Bachelorarbeit - Fakultät 06

Bachelorarbeit 

Simulation und mikrocontroller-gestützte Messung der 

Temperierung medizinischer Flüssigkeiten in einem 

Temperaturschrank 

Hochschule für angewandte Wissenschaften FH München 

Fakultät 06 für Feinwerk- und Mikrotechnik, Physikalische Technik 

eingerichtet von: Simon Schlosser 

geboren am: 08.12.1988, München 

Matrikel Nummer: 00181608 

Betreuung: Herr Dr.-Ing. Thomas Reichthalhammer 

Korrektur: 1. Herr Dr.-Ing. Ulrich Schreiber 

2. Herr Prof. Dr. Otto Parzhuber


Simulation und mikrocontroller-gestützte Messung der Temperierung medizinischer Flüssigkeiten in einem 


Hiermit versichere ich, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, alle benutzten 

Quellen und Hilfsmittel angegeben und Zitate im Text kenntlich gemacht habe. Ich 

versichere ferner, dass ich die Arbeit weder ganz noch teilweise an einer Universi- 

tät oder für eine staatliche Prüfung eingereicht habe. 

München 9.August 2012 ______________________ 



Simon Schlosser 

Simon Schlosser Seite | 2




Inhaltsverzeichnis 

1. Einleitung und Aufgabenstellung ............................................................................................... 4 

2. Modellentwurf der Temperaturkammer ................................................................................... 5 

2.1. Prototyp - Temperaturschrank ........................................................................................... 5 

2.2. Simulationsmodell .............................................................................................................. 5 

2.2.1. Wärmeübergang bei Rohrleitungen ........................................................................... 7 

2.2.2. Durchführung der Simulation in MATLAB ® ............................................................. 10 

2.2.3. Simulationsergebnisse ............................................................................................. 12 

3. Versuchsaufbau ........................................................................................................................ 13 

3.1. Komponenten des bestehenden Systems ........................................................................ 13 

3.2. Problemstellung der Validierung des Regelkreises .......................................................... 14 

4. Systementwurf ......................................................................................................................... 14 

4.1. Systemsteuerung .............................................................................................................. 15 

4.1.1. Funktion der elektronischen Schaltung .................................................................... 16 

4.1.2. Schaltplan des Interface ........................................................................................... 17 

4.2. Datensicherung ................................................................................................................ 18 

4.3. Softwarekonzept .............................................................................................................. 18 

4.3.1. Programmfunktionen ............................................................................................... 19 

4.3.2. Flussdiagramm ......................................................................................................... 22 

5. Messergebnisse ........................................................................................................................ 23 

5.1. Auswertung der Ergebnisse ............................................................................................. 26 

5.2. Vergleich von Simulation und realem System.................................................................. 27 

6. Zusammenfassung und Ausblick .............................................................................................. 28 

7. Verzeichnisse ............................................................................................................................ 29 

8. Anhang ..................................................................................................................................... 30 

8.1. Anhang [1] ........................................................................................................................ 30 

8.2. Anhang [2] ........................................................................................................................ 31 







1. Einleitung und Aufgabenstellung 

Im Rahmen des Entwicklungsprozesses eines Temperaturschranks, welcher 

durch seine Regelung Flüssigkeiten temperiert, soll eine Methode zur Datenauf- 

zeichnung und Regelkreisvalidierung konzipiert werden. Die temperierte Flüssig- 

keit findet anschließend in der Medizin Anwendung. 

Die medizinische Nutzung fordert, dass die Temperatur der Flüssigkeit innerhalb 

weniger Stunden einen gewünschten Sollwert annimmt. Dies setzt eine Validie- 

rung des Prototyps und dessen Regelkreises voraus. 

Der Regelkreis beinhaltet die Temperierung der Kammern durch Peltier-Elemente. 

Die dadurch erzeugte Abwärme wird von Lüftern in das Kammersystem geleitet. 

Anhand einer Simulation über die thermodynamischen Gegebenheiten wird der 

Temperaturverlauf nummerisch und grafisch ermittelt. 

Die Temperaturwertaufzeichnung des Prototyps ermöglicht eine grafische Darstel- 

lung des realen Temperaturverlaufs. 

Die Umsetzung der Datenaufzeichnung erfordert eine Erweiterung des Versuchs- 

aufbaus. Mittels externer Speicher- und Steuerplatine sollen die zur Validierung 

notwendigen Informationen gesammelt und verwaltet werden. 

