Low Cost DIY Photometer zur Weinanalyse
Verfasst: 05 August 2022 22:31
Ein Projekt, ein Projekt...
Ja, also, wie soll ich anfangen? Eigentlich wollte ich alles am Stück tippen wenn das Ding fertig ist und läuft. Leider ergaben sich diverse Verzögerungen, schlicht weil ich einiges Nachbessern muss. Wenn ich schon etwas mache, dann soll es auch vernünftig werden Das bedeutet auch, dass meine Ergüsse hier länger werden müssen als ursprünglich gedacht, und so habe ich beschlossen, mein Vorgehen und meine Gedanken klar zu strukturieren und entsprechend häppchenweise darzustellen. Solange das Ding nicht fertig und auf Funktion getestet ist werde ich den Trööt sperren, erst danach werde ich ihn für Diskussionen öffnen. Und wenn das Ding am Ende nichts taugt habe ich euch hoffentlich wenigstens etwas unterhalten haben
Worum geht es überhaupt? Die Kurzfassung
Ich arbeite an einem einfachen und günstigen DIY-Spektroskop (aka Photometer) zur Bestimmung von Weinfarbe und Farbton gemäß der Glories-Methode. Damit kann ferner die Extraktion von Farbstoffen bei der Weinbereitung verfolgt werden, aber auch die Fruchtreife kann bestimmt werden. Mir geht es vor allem darum, Farbveränderungen im gelagerten Wein durch Alterungsprozesse zu verfolgen. Zur Veranschaulichung habe ich ein schematische Zeichnung des geplanten Messgeräts gemacht: Es nutzt den Umgebungslichtsensor eines Smartphones, Teile aus dem 3D-Drucker sowie verschiedenfarbige LEDs.
Man benötigt also: Ein Smartphone mit spezieller App, ein paar Teile aus dem 3D-Drucker (ein Grund warum ich mir einen gegönnt habe), einen Filzgleiter, ein paar Probenbehälter/Küvetten und ein paar ausgewählte LEDs. Klingt einfach. Wären da nicht die garstigen Details
Background und Historie
In Rahmen des Schlehenversuchs hatte ich Proben der Schlehenansätze mit einem Photometer vermessen um Farbintensität und Farbton zu bestimmen; das erlaubt auch Rückschlüsse auf Alterungsprozesse. Angewandt hatte ich die Methoden nach Glories und Sudraud, die Originalveröffentlichungen sind auf französisch, sodass ich nur Bahnhof verstehe. Einen netten englischsprachigen Übersichtsartikel gibt es hier:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epd ... .tb00269.x
Und hier gibt es eine interessante Präsentation zum Thema:
https://www.shimadzu.eu/sites/shimadzu. ... lor_uv.pdf
Ein Messinstrument um die Färbung von Weinen zu messen und um Alterungsprozesse zu verfolgen: Das finde ich schick und interessant, das ich damit liebäugle hatte ich ja auch schon in dem Schlehen-Trööt angedeutet. Wenn man eine Flasche Wein aufmacht und verkostet könnte man damit ganz schmerzlos eine schnelle Messung durchführen, um den subjektiven Geschmack und objektive Hinweise auf Alterungsprozesse zusammenzubringen. Wenn man dann die Daten zu einem Wein über Monate oder Jahre hinaus sammelt könnte man sich so einen Datensatz erarbeiten. Das muss sicher nicht jeder zu Hause machen, aber ich finde die Idee spannend.
Photowattistdat? Sind wir hier bei Dingsda?
Was ist ein Photometer? Da stelle ma uns mal janz dumm... und ich verweise auf den Wikipedia-Artikel: https://de.wikipedia.org/wiki/UV/VIS-Spektroskopie Wir lernen: Der Begriff "Photometer" ist etwas unpräzise, die Bezeichnung "Spektrometer" ist besser. Im Laborjargon heißt es aber "Photometer", und dort ist das ein gängiges Messgerät zur Konzentrationsbestimmung von Lösungen. Photometer haben mich seit Dekaden begleitet.
