Temperaturgesteuerter Behälter für den Probentransport

Notwendige Werkzeuge und Maschinen

	Lötkolben (generisch)
	Dremel 4000
	Schraubstock
	Drill
	Abisolierwerkzeug, Zange, Schneider
	Manuelle Mühle Zur Bearbeitung von Kupferteilen

Apps und Onlinedienste

	GitHub Wir haben die Bibliothek von sleemanj für das digitale Potentiometer MCP41100 verwendet (danke sleemanj!). Wir haben auch die Bibliotheken von Adafruit für jedes der von uns verwendeten Adafruit-Module verwendet; diese sind auf der Produktseite erhältlich.
	Arduino-IDE

Über dieses Projekt

Mr ThermoParcel:Temperaturgeregelter Container für den Probentransport

Ziel von ist es, einen temperaturkontrollierten Behälter zu entwickeln, mit dem empfindliche Proben sicher mit einem herkömmlichen Postdienst transportiert werden können. Unser Prototyp namens Mr ThermoParcel funktioniert im Temperaturbereich von 4–37 °C und kann entweder über ein Netzteil, einen internen Akku oder andere 12-V-Quellen wie einen Zigarettenanzünder oder ein Laptop-Ladegerät im Auto betrieben werden.

Die Entstehung unseres Projekts

Unsere Idee entspringt einem realen Problem, mit dem wir in unserer akademischen Forschung konfrontiert waren:dem sicheren Austausch temperaturempfindlicher biologischer Proben mit Mitarbeitern. Viola wirkt gegen die Malaria-Krankheit, und es besteht oft die Notwendigkeit, Blutproben zu senden oder zu erhalten. Wenn die Proben jedoch während der Lagerung und des Transports nicht auf der richtigen Temperatur gehalten werden, können sie leicht zerfallen und unbrauchbar werden. Dies ist umso frustrierender, wenn Proben kostbare Blutsorten enthalten, die eine besondere Reaktion auf Malaria haben und von seltenen Patienten stammen.

Die übliche Methode, Blutproben dieser Art zu versenden, besteht darin, sie vor dem Versand vollständig einzufrieren, einen Standardkurier für gefrorene Waren zu verwenden und sie nach der Lieferung vorsichtig aufzutauen. Abgesehen davon, dass ein solches System immer noch teuer ist, ist es alles andere als ideal, da das Einfrieren/Auftauen immer Teile der Proben verändert oder beschädigt und der Auftauprozess selbst einem bestimmten Protokoll folgt, das zusätzliche Chemikalien erfordert. Darüber hinaus werden Artikel häufig im Paketdepot des Campus an die Universität geliefert, wo unangemessene Lagerbedingungen und Lieferverzögerungen häufige Ursachen für die Verschlechterung der Proben sind.

Designkonzept

Wir haben ein Temperiersystem in einen herkömmlichen Styroporbehälter von der Größe eines Päckchens integriert, der aus einer Chemikalienlieferung wiederverwendet wird. Wir haben es optimiert und mit Blutproben getestet, aber das gleiche System könnte für eine Vielzahl anderer biologischer Materialien wie Zellen, Kulturmedien, temperaturempfindliche Chemikalien, Emulsionen und Enzyme verwendet oder sogar für feste Gegenstände angepasst werden.

Das Konzept des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt . Die Kühlung erfolgt über ein Peltier-Modul, wobei die kalte Seite an einer kleinen Probenbox im Styroporbehälter befestigt und die heiße Seite mit einem externen Kühlkörper verbunden ist. Das Erhitzen erfolgt mit einer Heizmatte, die in der Probenbox platziert ist. Die Temperatur wird ständig mit einem Sensor in Kontakt mit den Proben überwacht und die Heiz-/Kühlintensität wird durch einen Arduino-Controller geregelt.