Die nummerisch und experimentell erworbenen Ergebnisse sollen eine Analyse 

der Temperaturregelungseigenschaften des Prototyps ermöglichen. 







2. Modellentwurf der Temperaturkammer 

Abbildung 1 reales System einer quaderförmigen 

Temperaturkammer 

2.1. Prototyp - Temperaturschrank 



Um den Temperaturverlauf des Prototyps simu- 

lieren zu können, wird ein möglichst der Reali- 

tät entsprechendes, jedoch stark vereinfachtes 

Modell erzeugt. Die im realen System vorhan- 

dene quaderförmige Temperaturkammer, siehe 

Abbildung 1, mit dem darin hängenden Flüssig- 

keitsbeutel dient zur Überführung in ein geo- 

metrisch einfach zu berechnendes Modell. 

Der Prototyp temperiert den Kammerraum durch die Ansteuerung von Peltier- 

Elementen, dessen Abwärme durch Lüfter in das Zweikammersystem geleitet 

wird. Dieser Luftstrom stellt somit die Sollwerttemperatur in der Kammer ein. Bei 

dem Prototypen ist zu beachten, dass es sich um ein geschlossenes System han- 

delt. Hierbei wird das Luftvolumen von der Kammer über die Peltier-Elemente ge- 

führt und anschließend als temperierter Luftstrom zurück in den Kammerraum ge- 

leitet. Die beiden Kammern sind voneinander unabhängig anzusteuern und besit- 

zen jeweils ein Peltier-Element. 

Das in der Kammer platzierte Medium nimmt durch den Wärmedurchgang vom 

warmen zum kalten Medium die Umgebungstemperatur des Kammervolumens an. 

2.2. Simulationsmodell 

Die Thermodynamik weist für die Berechnung des Wärmeübergangs an Wänden 

mehrere Ansatzpunkte auf. Anhand der vorhandenen Modellkomponenten ist die 

Überführung in ein Rohrmodell vorteilhaft. 

Darunter ist zu verstehen, dass die quaderförmige Kammer in eine zylindrische 

Kammer umgewandelt wird. Der enthaltene Flüssigkeitsbeutel ist ebenso als zy- 

lindrische Geometrie mit derselben Höhe anzunehmen. 





Für die Genauigkeit in der Simulation ist es wichtig, dass die angreifenden Flä- 

chen sowie die Volumina den realen Gegebenheiten entsprechen. 

Außerdem ist zu beachten, dass die Simulation mit konstanter Kammertemperatur 

von 1°C durchgeführt wird. Das bedeutet für das Simulationsmodell, dass sowohl 

das Volumen der bewegten Luft, als auch die Abmaße der Kammer das Simulati- 

onsergebnis nicht beeinflussen. Jedoch ist dieses in Abbildung 2 zur Veranschau- 

lichung berücksichtigt. Lediglich die geometrischen Eigenschaften des zu tempe- 

rierenden Mediums sind für das Ergebnis relevant. Die gegebenen geometrischen 

Abmaße ermöglichen es, das bestehende Modell in das Simulationsmodell zu 

überführen. 

Abbildung 2 Überführung des realen Systems in ein Simulationsmodell 

Die Anforderung, dass 1l Flüssigkeit in der bestehenden Kammergeometrie mit 

der Höhe h temperiert werden soll, lässt die Bestimmung der Grund- sowie der 

Mantelfläche des Flüssigkeitsbeutels zu. Die Überführung wird in Abbildung 3 ver- 

anschaulicht. 

Abbildung 3 Überführung der realen Beutelgeometrie in ein Simulationsmodell 







2.2.1. Wärmeübergang bei Rohrleitungen 

Abbildung 4 mehrwandiges Rohrmodell 



In Abbildung 4 ist der Querschnitt einer mehrschichti- 

gen Rohrleitung abgebildet. Durch die Überführung in 

das Simulationsmodell ist es daher möglich den Wär- 

meübergang an Rohrleitungen mittels physikalischer 

Formeln zur berechnen. 

Hierbei ist es wichtig, dass das Simulationsmodell als 

einschichtiges Rohr zu betrachten ist. Die Grenzflä- 

chen sind somit die Innen- und Außenwände des 

Kunststoffbeutels. 

Grundlage der thermodynamischen Berechnung ist der Wärmedurchgang Q, der 

angibt, wie viel Wärmeenergie pro Zeit t von Medium 1 (Wasser H2O) zum Medi- 

um 2 (Luft) übergeht (Verweis auf Gleichung 1). 

