Projekt Alkoholmessanlage, computergestützt

[KommandeurMumm]

Hallo, liebe FW-ler!

Da ich über die Suchfunktion nichts zu meinem Thema gefunden habe, hier ein neuer Thread:

Derzeit beschäftige ich mich im Rahmen meiner Examensarbeit ein kleines Bischen mit Arduino-Boards. Wenn euch das nichts sagt, kein Problem, das werde ich weiter unten kurz erklären. Dieser Thread soll als erste Machbarkeitsanalyse dienen, für eine Idee, die mir bei der Arbeit mit diesen kleinen Computerboards gekommen ist. Es geht dabei um eine neue Art der Alkoholbestimmung eines Weines oder Weinansatzes, ohne Vinometer oder Alkoholometer. Da ich bisher viele Probleme mit meinem Vinometer hatte - trotz der im Forum ausführlich beschriebenen, gründlichen Reinigung mit Aquadest, Isopropanol, Essig und Angelschnur - suche ich immer wieder nach anderen Möglichkeiten der Alkoholmessung.
Doch erstmal möchte ich für alle, die mit dem Begriff "Arduino" nichts anfangen können, diesen kurz erläutern:

Was ist Arduino?
Hier die offizielle Seite: arduino.cc/
Bei Arduino handelt es sich um ein offenes System aus günstigen Elektronikbauteilen und Software, um diese selbst zu programmieren. Herzstück eines jeden Projektes ist ein Controller-Board, das einen Computerchip und viele analoge und digitale Ein- und Ausgänge besitzt. An einen PC oder Mac angeschlossen kann ich das Board dann mittels einer kostenlosen Software programmieren. Die Programmiersprache ist aus C++ entwickelt worden und besitzt eine ähnliche, aber vereinfachte Syntax.
Doch wofür ist das Ganze jetzt gut?
Ursprünglich wurde das Arduino-Projekt für Künstler ins Leben gerufen. Diese sollten eine - für E-Technik- und InformatikUNkundige verständliche - Möglichkeit bekommen, elektronische Steuerungen zu bauen und zu benutzen. Etwa um Lichtinstallationen und ähnliches zu steuern. Aber schnell wurde klar, dass das System viel mehr kann. Inzwischen gibt es alle möglichen Sensoren, Motoren, Lautsprecher usw. für das System, zum dem jeder neue Hard- und Software entwickeln kann, da alles frei verfügbar (open-source) ist. Wer sieben Minuten Zeit und etwas Geduld für einen jungen (vermutlich) Amerikaner hat, der kann sich auf youtube folgendes Video anschauen, in dem einige der Sensoren,die es für Arduino gibt (auf Englisch) vorgestellt werden.
www.youtube.com/watch?v=yESCMe9aaj8

Und was hat das jetzt mit Fruchtwein zu tun?
Ganz einfach, für ca. 5 € bekommt man einen Alkoholsensor, der sich an ein Arduino-Board anschliessen und auslesen lässt. Ein Board für 25 € dazu (ich besitze selbst noch keines) und es ließe sich möglicherweise eine neue Art der Alkoholmessung basteln. SOFERN - und da kommt ihr ins Spiel - sich die Gegebenheiten der Alkoholmessung im Weinansatz an das Messverfahren anpassen lassen. Das Problem liegt nämlich darin, dass sich mit dem Sensor nur Spuren von Alkohol in einem Gasgemisch nachweisen lassen, so wie mit den Geräten der Polizei. Laut Datenblatt des Sensors sind das Konzentrationen von 0,05 bis 10 mg/L.