Implementierung

Container-Hardware design

Bei dem Außenbehälter handelt es sich um eine Styroporbox mit den Maßen 250x250x250mm und einer Wandstärke von 45mm an allen Seiten, eine gängige Art von Boxen, die bei Laborlieferungen mit Standardpostdiensten verwendet werden. Im Inneren befindet sich ein Kunststoffgehäuse (125x70x40mm), das zwei 50-ml-Zentrifugenröhrchen enthält. Diese Tuben dienen als Sekundärverpackung gemäß den Vorschriften für biologische und infektiöse Stoffe, Kategorie B UN3373 (Link: http://www.un3373.com/info/regulations/ ). Die Primärproben sind sechs 2 ml Eppendorf-Röhrchen mit Proben, die durch absorbierendes Gewebe getrennt sind, um ein Auslaufen zu verhindern. Mr ThermoParcel kann bis zu 50 ml flüssige Proben lagern, indem er die harte Sekundärverpackung durch flexible Beutel ersetzt, die eine größere Menge an Proben enthalten können, z. bis zu drei oder vier 15-ml-Röhrchen (Link:https://www.alphalabs.co.uk/laboratory-products/consumables/sample-handling/sample-transport/95kpa-pouches ). Um die Gleichmäßigkeit der Erwärmung/Kühlung innerhalb des Innenkastens zu verbessern und den thermischen Kontakt zwischen Kupferblech, Proben und Temperatursensor sicherzustellen, haben wir ein elektrisch isolierendes, fest abbindendes Gel um die Proben gegossen. Die innere Box mit den Proben ist in Abbildung 2 dargestellt .

Kühl- und Heizsystem

Die Innentemperatur wird mit einem 100 Ohm Pt-Widerstandsthermometer (oder Resistance Temperature Detector, RTD) überwacht, das mit den Proben in Kontakt gebracht wird, und mit einem PID-System unter Verwendung eines Peltier-Moduls (Kühlung) oder einer Heizmatte (Heizung) gesteuert. Um die Wärme des Peltiers nach außen abzuführen, wird die heiße Seite des Peltier-Moduls über drei Kupfer-Heatpipes mit einem externen Stück Kupfer und einem Kühlkörper (CPU-Kühler) in thermischen Kontakt gebracht. Die kalte Seite ist an einem dünnen Kupferblech befestigt, das durch die Box läuft und die Proben gleichmäßig kühlt. Details der thermischen Kopplung sind in Abbildung 3 . dargestellt .

Die Heizmatte wird im Inneren des Innengehäuses in Kontakt mit dem Temperatursensor und den Proben platziert.

Elektronik &Verkabelung

Kühl- und Heizregelung

Das von Herrn ThermoParcel verwendete Peltier-Modul ist für 3,9 A und 7,6 V bei maximaler Kühlleistung ausgelegt. Um die Temperatur effektiv zu steuern, wird die an das Peltier-Modul gelieferte Strommenge elektronisch mit dem einstellbaren Schaltregler PTN78020W gesteuert. Der Regler akzeptiert eine Eingangsspannung im Bereich von 7-36V und erzeugt einen Ausgang im Bereich von 2,5-12,6V, mit der Einschränkung, dass der Ausgang den Eingang minus 2V nicht überschreiten darf. Die Ausgangsspannung wird durch Einstellen eines bestimmten Widerstandswerts zwischen zwei Regelpins gemäß der Tabelle im Gerätedatenblatt eingestellt. Herr ThermoParcel verwendet das von Arduino gesteuerte 100-kOhm-Digitalpotentiometer MCP41100, um die Ausgangsspannung basierend auf der Temperaturmessung elektronisch zu regulieren. Da der gesamte Ausgangsspannungsbereich des PTN78020W eine Spannungsschwankung von mehr als 1 MOhm erfordert, liegt eine Spannung am Peltier-Modul an, auch wenn das digitale Potentiometer auf 100 kOhm eingestellt ist, sodass das Peltier-Modul nicht mit „ausgeschaltet“ werden kann allein das digitale Potentiometer. Das gleiche Regelungskonzept gilt für die Beheizung mit der Heizmatte. Die Matte ist einfach ein Widerstand, der Strom als Wärme ableitet, und die Regulierung der Spannung ist eine direkte Möglichkeit, die gelieferte Leistung zu steuern.