Wie ist ein Photometer grundsätzlich aufgebaut? Das steht auch bei Wikipedia, hier kurz zusammengefasst: Man benötigt eine Lichtquelle die Licht einer definierten Wellenlänge liefert, einen Lichtstrahl der durch eine Probe mit definierter Schichtdicke geht, dahinter einen Lichtsensor. Und schließlich braucht man einen Rechenknecht, der aus der Differenz der Lichtabsorptionen zwischen Nullprobe (zum Beispiel Wasser) und Probe (zum Beispiel Wein) einen sinnvollen Messwert ausgibt. Dieser Wert ist ein Maß für die Lichtmenge, die durch die Probe geschluckt wurde. Ferner brauche ich "Küvetten", das sind spezielle Probenbehälter. Küvetten sind das geringste Problem, die habe ich mir bei ebay geschossen. Davon gibt es später noch Bilder.
Anforderungen an die Lichtquelle
Als Lichtquelle für monochromes (einfarbiges), sichtbares Licht wird oft eine Halogenbirne mit Filtern oder mit einem so genanntem Monochromator verwendet; letzterer "zerlegt" weißes Mischlicht in seine einzelnen Wellenlängen. Mit Filtern oder Monochromator kann ich dafür sorgen dass nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge durch die Probe geleitet wird. Als beispielsweise das Licht mit einer Wellenlänge, das von den roten Farbstoffen im Wein absorbiert wird.
Beim Schlehenwein hatte ich bei drei verschiedenen Wellenlängen gemessen, und aus den drei Messwerten konnte ich die Farbintensität sowie den Farbton bestimmen; letzterer liefert Hinweise auf Alterungsprozesse. Schnell erklärt absorbieren die pflanzlichen Farbstoffe (Anthocyane) Licht bestimmter Wellenlängen, sonst wären sie für unser Auge nicht farbig Je höher die Anthocyankonzentration, desto mehr Licht wird geschluckt; so kann ich die Farbintensität messen. Durch die chemischen Veränderungen im Laufe der Weinalterung verändert sich zudem der Wellenlängenbereich des absorbierten Lichts; das kennt jeder von oxidiertem Wein, der braun wird. Darauf erhalte ich Rückschluss wenn ich Messungen bei verschiedenen Wellenlängen durchführe.
Nun gehört ein professionelles Photometer, was schon mal ein paar k€ kosten kann, nicht unbedingt zur normalen Küchenausstattung (Anmerkung: Ich hätte eines vor dem Schrott retten können, aber das war ein uraltes, riesiges Ding, und meine Wohnung quillt jetzt schon über mit Weinkrams). Der Privat-Hobbywinzer braucht also etwas kleines, günstiges. Für meinen Zweck muss ich nicht bei jeder beliebigen Wellenlänge im sichtbaren Bereich messen können, ich benötige für die Weinmessung "nur" 420, 520 und 620 nm (blau, grün und rot). Diese Wellenlängen müssen aber halbwegs genau eingehalten werden. Nett wär zusätzlich noch eine optionale Messmöglichkeit bei 600 nm (orange), weil man bei dieser Wellenlänge üblicherweise Zelldichten misst. Mit dieser Messung könnte man beispielsweise das Wachstum von Hefekulturen verfolgen, was auch für Hobbybrauer interessant ist.
Was soll ich nur basteln?
DIY-Projekte zum Thema "Photometer" gibt es viele; die Ultima Ratio des Eigenbaus: Ein Photometer mit Gyro-bewegtem Prisma als Monochromator, sodass mit diesem Gerät bei jeder beliebigen Wellenlänge gearbeitet werden kann (https://www.instructables.com/Science-W ... hotometry/). Vorteil: Sexy bis supersexy. Nachteil: Kompliziert, ich bin mir nicht sicher ob mir die Dokumentation ausreichen würde, um das nachzubauen. Und ich brauche eine Lichtquelle die über das gesamte Spektrum hinweg Licht liefert. Da bietet sich eine Halogenlampe an, die entwickeln aber Wärme die abgeführt werden muss. Und irgendwie muss das Teil kalibriert werden damit ich wirklich die Wellenlänge durch die Probe jage die ich haben will. Und das Design müsste ich ändern: Runde Probenbehälter gehen gar nicht. Das nach- bzw. umzubauen habe ich recht schnell aufgegeben.