(Gleichung 1) 

Der in Gleichung 1 berechnete Wärmedurchgang Q wird von dem Temperaturun- 

terschied ΔT (siehe Gleichung 2), sowie die Geometrie- und Materialeigenschaften 

der Systemgrenzen beeinflusst. 

Die Temperaturwerte T2 und T1 können sowohl als absoluter Wert in Kelvin [K], als 

auch in Grad Celsius [°C] angegeben werden. Sie repräsentieren die Temperatur- 

werte der für den Wärmedurchgang verantwortlichen unterschiedlich temperierten 

Medien. Somit ist T1=TH20_n und T2=TLuft. 

Mit Gleichung 2 eingesetzt in Gleichung 1 ergibt sich für den Wärmedurchgang 

folgendes: 

(Gleichung 2) 

(Gleichung 3) 





Im Weiteren ist der Wärmedurchgang über die Flächengeometrie A sowie die Ma- 

terialeigenschaften bedingt, welche durch den Wärmedurchgangskoeffizienten k 

bestimmt sind. Unter Verwendung des einwandigen Rohrmodells ergibt sich für 

die angreifende Fläche A und den Wärmedurchgangskoeffizienten k nachfolgende 

Formel. 

Dieses Modell berücksichtigt die Länge l des Zylinders, den Wärmeübergangsko- 

effizienten α und die Wäremleitfähigkeit . 

In Gleichung 4 ist zum einen der Aufbau der Rohrwand und zum anderen deren 

Geometrie definiert. 

Der Wärmeübergang findet im Rohrmodell von der Innenseite zur Außenseite des 

Rohres oder umgekehrt statt. Hierfür ist der Wärmeübergangskoeffizienten α an 

den Grenzflächen, sowie die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Materialien zu 

beachten. Die Rohrgeometrie ist durch den Innen-, den Außendurchmesser und 

die Rohrlänge l gegeben, welche als Höhe h der Kammer zu betrachten ist. 

Mit Gleichung 4 in Gleichung 2 eingesetzt, ergibt sich für den Wärmedurchgang 

eines einwandigen Rohrs folgende vereinfachte Formel: 



(Gleichung 5) 

Die Temperatur des Wassers TH2O_n im Rohr bzw. Beutel ergibt sich über die Be- 

trachtung der Wärmeverteilung im Beutelvolumen. Hierfür ist der stoffabhängige 

Proportionalitätsfaktor notwendig, welcher als spezifische Wärmekapazität c be- 

zeichnet wird. Die spezifische Wärmekapazität c gibt die notwendige Wärmemen- 

ge zur Erwärmung eines Körpers oder einer Flüssigkeit mit der Masse m an (siehe 

Gleichung 6, vgl. Kuchling, H.(2007), S259). 

(Gleichung 4) 





Der in Gleichung 6 einfließende Temperaturunterschied ΔTMedium zeigt, welche 

Veränderung der Wasserstemperatur ΔTH2O, die durch die Zufuhr der Wärmemen- 

ge Q pro Zeiteinheit beeinfusst wird, vorliegt (siehe Gleichung 7). 

Die sich einstellende Wassertemperatur TH20_1 errechnet sich durch Subtraktion 

der Wassertemperatur TH2O_0, welche vor Zufuhr der Wärmemenge Q vorliegt und 

den in Gleichung 7 ermittelten Temperaturunterschieds ΔTH2O siehe Gleichung 8. 

Zu beachten in Gleichung 8 ist, dass ΔTH2O vorzeichenbelastet ist. 

Der Übergabewert TH20_1 aus Gleichung 8 wird nun als neuer Startwert betrachtet. 

Somit ist es möglich den Temperaturverlauf des Abkühlvorgangs über n Abtastun- 

gen mit einem Abtastwert von t in Sekunden nummerisch zu ermitteln. 