Stromversorgung

Ein 12-V-DC-Netzteil wird verwendet, um das PTN78020W direkt mit Strom zu versorgen, wenn sich Mr ThermoParcel in der Nähe einer Netzsteckdose befindet. Dies ermöglicht eine Ausgangsspannung von bis zu 10 V, die ausreicht, um den Peltier mit maximaler Leistung und die Heizmatte mit ausreichender Leistung für die Zwecke des Projekts zu betreiben. Angesichts des Eingangsbereichs von 7-36 V des PTN78020W-Reglers kann Mr ThermoParcel auch mit den meisten Gleichstromnetzteilen betrieben werden, die für Laptops und andere elektronische Geräte verwendet werden, sowie mit Zigarettenanzünderbuchsen in Autos. Wenn keine externe Stromversorgung verfügbar ist, wird Mr ThermoParcel von einem 3,7 V, 10400 mAh Li-Ionen-Akku betrieben. Der PTN78020W-Regler wird weiterhin von der Batterie mit Strom versorgt, aber um die für den Betrieb des Peltier-Moduls erforderliche Eingangsspannung (10-12 V am PTN78020W-Eingang) zu erreichen, wird zuerst der XL6019 DC-DC-Aufwärtswandler an den Batterieausgang angeschlossen.

Arduino-Verkabelung

Die Stromversorgung des Arduino erfolgt direkt über den externen 12-V-Eingang, sofern vorhanden, über die Klinkenbuchse auf der Platine. Bei Verwendung des internen Akkus wird über den Ausgang des XL6019-Konverters eine ähnliche Spannung an der Buchse eingestellt.

Arduino reguliert die Leistung, die an das Peltier-Modul / die Heizmatte geliefert wird, indem der Widerstand des digitalen Potentiometers gesteuert wird. Die Verdrahtung erfolgt gemäß den Anweisungen in der Bibliothek der MCP41-Serie von sleemanj, wobei das Potentiometer in der Konfiguration mit variablem Widerstand steht. Arduino ist auch mit dem Adafruit MAX31865 Pt100 RTD-Verstärker verbunden, der zum Auslesen des Temperatursensors verwendet wird, und mit dem Adafruit RGB LCD Shield, der zur Anzeige der Temperaturdaten und des Systembetriebs verwendet wird. Diese sind beide gemäß der ausführlichen Adafruit-Dokumentation auf den Produktseiten verkabelt.

Software

Alle an Arduino angeschlossenen Adafruit-Module werden mit ihren jeweiligen Bibliotheken betrieben und das digitale Potentiometer mit der Bibliothek der MCP41-Serie von sleemanj. Die Kernfunktionalitäten des Arduino-Codes in Mr ThermoParcel beziehen sich auf die Temperaturregelung, die mit einem PID-Closed-Loop-System implementiert wird. Der Temperatursollwert wird vom Benutzer über die Tasten des LCD-Displays bereitgestellt. Jeder gemessene Temperaturwert wird dann verwendet, um die Abweichung vom Sollwert zu ermitteln und so den PID-Wert zu berechnen, der dem digitalen Potentiometer zur Regulierung der Kühl-/Heizleistung zugeführt wird. Ein externer physikalischer Kippschalter bestimmt, ob die Leistungsabgabe auf das Peltier-Modul (Kühlung) oder die Heizmatte (Heizung) gerichtet ist. Da im System keine elektronischen Schalter vorhanden sind, wird bei der Codierung zwischen einem Heizmodus und einem Kühlmodus unterschieden, und der Benutzer muss den entsprechenden Modus über die Tasten des LCD-Displays auswählen. Diese Unterscheidung stellt sicher, dass der berechnete PID-Wert das richtige Vorzeichen hat. Während unserer Tests haben wir eine Reihe von Werten für die PID-Faktoren ausprobiert und festgestellt, dass der P-Term allein in den meisten Situationen ausreicht, um innerhalb von ±0,5 °C vom Sollwert zu bleiben, also haben wir die I- und D-Faktoren schließlich entfernt. Dies liegt wahrscheinlich an der relativ großen Wärmekapazität der Proben und der internen gelgefüllten Box, die Temperaturänderungen verlangsamen (normalerweise durchschnittlich 0,02 °C/s in den schnellsten Regimen).