Dann habe ich mich für diese Variante erwärmt: https://www.haw-hamburg.de/hochschule/l ... hotometer/
Die Herrschaften basteln ein Photometer und steuern es per WLAN/Smartphone und lesen damit auch die Messwerte aus. Ich finde die Lösung grundsätzlich clever, und sie ist so gut dokumentiert das ich mir den Nachbau grundsätzlich zutraue (ich habe von Elektronik und vom Arduino nur sehr wenig Ahnung). Sie hat für mich aber praktische Nachteile: Das Gerät arbeitet mit jeweils einer LED als Lichtquelle (dreifarbige LEDs mit genau den von mir gewünschten Wellenlängen gibt es nicht). Heißt für mich: Will ich hintereinander bei drei Wellenlängen messen, so muss ich entweder die LED samt Vorwiderstand tauschen, das wäre jedes mal eine blöde Fummelei. Oder ich muss mir irgendeine Stecklösung einfallen lassen mit der ich das ganz schnell und sauber tauschen kann. Oder ich baue drei Geräte, die jeweils bei einer der gewünschten Wellenlängen arbeiten. Ich fürchte, die WLANs der drei Geräte könnten sich in die Quere kommen wenn ich sie parallel betreibe, und ich müsste mich mit dem Smartphone jedes mal bei einem anderen Photometer anmelden. Das könnte in der Praxis lästig werden, deshalb war diese Bastellösung für mein Projekt nicht allererste Wahl. Vielleicht versuche ich mich irgendwann mal daran, wenn mir die anderen Projekte ausgehen sollten...
Sollte es so einfach sein?
Nach weiterer Recherche bin ich dann auf diese unfassbar einfache Lösung gestoßen:
Paper: https://journals.plos.org/plosbiology/a ... =printable
Github: https://github.com/VascoRibeiroPereira/ ... photometer
Thingiverse: https://www.thingiverse.com/thing:3185420
Hier wird ein Smartphone nicht nur als Rechenknecht missbraucht; der Clou ist: Der Umgebungslichtsensor des Handys wird als Sensor vor der Probe genutzt. Dazu wird ein Küvettenhalter mit Klemme vor dem Sensor platziert. Als Lichtquelle dient eine Knopfzelle mit LED, der LED-Halter wird an den Küvettenhalter geklipst sodass ein Lichtstrahl durch die Küvette und auf den Sensor geleitet wird. Die beiden Halter kommen aus dem 3D-Drucker. So einfach, so schick, so charmant, so günstig (nur 5 Dollar Materialkosten)... wenn das funktioniert: Prima, das will ich testen, das ist der Plan.
Weiter geht es bei Gelegenheit mit Problemen und Problemlösungen.
Ja, also, wie soll ich anfangen? Eigentlich wollte ich alles am Stück tippen wenn das Ding fertig ist und läuft. Leider ergaben sich diverse Verzögerungen, schlicht weil ich einiges Nachbessern muss. Wenn ich schon etwas mache, dann soll es auch vernünftig werden Das bedeutet auch, dass meine Ergüsse hier länger werden müssen als ursprünglich gedacht, und so habe ich beschlossen, mein Vorgehen und meine Gedanken klar zu strukturieren und entsprechend häppchenweise darzustellen. Solange das Ding nicht fertig und auf Funktion getestet ist werde ich den Trööt sperren, erst danach werde ich ihn für Diskussionen öffnen. Und wenn das Ding am Ende nichts taugt habe ich euch hoffentlich wenigstens etwas unterhalten haben
Worum geht es überhaupt? Die Kurzfassung
Ich arbeite an einem einfachen und günstigen DIY-Spektroskop (aka Photometer) zur Bestimmung von Weinfarbe und Farbton gemäß der Glories-Methode. Damit kann ferner die Extraktion von Farbstoffen bei der Weinbereitung verfolgt werden, aber auch die Fruchtreife kann bestimmt werden. Mir geht es vor allem darum, Farbveränderungen im gelagerten Wein durch Alterungsprozesse zu verfolgen. Zur Veranschaulichung habe ich ein schematische Zeichnung des geplanten Messgeräts gemacht: Es nutzt den Umgebungslichtsensor eines Smartphones, Teile aus dem 3D-Drucker sowie verschiedenfarbige LEDs.