Wenn ich also einen Weinansatz habe, der zwischen 5 und 17 Vol.-% Alkohol besitzt, habe ich zwischen 39,9 (5 * 7,9) und 134,3 (17 * 7,9) g/Liter Alkohol. Das als Gas würde eine ca. 13400-fach höhere Konzentration bedeuten, als der Sensor schafft. Ihr berichtigt mich ja, wenn ich falsch rechne, gell?
Also muss eine Verdünnung vorgenommen werden (1. potentielle Fehlerquelle!). Reicht es dann, ein genau bestimmtes Volumen der zu untersuchenden Lösung in einem genau bestimmten Volumen Luft (Behälter, ggf. 2. Fehlerquelle) zu verdampfen und am Sensor vorbei strömen zu lassen? Natürlich absolut abgedichtet. Die Messung selbst ist dann noch abhängig von Luftfeuchtigkeit, Temperatur undundund(3...n Fehlerquelle(n)).

Bei sorgfältiger Arbeit und einer guten Kalibrierung des Gerätes könnte es aber vielleicht gehen. Was meint ihr? Ließe sich ein dichtes Gerät bauen, in dem man eine kleine Menge Flüssigkeit verdampfen und am Sensor vorbei leiten kann?
Die Hardwarekosten müssten zwischen 30 und 50 € liegen...

Einen Blick auf den Sensor, sowie sein Datenblatt und andere Angaben gibt es hier:
www.sparkfun.com/products/8880

Ich hoffe, dass deutlich geworden ist, was ich überhaupt meine / beabsichtige. Ich freue mich über eure Antworten!

Viele Grüße,
Hendrik

Tante Edit sagt: Rechtschreibfehler müssen nicht sein. Können aber

[Dieser Beitrag wurde am 09.03.2012 - 16:03 von KommandeurMumm aktualisiert]

[Josef]

Du planst ja Sachen.

Also, verstanden habe ich was du da vor hast und auch die Umsetzung, wie es später laufen sollte, kann ich mir vorstellen.

Aber das erste Problem sehe ich wie du, in der Verdünnung des Weines.
Muss du den jetzt um das 13400fache verdünnen????
Wenn ja, dann würde ich sagen vergiss es, das wird nichts genaues.
Gibt es keinen Sensor der höhere Konzentrationen ab kann?

Ein weiteres Problem sehe ich in der Verdampfung. Alkohol verdampft ja bekanntlich schneller als Wasser.
Um einen genauen Wert hinzubekommen brauchst da im Dampf ja die gleiche Konzentration als in der Flüssigkeit. Glaub ich zumindest.

Es gibt einige hier die besitzen ein Ebullioskop, ich glaube das funktioniert auch mit Verdampfung, weiß ich aber nicht, da ich selbst noch keins benutzt habe.
Aber warte mal ab, der Chef hat eins und kann dir sicher etwas dazu sagen wenn er den Beitrag gelesen hat. Bin mal gespannt was aus der Sache wird.

[JasonOgg]

Hochspannend!
Wenn das praktisch funktioniert, dann hätte ich einen Heidenspaß das Dingen zu programmieren. Endlich mal was vernünftiges.

An das Ebullioskop dachte ich auch, dann bräuchtes Du einen Temperatursensor, aber mehr drumherum. Das Ebullioskop arbeitet mit dem unerschiedlichem Siedepunkt von Wasser und Alkohol.

[Fruchtwasser]

Hallo Hendrik,

von dem arduino Board habe ich auch schon gelesen. Ich war direkt begeistert, habe allerdings noch keine Anwendung dafür. Ich kann zwar Platinen ätzen und löten, aber nicht programmieren.

Ich bin jemand, der gerne Sachen testet. Hier wären mir allerdings die Fehlerquellen zu groß. Selbst wenn man gegen bekannte Lösungen kalibrieren kann. Alleine die Verdünnung, bei der einige ml in 10 l Wasser gelöst werden, wäre mir zu groß.

Um eine Flüssigkeit zu verdampfen, könnte ein Teil aus einer Espressomaschine dienen. Ich habe mal eine auseindergenommen. Dort war ein Behältnis, in dem Wasser erhitzt wird. Es faßt ca. 5 cl. und enthält eine Heizspirale. Dieser Behälter hatte einen Ein- und einen Ausgang. Das Material war so dick, daß man dort ein Loch bohren und auch Gewinde schneiden kann um einen Sensor einzusetzen.