Tabelle 1: Einheiten und Formelzeichen zu den angegebenen Gleichungen 

Formelzeichen: Q k A t T c 

SI-Einheit: J 



m² s K,°C 

Formelzeichen: λ α l π m 

SI-Einheit 

Kuchling, H. (2007), S. 631 Tab. 17, S.644-647 Tab. 31-33, S.326ff 

Gleichung 6 

(Gleichung 7) 

Gleichung 8 

m rad kg 





2.2.2. Durchführung der Simulation in MATLAB ® 

Es liegt folgende Anforderung zugrunde: Der Temperaturverlauf eines Abkühlvor- 

gangs von 1l Wasser mit der Masse mH2O= 1kg und der Starttemperatur TH20_0 von 

24°C wird anhand einer Simulation grafisch dargestellt. Die spezifische Wärmeka- 

pazität von Wasser beträgt cH20=4,18 



. Der Beutel wird als Rohrleitung 

der Länge l=0,42m betrachtet. Die Systemgrenzen werden mit einem Wärmeüber- 

gangskoeffizienten für Luft αLuft= 10 

αH2O= 500 

, sowie für Wasser 

definiert. Die Überführung in das Simulationsmodell ergibt 

für den Innendurchmesser d1=0,0537m und für den Außendurchmesser des Beu- 

tels d2= 0,054m. Der Kunststoffbeutel besitzt materialbedingt eine Wärmleitfähig- 

keit von λKunstoff= 0,026 

. Die Flüssigkeit ist auf eine Zieltemperatur von 

TH20_n= 1°C abzukühlen. Die Kammertemperatur TLuft sei während der kompletten 

Abkühlphase mit 1°C konstant. Die Abtastung wird mit einem Abtastwert von t= 

1800s= 0,5h durchgeführt (siehe Tabelle 2). 

Tabelle 2: Anforderungen zu den Ausprägungen der Parameter 

Parameter: T1 T2 α Luft* αH2O* c H2O* d 1 

Wert: 24 1 10 500 4180 0,0537 

Parameter: d 2 l λ Kunstoff* m H2O t 

Wert: 0,054 0,42 0,026 1 1800 

Werte mit (*)entsprechen Literaturwerten siehe Kuchling, H. (2007), S. 631 Tab. 17, 

S.644-647 Tab. 31-33, 

Durch einsetzen der Parameter in Gleichung 4 ergibt sich: 





Mit Gleichung 5 lässt sich für den Wärmedurchgang Q der ersten Abtastung fol- 

gender Wert berechnen: 

Der Temperaturunterschied lässt sich wie folgt aus Gleichung 2 berechnen: 

Mit Gleichung 7 ergibt sich ein Temperaturunterschied der Flüssigkeit von: 

Nachfolgend ist aus Gleichung 8 ein Übergabewert für die nächste Abtastung ab- 

zuleiten: 







2.2.3. Simulationsergebnisse 

Die Wertereihe ergibt somit folgende Grafik: 

Abbildung 5 Grafische Darstellung des simulierten Temperaturverlaufs der Flüssigkeit während des Abkühlvorganges 

Abbildung 5 zeigt, dass die Temperatur der Flüssigkeit (blau) bei einer konstanten 

Kammertemperatur von 1°C (grün) asymptotisch verläuft und die Flüssigkeit sich 

theoretisch in unendlicher Zeit an die Umgebungstemperatur annähert. Verein- 

facht kann eine Zeit von ca. 7h angenommen werden um den Zielwert von 1°C zu 

erreichen. Hierbei liegt die Temperaturdifferenz zum Sollwert bei ΔT=0,04°C und 

ist vernachlässigbar. 







3. Versuchsaufbau 

Mit dem unter Kapitel 2.1. beschriebenen Prototypen wird zur Validierung eine 

Vergleichsmessung zum Simulationsmodell durchgeführt. Dieses Kapitel veran- 

schaulicht welche Komponenten der bestehende Versuchsaufbau enthalten muss, 

wo er unzureichend ist, und welche Erweiterungen der Systemkomponenten zur 

Vervollständigung notwendig sind. 

3.1. Komponenten des bestehenden Systems 

Abbildung 6 Zweikammersystem mit Temperatursensorzuweisung 



Das bestehende System be- 

inhaltet den Zweikammertem- 

peraturschrank, welcher mit- 

tels Regelung von Peltier- 

Elementen die Kammertem- 

peratur variiert. 

Pro Kammer sind zwei Tem- 

peratursensoren verbaut. Die 

Regelung des Temperatur- 

schranks geschieht über den 

Sensor (S.n.1). Zu beachten 

ist, dass der zweite Temperatursensor (S.n.2) nur zur Temperaturmessung inner- 

halb oder an der Oberfläche des in der Kammer platzierten Mediums dient. Dieser 

Temperaturwert wird lediglich zur Datenerfassung genutzt und beeinflusst den 

Regelkreis des Temperaturschranks nicht (siehe Abbildung 6). Die Kommunikation 

erfolgt bidirektional über eine RS232 Schnittstelle und unter Einhaltung des spezi- 

fischen Protokolls der Herstellerfirma. 

