Im folgenden Beispiel wollen wir ein Spektrometer selber bauen und damit die naturwissenschaftlichen Grundlagen des Lambert-Beerschen Gesetzes erforschen. Als monochromatische Lichtquelle steht uns das RGB-Neopixel zur Verfügung. Im Adafruit-Datenblatt finden wir folgende Angaben zu den Wellenlängen der einzelnen Farbkanäle: Rot (620-630 nm), Grün (515-525 nm), Blau(460-470 nm) und einen breitbandigen Kanal im sichtbaren Bereich (Weiss). Als Detektor nutzen wir den Lichtsensor TSL2561 mit zwei Photodioden im sichtbaren Bereich bzw. im IR oder alternativ den Sensor BH1750. Diese Sensoren liefern die Beleuchtungsstärke direkt in der Einheit Lux. Sensormodule mit TSL2561 / BH1750 gibt es in verschiedenen Bauformen für < 5€ bei diversen Herstellern. Wir empfehlen die Verwendung eines Moduls ohne Grove-Connector, dieser ist geometrisch ungünstig angebracht und behindert die Montage. Besser die 4 Litzen eines I2C-Grove-Kabels direkt mit dem Sensormodul verlöten (rot=VCC, schwarz=GND, gelb = SCL, weiss=SDA).

Zum Versuchsaufbau verwenden wir weiterhin ein im 3D-Druck gefertigtes Gehäuse (das 3D-File dazu finden Sie hier).

1.Montage des Octopus und des Sensors im Gehäuse: Wichtig ist die feste Fixierung des Sensors z.B. mit Klebeband, da kleine geometrische Verschiebungen unmittelbaren Einfluss auf die Messgenauigkeit haben.

2. Entwicklung einer Software zur Messung: In einer Endlosschleife ermitteln wir die Beleuchtungsstärke für die drei RGB-Kanäle.

3. Farbige Folien ersetzen die Küvette.  In einem ersten Experiment wollen wir die Absorption verschiedenfarbiger Folien untersuchen. Hierzu eignen sich z. B. mit Filzstift gefärbte Overheadfolien oder farbige Folien aus dem Laserdrucker, die wir in den Strahlengang halten.

4. Messdaten aufnehmen: Für jede bunte Folie notieren wir uns der Reihe nach die Beleuchtungsstärke für jeden der drei Farbkanäle. Eine ungefärbte Folie dient als Leerprobe. Anhand der Messwerte erkennen wir, dass eine rote Folie das rote Licht fast ungehindert passieren lässt, blau und grün aber deutlich abschwächt.

5. Lambert-Beer überprüfen: Jetzt starten wir mit 4 übereinanderliegenden roten Folien und betrachten den blauen Farbkanal. Das Experiment wiederholen wir für drei, zwei und schließlich für eine Folienlage. Hiermit haben wir jetzt eine chemische Substanz in 4 verschiedenen Konzentrationen in einer Küvette simuliert. Konzentration 4 (4 Folien) ist 4 mal so stark wie die Konzentration 1 (1 Folie). Berechnen wir aus der Beleuchtungsstärke (die sich proportional zur Intensität I verhält) die Absorption (Extiktion), so können wir die Aussage des Lambert-Beerschen Gesetz überprüfen. Ein Excel-Sheet findet sich hier.

Im vorhergehenden Versuchsaufbau haben wir die Grundfunktion eines Spektrometers kennen gelernt. Jetzt möchten wir uns die Bedienung so komfortabel wie möglich gestalten. Hierzu hat die HAW Hamburg (CC Ulrich Scheffler) ein tolles Smartphone-Spektrometer entwickelt, welches hier als Grundlage für unseren Ansatz dient. Die Software erlaubt die Definition einer Leerprobe und die Messung von bis zu 5 weiteren Proben. Die Ergebnisse lassen sich über eine Downloadfunktion im Browser als Excel-Datei exportieren und am PC weiterverarbeiten.

1. Ardublock-Programm erstellen: Ein vom IoT-Kit generierter WLAN-Accesspoint ermöglicht die Verbindung zwischen Smartphone und Octopus. Der zur Bedienung notwendige Web-Server lässt sich über den Baukasten MINT direkt auswählen. Je nach Betriebsmodus läßt sich ein breitbandiges Spektrum (Weiss) oder die bereits bekannten RGB-Kanäle nutzen. Nach Hochladen des Programmes erfolgt die Bedienung im Web-Browser am Smartphone oder Notebook.

2. Smartphone verbinden und Spektrometer bedienen: Am Smartphone (Notebook) muss eine Verbindung zum Octopus aufgebaut werden. Hierzu den Accesspoint per WLAN verbinden und im Browser die URL 192.168.4.1 aufrufen.