HAW-Hamburg: Smartphone-Photometer

Smartphone-Photometer

In unserem Smartphone-Photometer-Projekt zeigen wir wie ein technisch anspruchsvolles Messgerät für niedrige Kosten auch von Personen mit geringen Vorkenntnissen im Elektronik-, Computer und Softwarebereich selbst herstellbar ist.

Neben dem reinen Sachziel ein Photometer zur Verfügung zu stellen und damit Messungen z.B. von umweltrelevanten Substanzen in Flüssigkeiten zu ermöglichen wollen wir junge Menschen für MINT Themen begeistern.

Konzeptidee

Zu den grundlegenden Komponenten eines Photometers gehören:

eine Lichtquelle
ein Monochromator
eine Messküvette/Messgefäß
ein Lichtsensor
ein die Messdaten aufbereitendes System
etwas zum Bedienen und zum Visualisieren von Messdaten (Benutzer Interface)
sowie ein Halter für das Messgefäß, um reproduzierbare Messungen zu ermöglichen

Eine wesentliche Eigenschaft eines Photometers ist die Messung der Lichtabschwächung (Lichtabsorption) bei einer bestimmten Wellenlänge des Lichts. Viele käufliche Photometer erlauben die Vorauswahl dieser Wellenlänge. Technisch wird dies häufig durch Auffächern eines breitbandigen Lichtstrahls und Auswahl eines kleinen schmalbandigen Bereichs oder durch ein Farbfilter erwirkt. Diese optische Baugruppe – der sogenannte Monochromator – ist ein erheblicher Kostenfaktor. In diesem Projekt soll daher durch Einsatz von LEDs ein Monochromator unnötig werden. LEDs haben ein mehr oder weniger schmalbandiges Lichtspektrum. Durch die Auswahl der LED Farbe kann somit ein für die Messaufgabe „passendes“ Licht gewählt werden. Die Breite des Spektrums der jeweiligen LED variiert von Hersteller zu Hersteller. Einerseits wäre ein schmaleres Band wünschenswert, um eine hohe Wellenlängenselektivität zu erreichen. Anderseits ermöglicht die Überschneidung der einzelnen Bänder auch die Beschränkung auf einige wenige LEDs, um einen breiten Wellenlängenbereich abdecken zu können.

Für die Auswahl eines geeigneten Lichtsensors sind folgende Kriterien wünschenswert:

großer Wellenlängen Messbereich, um Messungen von ultraviolettem bis zu infrarotem Licht möglich zu machen
hohe Auflösung, um Lichtintensitäten fein abgestuft unterscheiden zu können
wenig Querempfindlichkeiten gegen Umwelteinflüsse (z.B. Temperatur)
geringer elektrotechnischer Schaltungsaufwand, um an die Messergebnisse zu gelangen

Insbesondere der letzte Punkt legt die Verwendung eines Sensors mit integrierter digitaler Schnittstelle nahe. Signalverstärkende Elektronik und der damit verbundene Aufwand wird damit überflüssig.

Für die Steuerung der LED und die Verarbeitung der Daten des Lichtsensors drängt sich die Verwendung eines kleinen Computers auf. Um die Messdaten anzuzeigen und um Messungen starten zu können, werden noch eine Anzeigemöglichkeit und Bedienknöpfe benötigt. Gelingt es einen kleinen Computer auszuwählen, der seine Daten über eine von Tablet oder Smartphone nutzbare Datenschnittstelle anbieten kann, kann auf eine separate Anzeige und die Bedienknöpfe verzichtet werden. Um auf Seiten des Smartphones auf ein zusätzlich zu erstellendes Programm verzichten zu können, ist es wünschenswert, die Daten und die Möglichkeit Messungen zu starten in Form einer Webseite anzubieten, die von jedem internetfähigem Gerät, also auch von Smartphones, abgerufen werden kann. Die Einbindung eines Smartphones in das Konzept spart Kosten für Display und Bedienelemente und ist geeignet die Akzeptanz des Projekts bei Jugendlichen zu erhöhen. Der benötigte Computer sollte also am besten über eine WLAN / WIFI - Schnittstelle verfügen und die Möglichkeit haben einen kleinen Webserver zu realisieren.