Bei dem was ich bis über (genaue) Alkohlmessung gelesen habe, gibt es für Flüssigkeiten mit verschiedenen Inahltsstoffen nur das Ebullioskop.

Ich bin gespannt, wie es weiter geht. Laß uns daran Teil haben.

[matzl0505]

Hallo Hendrik,

ich finde die Idee gut, würde aber anders an die Sache ran gehen.
Kurz zum verdünnen: Wenn das überhaupt so genau funktioniert, hast du noch das Problem der Volumenkontraktion, wenn du Wasser und Wasser-Alkoholgemische mischt.
Wie JasonOgg schon erwähnt hat, würde ich über die Grundidee des Ebulioskops und einem Temperatursensor an die Sache ran gehen. Eine Art digitales Ebulioskop bauen.

gruß
Marius

[MetNewbi]

Hallo Hendrik,

der Alk-Sensor sieht aus, wie ein Figaro Gassensor. Leider sind die Dinger, die ich kenne, recht unspezifisch. Alles, was sich quasi katalytisch oxidieren läßt, löst das Ding aus. In unserem Fall also z.B. Essigsäure, etherische Öle vom Buket usw. Wenn, dann müßte man mehrere (es gehen auch nicht eindeutige) Parameter, wie Dichte und Lichtbrechung usw. und dann eie Art Fingerprint aus diesen erstellen. Wenn Messgröße A X% und B Y%... dann soundso viel % Alk.
Aber die Idee ist cool!
An programmierbare Hardware habe ich mich aus Zeitgründen nie rangetraut. Ich habe bisher alles "zu Fuß" direkt in Hardware verdrahtet. Damals Gatter, Zähler, Schieberegister, das war meine Welt
Habe mich die Tage mal hingesetzt und eine Ablaufsteuerung für einen Oxalsäureverdampfer (Imkerei) gebaut. Alles mit 555'ern, die sich nacheinander triggern. Dazu einen dicken Power-MOSFET und ein paar getaktete Konstantstromquellen für ein paar 1W LED's. Die 555'er sind zwar fast 30 Jahre alte Technik, aber die ist mir geläufig

Gruß Gerald

[Fruchtwasser]

Hallo Hendrik,

es gibt ein Alkoholmessgerät mit einer Genauigkeit von 0,03 vol% von der Firma Frings und heißt Alkomat.

Frings baut Anlagen für die Essigproduktion. Dort ist es lebensnotwendig für die Essigbakterien daß der Alkoholgehalt nicht zu weit absinkt.

Wie die Messung dort funktioniert, kann ich allerdings sagen. Es wäre schön, wenn Du an dem Thema dran bleibst.

Liebe Grüße

[Dunuin]

Ein interessantes Thema. Ich bastel auch mit Atmegas rum, allerdings ohne Arduino, sondern direkt mit eigenen Platinen.

Das Problem dürfte wohl ziemlich schwierig sein. Meine Logik sagt mir irgendwie, dass das nicht so einfach klappt, da man ja sonst Alkoholmess-Automaten hinterhergeworfen bekommen würde.

Was mir da spontan einfällt...

Alkohol verdampft doch schneller wie Wasser. Wenn man jetzt den Wein in Behälter A einfüllt, diesen uC geregelt auf die ideale Destillationtemperatur regeln lässt, dann verdampft doch vorwiegend Alkohol, welcher dann (über eine Kühlstrecke) in Behälter B wandert. Dann müsste doch der Großteil des Alkohols in Behälter B sein, und der unalkoholische Rest in Behälter A zurückbleiben.
Wenn man dann noch per uC das Gewicht von Behälter A und B sowohl vor, als auch nach der Destillations misst, dann müsste man doch Rückschlüsse ziehen können, wie hoch im Wein nun der Alkoholgehalt war.
Wenn man noch eine Formel hat, welche das Gewicht pro Volumen vom Destillat/Wein berücksichtigt und vielleicht noch einen Schätzwert nimmt, wieviel von dem Alkohol des Weins im Schnitt wirklich von Behälter A nach B wandert, dann müsste man doch schon grob den Alkoholgehalt messen können.
Und man müsste auch noch gucken, wie hoch der Anteil der anderen Stoffe ist, die auch eine niedrige Siedetemperatur haben. Bin kein Chemiker, aber da haben wir noch Kohlensäure, Zucker, Glycerin, ...
Da gibt es sicher auch noch einige Reaktionen, wenn man den Wein erwärmt. Daher destilliert man doch mehrfach, wenn man einen Weinbrand will, denke ich.