Der Temperaturschrank sendet die angeforderten Werte in ASCII-Zeichen über 

die RS232 Schnittstelle zum Empfangsgerät. 





3.2. Problemstellung der Validierung des Regelkreises 

Die Validierung des Regelkreises ist durch die vorhandenen Komponenten nicht 

problemlos zu realisieren, da der Prototyp keine Daten-Logging Funktion für zwei 

unabhängig gesteuerte Kammern bietet. 

Eine Regelkreis Analyse kann jedoch nur über eine zeitabhängige Temperatur- 

wertabfrage und Sicherung realisiert werden. 

4. Systementwurf 

Abbildung 7 Systemsteuerung 



Ziel der Arbeit ist der Ent- 

wurf einer Steuerung, wel- 

che die Daten-Logging- 

Funktion in gewünschter 

Weise ermöglicht. Kern der 

Steuerung ist ein Mikrocon- 

troller, welcher die Kommu- 

nikationsschnittstelle zur Datenverwaltung zwischen Temperaturschrank und PC 

bildet. Der Mikrocontroller steuert den Temperaturschrank, in Form von vorab ein- 

gestellten Parametern. Nach Bestätigung der Parametereingabe dient der Mikro- 

controller zur Daten-Logging Funktion, der vier Sensor Ist-Werte des Zweikam- 

mersystems, sowie der zwei gesetzten Sollwerte der Kammertemperatur. Die 

Kommunikation zum Temperaturschrank ist durch eine serielle Schnittstelle reali- 

siert. Ebenso wird ein Datentransfer der sechs Abgespeicherten Temperaturwerte 

des abgelaufenen Intervalls zum PC vorgenommen. Die Datenübermittlung, sowie 

der Vergleich von Soll- zu Ist-Werten erfordert eine vorhergehende Datenmanipu- 

lation. Dies ist bedingt durch den vom Temperaturschrank verwendeten Datentyp. 

Die am Mikrocontroller eingehenden Daten sind in ASCII-Zeichenformat kodiert, 

welches eine Vergleichsoperation erschwert. Somit ist es erforderlich, die aus dem 

erhaltenen zum Temperaturwertvergleich relevanten Informationen zu extrahieren 

und in einen geeigneten Datentyp zu überführen. Anschließend findet ein Daten- 

transfer der gesammelten Messwerte zum PC statt. Wie in Abbildung 7 dargestellt, 





befindet sich das Interface zwischen PC und Temperaturschrank und sorgt für die 

Datenverwaltung, den Datenabgleich von Ist- zu Sollwerten, sowie der Datenkon- 

vertierung. 

4.1. Systemsteuerung 

Wie bereits in den vorhergehenden Punkten beschrieben, ist die zu entwickelnde 

Systemsteuerung der Baustein im Versuchsaufbau, welcher für die Datenverwal- 

tung verantwortlich ist. 

Der Mikrocontroller ruft mittels Befehl an den Temperaturschrank die gewünschten 

Informationen ab, konvertiert die eingehenden Daten in einen verwertbaren Daten- 

typ und speichert sie im intern verbauten Flash-Speicher ab. Anschließend ver- 

gleicht er diese und sendet das Datenpaket während der Intervallphase an den PC 

zur Zwischenspeicherung (siehe Abbildung 8). 

Abbildung 8 Datenfluss des Gesamtaufbaus 







4.1.1. Funktion der elektronischen Schaltung 

Die Datenverwaltung wird durch einen Mikrocontroller der Bauart Atmel Atmega8 

gewährleistet. Dieser verfügt über eine RS232 Schnittstelle mit Sende und Emp- 

fangseinheit. 

Die Anwendung der beiden externen Geräte mit jeweils einer RS232 Schnittstelle 

erfordert eine Schalteinheit. Dies wird mit einem Multiplexer der Bauart 74HC4052 

realisiert, welcher als Weiche fungiert und immer eine der vier RS232- 

Schnittstellen auf den Transfer-Port des Mikrocontrollers schaltet. Das über die 

RS232-Schnittstelle eingehende oder ausgehende Signal muss mit Hilfe eines 

Pegelwandlers (MAX 232) für den Mikrocontroller und den Multiplexer transfor- 

miert werden. Die Spannungsversorgung für die Mikrocontrollerschaltung wird 

durch einen linearen Spannungsregler der Bauart 7805 gewährleistet. Der Span- 

nungsregler stellt bei einer eingehenden externen Spannungsversorgung von 7- 

25V immer eine Versorgungsspannung von 5V für die Schaltung zur Verfügung (s. 