Man benötigt also: Ein Smartphone mit spezieller App, ein paar Teile aus dem 3D-Drucker (ein Grund warum ich mir einen gegönnt habe), einen Filzgleiter, ein paar Probenbehälter/Küvetten und ein paar ausgewählte LEDs. Klingt einfach. Wären da nicht die garstigen Details
Background und Historie
In Rahmen des Schlehenversuchs hatte ich Proben der Schlehenansätze mit einem Photometer vermessen um Farbintensität und Farbton zu bestimmen; das erlaubt auch Rückschlüsse auf Alterungsprozesse. Angewandt hatte ich die Methoden nach Glories und Sudraud, die Originalveröffentlichungen sind auf französisch, sodass ich nur Bahnhof verstehe. Einen netten englischsprachigen Übersichtsartikel gibt es hier:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epd ... .tb00269.x
Und hier gibt es eine interessante Präsentation zum Thema:
https://www.shimadzu.eu/sites/shimadzu. ... lor_uv.pdf
Ein Messinstrument um die Färbung von Weinen zu messen und um Alterungsprozesse zu verfolgen: Das finde ich schick und interessant, das ich damit liebäugle hatte ich ja auch schon in dem Schlehen-Trööt angedeutet. Wenn man eine Flasche Wein aufmacht und verkostet könnte man damit ganz schmerzlos eine schnelle Messung durchführen, um den subjektiven Geschmack und objektive Hinweise auf Alterungsprozesse zusammenzubringen. Wenn man dann die Daten zu einem Wein über Monate oder Jahre hinaus sammelt könnte man sich so einen Datensatz erarbeiten. Das muss sicher nicht jeder zu Hause machen, aber ich finde die Idee spannend.
Photowattistdat? Sind wir hier bei Dingsda?
Was ist ein Photometer? Da stelle ma uns mal janz dumm... und ich verweise auf den Wikipedia-Artikel: https://de.wikipedia.org/wiki/UV/VIS-Spektroskopie Wir lernen: Der Begriff "Photometer" ist etwas unpräzise, die Bezeichnung "Spektrometer" ist besser. Im Laborjargon heißt es aber "Photometer", und dort ist das ein gängiges Messgerät zur Konzentrationsbestimmung von Lösungen. Photometer haben mich seit Dekaden begleitet.
Wie ist ein Photometer grundsätzlich aufgebaut? Das steht auch bei Wikipedia, hier kurz zusammengefasst: Man benötigt eine Lichtquelle die Licht einer definierten Wellenlänge liefert, einen Lichtstrahl der durch eine Probe mit definierter Schichtdicke geht, dahinter einen Lichtsensor. Und schließlich braucht man einen Rechenknecht, der aus der Differenz der Lichtabsorptionen zwischen Nullprobe (zum Beispiel Wasser) und Probe (zum Beispiel Wein) einen sinnvollen Messwert ausgibt. Dieser Wert ist ein Maß für die Lichtmenge, die durch die Probe geschluckt wurde. Ferner brauche ich "Küvetten", das sind spezielle Probenbehälter. Küvetten sind das geringste Problem, die habe ich mir bei ebay geschossen. Davon gibt es später noch Bilder.
Anforderungen an die Lichtquelle
Als Lichtquelle für monochromes (einfarbiges), sichtbares Licht wird oft eine Halogenbirne mit Filtern oder mit einem so genanntem Monochromator verwendet; letzterer "zerlegt" weißes Mischlicht in seine einzelnen Wellenlängen. Mit Filtern oder Monochromator kann ich dafür sorgen dass nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge durch die Probe geleitet wird. Als beispielsweise das Licht mit einer Wellenlänge, das von den roten Farbstoffen im Wein absorbiert wird.
Beim Schlehenwein hatte ich bei drei verschiedenen Wellenlängen gemessen, und aus den drei Messwerten konnte ich die Farbintensität sowie den Farbton bestimmen; letzterer liefert Hinweise auf Alterungsprozesse. Schnell erklärt absorbieren die pflanzlichen Farbstoffe (Anthocyane) Licht bestimmter Wellenlängen, sonst wären sie für unser Auge nicht farbig Je höher die Anthocyankonzentration, desto mehr Licht wird geschluckt; so kann ich die Farbintensität messen. Durch die chemischen Veränderungen im Laufe der Weinalterung verändert sich zudem der Wellenlängenbereich des absorbierten Lichts; das kennt jeder von oxidiertem Wein, der braun wird. Darauf erhalte ich Rückschluss wenn ich Messungen bei verschiedenen Wellenlängen durchführe.