Leistung

Im Netzbetrieb kühlt Mr ThermoParcel ab einer Raumtemperatur von 21-23°C innerhalb von ca. 1h auf 4°C ab. Innerhalb der ersten 20 Minuten wird eine Temperatur von 8-10°C erreicht. Wieder bei Raumtemperatur beginnend, werden mit der Heizmatte 37°C innerhalb von ca. 10 Minuten erreicht. Alle Temperaturen werden innerhalb von ±0,5 °C auf dem Sollwert gehalten.

Bei ausschließlicher Stromversorgung über den internen Akku sind ca. 10 °C die minimale Temperatur, die in einer Zeit von 1,5 bis 2 Stunden erreicht werden kann. Mit der Heizmatte können immer noch 37 °C erreicht werden, aber in 40-60 Minuten. Diese Einschränkungen sind auf die Entladerate der Batterie zurückzuführen:Die Li-Ionen-Batterie in Mr ThermoParcel ist für einen maximalen Entladestrom von 7 A bei 3,7 V ausgelegt, aber angesichts der Aufwärtswandlung auf 10-12 V müsste der Entladestrom höher sein um die maximale Leistung des Peltier-Moduls zu erhalten. Da die Batterie Selbstschutzschaltungen enthält, die bei Stromüberlastung ihren Ausgang abschalten, kann das System nicht funktionieren, wenn das Kühl-/Heizsystem versucht, einen größeren Strom als die maximale Nennleistung zu ziehen. Beim Betrieb über den Akku wird die Leistungsaufnahme durch die Software auf ein sicheres Maß begrenzt. Diese Einschränkung ist allein auf die hier verwendete Batterie zurückzuführen, und Batterien mit einer höheren Entladerate sind weit verbreitet. Alternativ würde ein Lithium-Ionen-Akku mit 3 Zellen in Reihe und einer Nennspannung von 11,1 V das Problem lösen und auch einen Aufwärts-Gleichstromwandler überflüssig machen.

Zukünftige Wegbeschreibung

Im aktuellen Entwicklungsstadium ist unser Gerät vor allem wegen der Größe und beweglichen Teile des CPU-Kühlers sowie der Robustheit der Konstruktion nicht versandfähig. Sobald jedoch der Kühlkörper durch ein passives Kühlsystem ersetzt und eine 95kPa-Sekundärverpackung verwendet wird, könnte Herr ThermoParcel für den sicheren Transport in einen geeigneten starren Behälter gepackt werden, der alle Anforderungen von Standardkurieren für den Versand von Mustern per Flugzeug usw. erfüllt andere Transportmittel.

Mit dem Kernziel des Erreichten könnten weitere Komponenten hinzugefügt werden, um die Funktionalität des Geräts zu erweitern. Das Temperaturprofil während des Transports könnte zur späteren Überprüfung in einem lokalen Speicher abgelegt oder mit einem GSM-Arduino-Modul in regelmäßigen Abständen per SMS direkt an den Benutzer gesendet werden. Ein GPS-Empfänger könnte auch für die unabhängige Paketverfolgung und rechtzeitige Abholung bei der Lieferung integriert werden.