Abbildung 9). 

Abbildung 9 Datenfluss auf einer Steuerplatine 







4.1.2. Schaltplan des Interface 

Abbildung 10 Schaltplan 







RS232 

Tempmodul 

Multiswitcher 

Abbildung 11 Platinenaufbau 

4.2. Datensicherung 

Als Empfangsgerät dient ein PC. Die Terminalsoftware HTerm findet als Kommu- 

nikationsprogramm Verwendung. Diese zeichnet eingehende Daten auf und er- 

möglicht eine Abspeicherung der Werte in einem Logfile. 

Das abgespeicherte Datenformat ist allgemein lesbar. Zur Analyse des Logfiles 

wird Microsoft Excel verwendet. 

4.3. Softwarekonzept 

Der Prototyp ist im Normalbetrieb nicht von externen Geräten ansteuerbar, wes- 

halb die Software des Mikrocontrollers beim Einschalten den Modus für externen 

Zugriff einstellt. 

Nach Befehlsbestätigung durch den Schrank werden die Sollwerte für die Kam- 

mertemperaturen in Kammer 1 und Kammer 2 gesetzt. 

Sobald alle Sollwerte gesetzt sind, werden die Temperaturwerte innerhalb eines 

Intervalls von einer Minute erfasst. 

MAX 232 Pegelwandler 

RS232 Temperaturschrank - PC 



externe Spannungsversorgung 

Atmega 8 Mikrocontroller 

LED-Signalanzeige 





Falls bei der Initialisierung ein Fehler eintritt, wie z.B. falsches Setzen der Soll- 

Temperaturen oder fehlerhaftes Einstellen des externen Steuerungsmodus, wird 

die Messung direkt beendet und der Fehlercode mittels Leuchtdioden angezeigt. 

In der Messschleife sind alle Sensoren des Temperaturschranks auszulesen. 

Die erhaltenen Werte werden auf dem Mikrocontroller zwischengespeichert und 

mit den Sollwerten verglichen. 

Nach Beenden jeder Messschleife sind alle zwischengespeicherten Daten an den 

PC weiterzugeben. 

Für die Verwaltung, von welcher Komponente Informationen eingehen bzw. an 

welche Komponente Informationen ausgehen, setzt der Mikrocontroller nach je- 

dem Schritt den Multiplexer in den notwendigen Schaltzustand. Informationen, die 

bei fehlerhaften Schaltzuständen gesendet werden, gehen unwiderruflich verloren. 

Sobald die eingehenden Ist-Temperaturen gleich der gesetzten Soll-Temperaturen 

sind, beendet der Mikrocontroller die Messung und stellt eine energieeffiziente 

Wartetemperatur am Temperaturschrank ein. Nach erfolgreichem Setzen der War- 

tetemperatur, welche wiederum durch den Temperaturschrank bestätigt wird, ist 

die Temperaturmessung beendet. 

Die Erweiterung mit zusätzlichen Temperaturmodulen ist in der Software, sowie im 

Hardwareaufbau vorgehalten, ihr Einsatz für diese Forschungsarbeit aber nicht 

notwendig. 

4.3.1. Programmfunktionen 

Die Programmierung des Mikrocontrollers erfolgt in #C. Die Programmerstellung 

und Compilierung erfolgt anhand frei verfügbarer Software (WinAVR). Der Upload 

wird mit dem Programm „myAVR_ProgTool“ durchgeführt. 

Im Folgenden werden die wichtigsten Bibliotheken der Subroutine erläutert. Der 

Quellcode ist dem Anhang [1] zu entnehmen. 







main 

Hauptsubroutine, in der alle Bibliotheken zur Initialisierung vorliegen. Im Weiteren 

werden die Überfunktionen der Temperaturmessung in einer Schrittkette abgear- 

beitet. 

1_code_variablen+funktionen.h 

In dieser Bibliothek liegen alle im Quellcode verwendeten globalen Variablen und 

Funktionen initialisiert vor. Im Weiteren sind die Soll-Werte der Temperaturen zu 

definieren. 

2_code_initialisierungen.h 

Hier werden für den Programmablauf notwendige Initialisierungen durchgeführt. 

Darunter fallen die Initialisierung des Timers, welcher zur Zeiterfassung der ein- 

zelnen Temperaturwerte benötigt wird, die Initialisierung der verwendeten 

PORT´s, sowie die des Multiplexers, um die notwendigen Schaltzustände einrich- 

ten zu können. 

