit verbundenen Kosten verzichtet werden kann. Der bisher eingesetzte analog arbeitende Photosensor ist durch einen Lichtintensitätssensor mit digitaler Schnittstelle ersetzt worden. Der neue verwendete Lichtsensor TSL2561 (Firma TAOS) zeichnet sich durch seinen hohen dynamischen Empfindlichkeitsbereich, seine integrierte 50/60Hz Unterdrückung zur Ausblendung von Intensitätsschwankungen des elektrischen Umgebungslichts und seinen sehr niedrigen Energiebedarf aus.

Der TSL2561 hat sich auch in einem Referenzprojekt von Oliver Happel für die Photometrie bewährt [3]. In Verbindung mit einem WLAN-fähigen Mikroprozessor wird eine einfache Datenübertragung zu Computern ermöglicht. 

 
Da komplizierte Lötarbeiten vermieden werden sollten, sind überwiegend nur in Modulbauweise verfügbare Bauteile ausgewählt worden, so dass nur noch wenige Lötarbeiten (vor allem auf der Adapterplatine) notwendig sind, um aus den in Abbildung 1 A gezeigten Hauptkomponenten, LED, 
Lichtsensor und Mikroprozessor die in Abb. 1 B dargestellten zusammensteckbaren Einzelteile zu erhalten. Die LED wird nun so in das Hauptmodul eingesteckt, dass sie dem Lichtsensor gegenüberliegt. Je nach Anwendung (Wellenlänge) wird eine entsprechende LED verwendet. Den fertigen Aufbau zeigt Abbildung 1 C.
 
Grundsätzlich lässt sich der Photosensor ohne Gehäuse nutzen. Die Messung könnte jedoch durch Umgebungslicht gestört werden, so dass es besser ist, den Aufbau mit einem Gehäuse zu umgeben. Hierzu gibt es preiswerte Möglichkeiten, wie z. B. nicht mehr benötigte Kunststoffverpackungen. Für den hier beschriebenen Aufbau steht jedoch auch ein Gehäuseentwurf als STL-Datei für den Ausdruck auf einem 3D-Drucker bereit. Abbildung 2 zeigt den in das entwickelte Gehäuse eingepassten Photosensor. Eine ausführliche Beschreibung zu den Lötarbeiten und nähere Angaben zur Gehäuseerstellung stellen die Autoren auf Anfrage gerne zur Verfügung. 
 
Vom Photosensor zum Photometer
 
Zur Datenverarbeitung und -übertragung muss auf dem Mikroprozessormodul die WeMos D1 mini Software installiert werden. Hierzu wird das Modul über seine USB Schnittstelle mit einem PC verbunden und ein ca. 400 Zeilen Programmcode auf den Mikrocontroller gespielt. Diese Software (auf Anfrage bei den Autoren erhältlich) bewerkstelligt das Auslesen der Lichtsensordaten, die Umrechnung der Daten in einen LUX-Wert und die Berechnung eines Extinktionswertes aus zwei LUX-Werten (z. B. Blindwert und Probenwert). Nach dem Aufspielen der Software kann der Photosensor vom PC getrennt werden und ist in Verbindung mit einem Smartphone, Tablet oder Laptop als Photometer auch mobil nutzbar.
 
Inbetriebnahme des Smartphone- Photometers
 
Für einen ersten Test wird die Powerbank oder das Netzteil an den USB-Anschluss des Photosensors angeschlossen. Die eingebaute LED sollte jetzt für ca. 5 Sekunden leuchten und danach wieder ausgehen.
 
Der Photosensor baut ein eigenes WLAN/WIFI Netzwerk auf. Ein Smartphone, Tablet oder Laptop kann sich mit dem Netzwerk des Photosensors verbinden und die Webseite des Photometers über einen Webbrowser abrufen. Es wird dann eine Webseite mit zwei Bedienknöpfen und einer Tabelle dargestellt (s. Abb.3).
 
Das Einsetzen einer Küvette mit Wasser oder der Blindwertlösung und Drücken von „Leerprobe“ führt eine Messung zur Ermittlung des Lichtstroms I0 aus und trägt die Daten in die Tabelle ein.
 