Mir wäre das ganze dann aber schon wieder viel zu teuer und kompliziert.
Da kann ich mir auch einfach ein paar hundert Vinometer kaufen, immer mehrere gleichzeitig nutzen und mitteln und wenn eines davon ungenau wird, einfach wegwerfen.

[Dieser Beitrag wurde am 30.03.2012 - 01:35 von Dunuin aktualisiert]

[fibroin]

Wenn ich diese Diskussion verfolge, dann wäre es doch einfacher mit einem Ebullioskop zu messen. Das arbeitet mit dem Siedpunkt des Wasser-Alkoholgemisches und ist einigermaßen genau. Teuer sind beide Versionen.

Weitere Infos:
Ebullioskop einfach in Suche eingebe.

[Pantscher]

Hallo!
Evtl kann ich dir helfen.

Aber: Es kann alles grottenfalsch sein!!!


Meine überlegung:
Dampfdruck Ethanol bei 20°C: p0(etoh) = 0,058bar
-----------Wasser----------: p0(H2O) = 0,023bar

alpha = p0(ethoh) / p0(H2O) = 2,5

Xi: Molkonzentration des leichterflüchtigen in der Flüssigen Phase.

Molare Masse Etoh: 46 g/mol
-------------Wasser: 18 g/mol

10% Vol entspricht ungefähr 79g/Liter
79g / 46g/mol = 1,7mol
921g / 18g/mol = 51mol

=> Xi = 1,7mol / (51mol +1,7mol) = 0,032

Xi*: Molkonz. in Gasphase


Xi* = (alpha*Xi)/[1+(alpha-1)*Xi]

Xi* = (2,5*0,032)/[1+(2,5-1)*0,032] = 0,076


0,076 = n(etoh) / [n(etoh) + n(H2O)]
Annahme: Wir haben ein mol "Gas" als Probe

=> [n(etoh) + n(H2O)] = 1mol

=> 0,076 = n(etoh) / 1mol

=> n(etoh) = 0,076mol

Volumen V = 24Liter (1mol gas bei 20° hat 24 Liter, blabla grobe Schätzung!)

n(etoh) * M(etoh) = 0,076mol * 46g/mol = 3,496g

Konzentration in gas ist also: c = 3,496g / 24Liter = 0,1456g/Liter = 145,6mg/Liter

nur etwa 15 mal zu hoch!




Sooooo:
Wir verdünnen Probe 1 zu 10

Also: Nun hat Probe nur noch 1%Vol:

1% Vol entspricht ungefähr 7,9g/Liter
7,9g / 46g/mol = 0,17mol
992,1g / 18g/mol = 55mol

=> Xi = 0,17mol / (55mol + 0,17mol) = 0,0031

Xi*: Molkonz. in Gasphase


Xi* = (alpha*Xi)/[1+(alpha-1)*Xi]

Xi* = (2,5*0,0031)/[1+(2,5-1)*0,0031] = 0,0077


0,0077 = n(etoh) / [n(etoh) + n(H2O)]
Annahme: Wir haben ein mol "Gas" als Probe

=> [n(etoh) + n(H2O)] = 1mol

=> 0,0077 = n(etoh) / 1mol

=> n(etoh) = 0,0077mol

Volumen V = 24Liter (1mol gas bei 20° hat 24 Liter, blabla grobe Schätzung!)

n(etoh) * M(etoh) = 0,0077mol * 46g/mol = 0,354g

Konzentration in gas ist also: c = 0,354g / 24Liter = 0,0147g/Liter = 14,7mg/Liter

Wir kommen der sache näher




Zum Abschluss:
Ja, ich weiß, es kann grottenfalsch sein, hab ich gesagt! Ich weiß auch das schon die umrechnung von %Vol in g/Liter falsch ist! Das sollte nur eine überlegung sein!