3_code_uart.h 

Beinhaltet die Subroutine der Interruptfunktion. Mittels dieser ist es möglich den 

Programmablauf bei eingehendem Signal über den UART zu unterbrechen, die 

Information zu verarbeiten und den Programmablauf an zuvor gestoppter Position 

fortzusetzen. 

4_code_Befehle+Ausgabe.h 

Quellcode zur Befehlssteuerung und Ausgabe angeschlossener Module. 

Die Funktion greift auf Befehlszeilen zurück, die in der Variablenbibliothek hinter- 

legte sind und sendet diese im kompatiblen Datentyp an das anzusteuernde Ge- 

rät. 







5_code_memmert.h 

Diese Bibliothek realisiert die Temperaturwertaufzeichnung. 

Zunächst wird durch den Programmablauf eine Sollwerteinstellung mit dem in der 

Bibliothek „1_code_variablen+funktionen.h „ hinterlegten Wert vorgenommen. An- 

schließend läuft die Temperaturwertaufzeichnung der Kammer- und Flüssigkeits- 

temperaturen, bis der Ist-Soll-Abgleich erfüllt ist. 

6_code_temp_modul.h 

Unter Verwendung der externen Temperaturmodule ist hier eine Bibliothek zur 

Programmierung reserviert. Hierbei ist zu beachten, dass sowohl in der komplet- 

ten Subroutine Variablen, als auch in den Funktionen die Verwendung der Tempe- 

raturmodule integriert sind, welche jedoch nicht in den Programmablauf eingebun- 

den wurden. 

7_code_speichern+senden_daten.h 

Speichert eingehende Sensorabfrage im Flashspeicher und sendet alle in einem 

Messzyklus gesammelten Temperaturwerte an den PC. Mittels der Subroutine 

wird außerdem eine Tabellenkopfzeile erzeugt, welche später unter der Verwen- 

dung von MS Excel als Zuordnung der Temperaturwerte dient (s. Beispiel in An- 

hang [2]). 

8_code_datentypconvertierung.h 

Die Verarbeitung der vom Temperaturschrank eingehenden Daten erfordert eine 

Umwandlung des ASCII-Datentyps in den Datentyp Integer. Dies wird hier vorge- 

nommen. 







4.3.2. Flussdiagramm 

Ende der Messung durch falsche 

Moduseinstellung 

(Statusanzeige durch LED´s) 

Ende der Messung durch falschen Sollwert der 

Kammertemperatur 

(Statusanzeige durch LED´s) 

Statusanzeige durch 

LED´s 

nein 

Abbildung 12 Flussdiagramm 

Ende der 

Temperaturmessung 

Sollwerte für 

Wartetemperatur 

setzten 

Sollwerte 

gesetzt 

Ende 

Schrank regelt auf Wartetemperatur 

(Statusanzeige durch LED´s=aus) 


Start der Messung 

Modusinitalisierung 

USB-Modus 

Sollwerte setzten 


ja 

nein 

nein 

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ja 

Sollwerte 

gesetzt 

Ist = Soll 

ja 

Temperaturmessung 

Abfrage 

Temperatur in 

Kammer 1 

Speichern des 

Messwerts in 

Flash 

Abfrage 

Temperatur 

Flüssigkeit in 

Kammer 1 

Speichern des 

Messwerts in 

Flash 

Abfrage 

Temperatur in 

Kammer 2 

Speichern des 

Messwerts in 

Flash 

Abfrage 

Temperatur 

Flüssigkeit in 

Kammer 2 

Konvertierung und 

Übertragung der 

gesammelten Daten 

an den PC 

Vergleich von Ist zu Soll 

Temperatur 

Intervall 60s 

Das Flussdiagramm (siehe Abbildung 12) ist zur besseren Verständlichkeit verein- 

facht dargestellt und zeigt nur den übergeordneten Programmablauf. Für eine ein- 

Ist ≠Soll




gehende Betrachtung des Programmablaufs siehe den detaillierten Quellcode in 

Anhang [1]. 

5. Messergebnisse 

Der Prototyp bietet, wie in den vorhergehenden Kapiteln beschrieben, die Mög- 

lichkeit, Flüssigkeiten in zwei Temperaturkammern unterschiedlich zu temperieren. 