Anschließendes Einsetzen einer Küvette mit Standard oder Probelösung und Drücken von „Probe X“ (X steht für die Probenummer, die fortlaufend vergeben wird.) führt eine weitere Messung, dieses Mal zur Ermittlung des Lichtstroms I aus und trägt die Daten ebenfalls in die Tabelle ein. Dabei wird mittels eingespielter Software die Extinktion gemäß E = log (I0/I) berechnet.
 
Messung von Silikat in Trinkwasser
 
Als Beispiel für eine Anwendung wurde die Messung von Silikat in Trinkwasser durchgeführt. Reaktionen für weitere vergleichsweise einfach übertragbare Parameter wie Nitrat, Nitrit, Ammonium, Phosphat und Carbonat sind u.a. bei Sotriffer [4] beschrieben.
 
Für die Silikatmessung wurden 3 Reagenzien jeweils frisch angesetzt:
Molybdat-Lösung: ca. 150 mL Reinstwasser im 250 mL Messkolben vorlegen, 4 mL konz. Schwefelsäure und 7,5 g Hexa-Ammonium-Heptamolybdat zugeben, bis zur Marke mit Reinstwasser auffüllen und umschütteln.
 
Oxalsäure-Lösung: 11 g Oxalsäure in einem 250 mL Messkolben überführen und bis zur Marke mit Reinstwasser auffüllen und umschütteln
 
Ascorbinsäure-Lösung: 4 g Ascorbinsäure in einem 100 mL Messkolben überführen und bis zur Marke mit Reinstwasser auffüllen und umschütteln.
 
Es wurden 4 Kalibrier-Standards mit 1, 2, 4 und 10 mg/L Silikat aus einer 1 g/L Stammlösung angesetzt. Jeweils 1 mL dieser Lösungen und 0,5 mL der oben angegebenen Reagenzien wurden in eine Einmalküvette gegeben, mit Parafilm abgedeckt und über Kopf geschüttelt. Nach 10 Minuten Reaktionszeit wurden die dann blau gefärbten Lösungen mittels klassischen Spektralphotometer bei 880 nm und mittels Smartphone- Photometer unter Verwendung einer roten LED gemessen. Als Extinktionswerte wurden 125 (100), 217 (171), 495 (397) und 1202 (950) mAU (milli Absorbance Units) erhalten. Die Werte in Klammern sind die mit dem Smartphone- Photometer gemessenen. Sie sind erwartungsgemäß etwas niedriger als die bei der optimalen Wellenlänge gemessenen, sind aber, wie die Messung einer Wasserprobe zeigt, ebenfalls gut für die Messung von Silikat im angegebenen Konzentrationsbereich geeignet. Mit dem Spektral-Photometer wurden 8,70 mg/L Silikat, mit dem Smartphone- Photometer 8,78 mg/L Silikat als Ergebnis für Bergedorfer Leitungswasser erhalten.
 
Ein messbereites Smartphone- Photometer ist auf dem Aufmacherbild dargestellt.
 
Zugehörigkeiten
1Fakultät Life Science, HAW Hamburg
2UEMG (Universidade Estadual de Minas 
Gerais), Campus Ituiutaba
 
Kontakt
Prof. Dr. Olaf Elsholz
Leiter des Labors für instrumentelle Analytik
HAW Hamburg
Fakultät Life Sciences, Department Umwelttechnik
Hamburg-Bergedorf
 
Dokumentation und Bauanleitung finden Sie unter "Topstory-PDF lesen" oben neben dem Bild zum Download.
 

Referenzen:

[1] Kusserow A.: GIT Labor-Fachzeitschrift 7 /2015, 27 (2015)
http://www.git-labor.de/photometrie-kompendium

[2] Elsholz O. und Rodrigues T.C.: GIT Labor-Fachzeitschrift 6 /2005, 519-520 (2005)

[3] Happel O.: Analytische Methoden mit dem LED Photometer. AATIS-Rundschreiben Sommer-Herbst 2015, 20-23 (2015)
www.aktuelle-wochenschau.de/main-navi/archiv/chemie-und-licht-2015/kw40-bau-eines-led-photometers-und-seine-einbindung-in-den-schulunterricht.html

[4] Sotriffer A.: Umweltchemie im Schüler/innenexperiment unter Einsatz kostensparender Mikromethoden. IMST-Fonds, Wien (2009),

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