[Dieser Beitrag wurde am 30.03.2012 - 13:12 von Pantscher aktualisiert]

[Dunuin]

Ich hab da vielleicht noch eine einfachere Idee, wenn du dir etwas uC-geregeltes für die Weinanalyse machen willst.

Also ich finde es beim Wein immer schwierig zu sagen, ob der nun klarer ist als beim letzten Durchleuchten mit der Taschenlampe. Ob es also noch Sinn macht den noch ein paar weitere Wochen stehen zu lassen, damit der noch klarer wird, oder ob das eh nichts mehr bringt, weil sich in den letzten Wochen nichts mehr getan hat.
Auch bei der Schönung wäre es gut feste Messungswerte zu haben. Da macht man ja erst Versuche im kleinen Maßstab, um das beste Verhältnis von Kieselsol/Gelatine herauszufinden.

Für so ein Gerät könnte man ein Glasröhrchen haben. Das Glasröhrchen ist im Idealfall an beiden Enden flach und hat eine spiegelnde Seitenwand wo auch ein Loch zum Befüllen drinne ist. Das ganze ist absolut abgedunkelt.
An dem einen Ende des Röhrchens ist nun eine (Laser-)LED, welche einmal durch das Röhrchen strahlt, was mit Wein befüllt wird. Am anderen Ende ist ein Fotowiderstand, welcher die Stärke des ankommenden Lichts misst.
Je trüber der Wein, desto weniger Licht schafft es einmal durch das Röhrchen durch.
Wenn man dann mit destilliertem Wasser die 100% Lichtdurchlässigkeit eicht und in seine Rechnung die Widerstandverlaufskurve vom Fotowiderstand einbezieht, dann müsste man doch Prima die Trübheit messen können.
Das ganze kann man dann einfach prozentual per Text-LCD ausgeben lassen.
Wenn man die Genauigkeit noch erhöhen will, dann könnte man noch dafür sorgen, dass der Fotowiderstand so beheizt wird, dass dieser immer die selbe Temperatur hat.
Das mit der Lichtbrechung von verschiedenfarbigen Weinen könnte man vielleicht noch ausgleichen, indem man verschiedenfarbige LEDs nimmt. Macht man die Messung mit einer roten, blauen und grünen LED. Je nachdem wie viel Leuchtkraft da verloren geht, müsste man doch die Farbe des Weins bestimmen können und so wissen, wieviel licht bei einem ganz klaren Wein durch die Weinfarbe verloren geht.

Also ich würde sowas praktisch finden. Einfach mit Taschenlampe durchleuchten ist ja rein subjektiv und die Klärung läuft so langsam ab, dass man durch Beobachtung eh nicht mitbekommt, ob der nun von Woche zu Woche klarer wird.

Vermutlich kostet das mit Entwicklung und Aufbau dann aber auch wieder mehr, als wie wenn man sich einfach eine automatische Filteranlage holt, wo die Trübungsmessung dann wieder egal ist, wenn man eh steril filtert.

[Fruchtweinkeller]

Es gibt im Netz eine Bastelanleitung für ein Photometer:

www.anton-gabriel.at/08_10.html

Damit kann man natürlich auch Trübungsmessungen vornehmen. Die Normierung auf einen Wein ohne Schwebstoffe wird schwierig werden, weil die Extinktion eines jeden Weins von seiner Farbe abhängt und damit unterschiedlich ist.