Nun gehört ein professionelles Photometer, was schon mal ein paar k€ kosten kann, nicht unbedingt zur normalen Küchenausstattung (Anmerkung: Ich hätte eines vor dem Schrott retten können, aber das war ein uraltes, riesiges Ding, und meine Wohnung quillt jetzt schon über mit Weinkrams). Der Privat-Hobbywinzer braucht also etwas kleines, günstiges. Für meinen Zweck muss ich nicht bei jeder beliebigen Wellenlänge im sichtbaren Bereich messen können, ich benötige für die Weinmessung "nur" 420, 520 und 620 nm (blau, grün und rot). Diese Wellenlängen müssen aber halbwegs genau eingehalten werden. Nett wär zusätzlich noch eine optionale Messmöglichkeit bei 600 nm (orange), weil man bei dieser Wellenlänge üblicherweise Zelldichten misst. Mit dieser Messung könnte man beispielsweise das Wachstum von Hefekulturen verfolgen, was auch für Hobbybrauer interessant ist.
Was soll ich nur basteln?
DIY-Projekte zum Thema "Photometer" gibt es viele; die Ultima Ratio des Eigenbaus: Ein Photometer mit Gyro-bewegtem Prisma als Monochromator, sodass mit diesem Gerät bei jeder beliebigen Wellenlänge gearbeitet werden kann (https://www.instructables.com/Science-W ... hotometry/). Vorteil: Sexy bis supersexy. Nachteil: Kompliziert, ich bin mir nicht sicher ob mir die Dokumentation ausreichen würde, um das nachzubauen. Und ich brauche eine Lichtquelle die über das gesamte Spektrum hinweg Licht liefert. Da bietet sich eine Halogenlampe an, die entwickeln aber Wärme die abgeführt werden muss. Und irgendwie muss das Teil kalibriert werden damit ich wirklich die Wellenlänge durch die Probe jage die ich haben will. Und das Design müsste ich ändern: Runde Probenbehälter gehen gar nicht. Das nach- bzw. umzubauen habe ich recht schnell aufgegeben.
Dann habe ich mich für diese Variante erwärmt: https://www.haw-hamburg.de/hochschule/l ... hotometer/
Die Herrschaften basteln ein Photometer und steuern es per WLAN/Smartphone und lesen damit auch die Messwerte aus. Ich finde die Lösung grundsätzlich clever, und sie ist so gut dokumentiert das ich mir den Nachbau grundsätzlich zutraue (ich habe von Elektronik und vom Arduino nur sehr wenig Ahnung). Sie hat für mich aber praktische Nachteile: Das Gerät arbeitet mit jeweils einer LED als Lichtquelle (dreifarbige LEDs mit genau den von mir gewünschten Wellenlängen gibt es nicht). Heißt für mich: Will ich hintereinander bei drei Wellenlängen messen, so muss ich entweder die LED samt Vorwiderstand tauschen, das wäre jedes mal eine blöde Fummelei. Oder ich muss mir irgendeine Stecklösung einfallen lassen mit der ich das ganz schnell und sauber tauschen kann. Oder ich baue drei Geräte, die jeweils bei einer der gewünschten Wellenlängen arbeiten. Ich fürchte, die WLANs der drei Geräte könnten sich in die Quere kommen wenn ich sie parallel betreibe, und ich müsste mich mit dem Smartphone jedes mal bei einem anderen Photometer anmelden. Das könnte in der Praxis lästig werden, deshalb war diese Bastellösung für mein Projekt nicht allererste Wahl. Vielleicht versuche ich mich irgendwann mal daran, wenn mir die anderen Projekte ausgehen sollten...
Sollte es so einfach sein?
Nach weiterer Recherche bin ich dann auf diese unfassbar einfache Lösung gestoßen:
Paper: https://journals.plos.org/plosbiology/a ... =printable
Github: https://github.com/VascoRibeiroPereira/ ... photometer
Thingiverse: https://www.thingiverse.com/thing:3185420
Hier wird ein Smartphone nicht nur als Rechenknecht missbraucht; der Clou ist: Der Umgebungslichtsensor des Handys wird als Sensor vor der Probe genutzt. Dazu wird ein Küvettenhalter mit Klemme vor dem Sensor platziert. Als Lichtquelle dient eine Knopfzelle mit LED, der LED-Halter wird an den Küvettenhalter geklipst sodass ein Lichtstrahl durch die Küvette und auf den Sensor geleitet wird. Die beiden Halter kommen aus dem 3D-Drucker. So einfach, so schick, so charmant, so günstig (nur 5 Dollar Materialkosten)... wenn das funktioniert: Prima, das will ich testen, das ist der Plan.
Weiter geht es bei Gelegenheit mit Problemen und Problemlösungen.