Code

• PID_LCD_controller_v03

PID_LCD_controller_v03Arduino

#include  // PT100-Temperatursensorbibliothek importieren#include  // digitale Potentiometer-Bibliothek importieren#include  // LCD-Display- und Tastenschild-Bibliothek importieren#include  // I2C-Expander-Bibliothek importieren#include // Einrichten digitales PotentiometerMCP41_Simple digitalPotentiometer; // Digitales Potentiometer erstellen objectconst uint8_t digitalPotentiometer_CS =10; // PT100-Temperatursensor einrichten // Software-SPI für PT100-Temperatursensor verwenden:CS, DI, DO, CLKAdafruit_MAX31865 PT100amplifier =Adafruit_MAX31865 (2, 3, 4, 5); // Einstellwert des Rref-Widerstands. Verwenden Sie 430.0 für den PT100-Temperatursensor.#define RREF 430.0// Nominaler 0-Grad-C-Widerstand des Sensors, 100.0ohm für PT100#define RNOMINAL 100.0// Einrichten des LCD-Displayschilds mit TastenAdafruit_RGBLCDShield LCD_shield =Adafruit_RGBLCDShield();//# Definiere OFF 0x0 // ON- und OFF-Zustände können verwendet werden, um die LCD-Hintergrundbeleuchtung ein- und auszuschalten // #define ON 0x1void setup () { Serial.begin (115200); Serial.println("Herr ThermoParcel, Inbetriebnahme..."); PT100amplifier.begin(MAX31865_4WIRE); // nach Bedarf auf 2WIRE oder 4WIRE einstellen, in diesem Fall 4-Draht-RTD // Digitalpotentiometer digitalPotentiometer.begin(digitalPotentiometer_CS) initialisieren; // Setze den Wischer auf einen beliebigen Punkt zwischen 0 und 255 digitalPotentiometer.setWiper (200); // LCD-Anzeigeschild initialisieren // Anzahl der Spalten und Zeilen des LCD einstellen:LCD_shield.begin (16, 2); // Setpoint und gemessenen T-Text auf dem LCD mit den richtigen Abständen LCD_shield.print("Tsetpoint:C"); LCD_shield.setCursor(0, 1); LCD_shield.print("Tsample:C");} // Initialisieren Sie PID-Konstanten, temperaturbezogene Variablen und Shield Button valueint powerMode =1; // powerMode=1 für Batteriestrom, powerMode=-1 für Netzstrom; wird verwendet, um eine Überlastung der Batterie zu verhindernint operationMode =1; // operationMode=1 zum Kühlen, operationMode=-1 zum Heizen; wird verwendet, um das Vorzeichen der PID-Terme zu korrigieren float PT100ratio; // Definiere Widerstandsverhältnisvariable für PT100 sensoruint8_t buttonsPressed =0;float kp =500.0; //; intki =5; int kd =3,9;float PID_p =0,0; // int PID_i =0; int PID_d =0;float Tgemessen =-1,0;float Tsoll =22,0; // Start um Raumtemperaturfloat PID_error =5;float PID_value =0; // Definiere die print_Tsetpoint-Funktion, um den Temperatursollwert korrekt auf dem LCD-Bildschirm zu drucken LCD_shield.setCursor (10, 0) platzieren; dtostrf(T, 3, 0, TsetpointString); LCD_shield.print(TsetpointString);}// Definiere die Funktion print_Tmeasured, um die gemessene Temperatur korrekt auf dem LCD-Bildschirm auszudrucken. 