Die einzelnen Bauteile des Photometers sollen auch von Anfängern im Elektronikbereich handhabbar sein. Lötarbeiten sollen auch von „Erstlötern“ durchführbar und von kurz eingewiesenem Projektbegleitern begutachtbar und korrigierbar sein. Lötarbeiten an empfindlichen oder sehr kleinen Bauteilen kommen somit nicht in Frage.

Das Photometer war/ist auch "Life" zu sehen

Immer wieder stellen wir unser Projekt auch auf Veranstalltungen vor.

Teilweise bieten wir im Rahmen dieser Veranstalltungen auch Workshops an, in denen das Photometer mit unser Unterstützung nachgebaut werden kann.

Maker Faire Hannover 2019 - Messestand Schullabor mobile Analytik - 17. - 18. August 2019 (https://maker-faire.de/hannover/).

Sommer des Wissens, Rathausplatz, Hamburg - Ausstellung und Workshops im HiTech-Labor - 20. Juni 2019 (https://www.haw-hamburg.de/fakultaeten-und-departments/ls/aktuell/sommer-des-wissens-2019.html)

Maker Faire Berlin 2019 - Messestand Schullabor mobile Analytik - 17. - 19. Mai 2019 (https://maker-faire.de/berlin/).

BioProcessingDays 2019 (Westfälischen Hochschule / Standort: Recklinghausen) Konferenz Poster - 18. - 20. Februar 2019 (http://www.apz-rl.de/BioProcessingDays_2019/).

Physik mit Raspberry Pi und Arduino - Deutsche Physikalische Gesellschaft - Konferenz Vortrag, Poster, Workshop - 19. - 23. November 2018 (http://www.dpg-physik.de/dpg/pbh/aktuelles/LF318.html)

Maker Faire Hannover 2018 - Messestand Schullabor mobile Analytik - 14. - 16. September 2018 (https://maker-faire.de/hannover/).

ICIA-International Conference on Ion Analysis (Berlin) - Vortrag und Poster - 9. - 13. September 2018 (https://www.icia-conference.net/). - Unser Poster hat den Posterpreis (ICIA Poster Award) des Publikums gewonnen :-)

Maker Faire Berlin 2018 - Messestand Schullabor mobile Analytik - 25. - 27. Mai 2018 (https://maker-faire.de/berlin/).

Maker Fair im Norden 2017 (Kiel) - Messestand Schullabor mobile Analytik -18. - 19. November 2017 (https://makerfaireimnorden.com/).

Nacht des Wissens Hamburg - Campus Bergedorf - 4. November 2017 (https://nachtdeswissens.hamburg.de/index.php?article_id=161&id=16284).

Maker Faire Hannover 2017 - Messestand Schullabor mobile Analytik - 25. - 27. August 2017 (https://maker-faire.de/hannover/).

Extere Berichte und Erwähnungen (Online- und Printmedien)

Zu unser großen Freude sind bereits Artikel in (Fach-)Zeitschriften und Online erschienen die einen ersten Einblick in unser Photometer Projekt ermöglichen.

Eine allgemeine Beschreibung findet sich als Fachartikel der GIT Labor Fachzeitschrift (Ausgabe 5/2017 S. 20 - 22) der auch online zur Verfügung steht (http://www.git-labor.de/forschung/chemie-physik/smartphone-photometer-zum-selbstbau).

Das Onlineportal Heise-Online hat am 4.10.2017 eine Meldung veröffentlicht (https://heise.de/-3845435).

In der Ausgabe 5/2017 S.100-101 der Zeitschrift Make ist ein Bericht über das Photometer erschienen (https://www.heise.de/select/make/2017/5/1508789914032591).

Die englische Ausgabe des GIT Laboratory Journal hat in der Ausgabe 4/2018 einen Übersichtsartikel veröffentlicht, der auch online verfügbar ist. (https://www.laboratory-journal.com/science/chemistry-physics/diy-low-budget-smartphone-photometer)