1); dtostrf(T, 5, 1, Tgemessene Zeichenfolge); LCD_shield.print(TmeasuredString);} // Definiere die print_powerMode-Funktion zum korrekten Drucken des Energiemodus (B, Batterie; M, Netz)void print_powerMode() { LCD_shield.setCursor(15, 0); if (powerMode ==1) {LCD_shield.print("B"); aufrechtzuerhalten. Sonst if (powerMode ==-1) { LCD_shield.print ("M"); }} // Definiere die print_operationMode-Funktion, um den Leistungsmodus korrekt zu drucken (C, Peltier-Kühler; H, Heizmatte)void print_operationMode() { LCD_shield.setCursor(15, 1); if (operationMode ==1) { LCD_shield.print ("C"); aufrechtzuerhalten. Sonst if (operationMode ==-1) { LCD_shield.print ("H"); }} // *** Hauptschleife ***void loop () { // Temperatur lesen uint16_t rtd =PT100amplifier.readRTD (); PT100-Verhältnis =rtd; PT100-Verhältnis /=32768; Tgemessen =PT100 Verstärker.Temperatur (RNOMINAL, RREF); Serial.print ("Solltemperatur ="); Serial.println (Tsetpoint); Serial.print ( "Temperatur ="); Serial.println (Tgemessen); // Temperaturwerte und Modi drucken print_Tsetpoint(Tsetpoint); print_Tgemessen (Tgemessen); print_powerMode(); print_operationMode(); // Berechnen des Fehlers zwischen Sollwert und Messwert PID_error =Tgemessen - Tsollwert; //Berechnen des P-Wertes PID_p =operationMode * kp * PID_error; // Gesamt-PID-Wert berechnen, wenn über dem Maximum (255) bei 255 bleiben, wenn unter dem Minimum (0), bei 0 halten PID_value =(int) PID_p; //+ PID_i + PID_d; Serial.print ("PID_p ="); Serial.println (PID_p); Serial.print ("powerMode ="); Serial.println (powerMode); Serial.print ( "operationMode ="); Serial.println (OperationMode); Serial.print ( "PID_error ="); Serial.println (PID_error); Serial.print ("PID_value ="); Serial.println (PID_value); // Im Akkubetrieb (powerMode=1) Ausgang begrenzen um Akkuüberlastung zu vermeiden // Im Netzbetrieb (powerMode=-1) volle Leistung erlauben (255) if (powerMode ==1) { if (PID_value <0) { PID_Wert =0; } if (PID_value> 120) { PID_value =120; }} else if (powerMode ==-1) { if (PID_value <0) { PID_value =0; } if (PID_value> 255) { PID_value =255; } } Serial.print ( "Angepasster PID_value ="); Serial.println (PID_value); // Digitalen Potentiometerwiderstand vom PID-Wert einstellen digitalPotentiometer.setWiper (255 - PID_value); // Erkenne alle gedrückten Tasten, ändere bei Bedarf den Sollwert und zeige den gemessenen und den Sollwert T an // delay() Funktionsaufrufe stellen sicher, dass genügend Zeit zum Drücken der Tasten bleibt und die Werte sich ändern delay(1000); buttonsPressed =LCD_shield.readButtons(); if (buttonsPressed &BUTTON_SELECT) {// Markieren Sie dieses System im Bearbeitungsmodus, indem Sie den Cursor blinken LCD_shield.setCursor (14, 0); LCD_shield.blink(); Verzögerung (1000); TastenGedrückt =0; // Im Bearbeitungsmodus bleiben, bis die SELECT-Taste erneut gedrückt wird. Die Tasten UP und DOWN ändern den Tsetpoint. // LINKS schaltet den Betriebsmodus um (Heizen/Kühlen). RECHTS schaltet den Energiemodus um (Batterie/Netz). while (not (buttonsPressed &BUTTON_SELECT)) {buttonsPressed =LCD_shield.readButtons(); if (buttonsPressed &BUTTON_UP) { Tsetpoint +=1; } if (buttonsPressed &BUTTON_DOWN) { Tsetpoint -=1; } if (buttonsPressed &BUTTON_RIGHT) { powerMode *=-1; print_powerMode(); } if (buttonsPressed &BUTTON_LEFT) { operationMode *=-1; print_operationMode(); } print_Tsetpoint (Tsetpoint); LCD_shield.setCursor(14, 0); Verzögerung (500); } // Editiermodus verlassen und Cursor blinken stoppen LCD_shield.noBlink(); TastenGedrückt =0; } Serial.println();}

Schaltpläne