Die Vergleichbarkeit der Temperaturkammern zueinander, sowie mögliche Sen- 

sorabweichungen werden mittels Testkurven ermittelt. Diese Messungen beinhal- 

ten noch keine Flüssigkeit und dienen lediglich zur Validierung der unbefüllten 

Kammern. Die Randbedingungen der beiden Testmessungen, sowie die der zum 

Vergleich zur Simulation benötigten Messungen des Abkühlprozesses, sind der 

folgenden Tabelle zu entnehmen. 

Tabelle 3 Prüfplan 

Nr. Typ 


Starttemperatur in °C Zieltemperatur in °C Fl. 

Kammern Flüssigkeit Kammern Flüssigkeit 


Menge 

1 abkühlen 24 \ 1 \ 0 

2 abkühlen 24 \ 1 \ 0 

3 abkühlen 24 24 1 1 1 

4 abkühlen 24 24 1 1 1 

Nr. Bemerkung zu jeweiliger Messung 

1 Testkurve - Kammer in Normalzustand 

2 Testkurve - Kammer modifiziert durch Wandisolierung 

3 Vergleichsmessung - Kammer in Normalzustand 

4 Vergleichsmessung - Kammer modifiziert durch Wandisolierung 

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in l




Messung nach Prüfplan Nr. 1: 

Temperatur in °C 

25.0 

20.0 

15.0 

10.0 

5.0 

0.0 

0:00 0:30 Zeit in h 1:00 1:30 

Abbildung 13 Messung nach Prüfplan Nr. 1 



25.0 

20.0 

15.0 

10.0 

5.0 



Messung nach Prüfplan Nr. 1 

Testmessung - Abkühlvorgang des leeren zwei Kammersystems von 

24°C auf 1°C 

T_Kammer1_IST T_Fluessigkeit_K1_IST T_Fluessigkeit_K1&K2_SOLL 

T_Kammer2_IST T_Fluessigkeit_K2_IST 

0.0 

0:00 0:30 Zeit in h:m 1:00 1:30 

T_Kammer1_IST_iso T_Fluessigkeit_K1_IST_iso T_Fluessigkeit_K1&K2_SOLL 



Testkurve - Abkühlvorgang des leeren durch Wandisolierung modifizierten 

Kammersystems von 24°C auf 1°C 

T_Kammer2_IST_iso T_Fluessigkeit_K2_IST_iso 










25.0 

20.0 

15.0 

10.0 

5.0 

0.0 

25.0 

20.0 

15.0 

10.0 

0 1 2 3 4 5 6 

Zeit in h 

7 8 9 10 11 12 

5.0 

0.0 

Abbildung 16 Messung nach Prüfplan Nr.4 



Abkühlvorgang 1l H 2O von 24°C auf 1°C in normaler Temperaturkammer 

T_Fluessigkeit_SOLL T_Kammer_IST T_Fluessigkeit_IST 

Messung nach Prüfplan Nr.4 

Abkühlvorgang 1l H 2O von 24°C auf 1°C in modifizierter Temperaturkammer 

0 1 2 3 4 5 

Zeit in h 

6 7 8 9 

T_Fluessigkeit_SOLL T_Kammer_IST_isoliert T_Fluessigkeit_IST_isoliert 






5.1. Auswertung der Ergebnisse 

Vergleich Messung 1 zu Messung 2: 

Der Vergleich von Messung 1 (s. Abb. 13) zu Messung 2 (s. Abb. 14) belegt, dass 

eine Veränderung der Wandisolierung in diesem Versuchsaufbau zeitlich keine 

Vorteile bringt. Abbildung 14 zeigt sogar einen etwas langsameren Temperaturver- 

lauf, obwohl die Kammerwände isoliert sind. Im Weiteren ist in Abbildung 14 er- 

sichtlich, dass starke Differenzen der einzelnen Temperatursensoren vorliegen. 

Bedingt durch die leeren Temperaturkammern zeigen die Sensoren je Kammer ein 

fast nahezu identisches Abkühlverhalten. In Abbildung 13 ist dies gegeben, indem 

die Kurven nur um wenige Zehntel voneinander abweichen und sich somit auf eine 

homogene Temperaturverteilung im Kammervolumen schließen lässt. Abbildung 

14 zeigt im Vergleich wesentlich höhere Abweichungen der einzelnen Sensorwer- 

te auf. Dies lässt auf eine inhomogene Temperaturverteilung schließen, die durch 

die Verkleinerung des Volumens durch die Wandisolierung bedingt ist. 

Vergleich Messung 3 zu Messung 4: 

Bei dem Vergleich der Messungen 3 (Abbildung 15) zu Messung 4 (Abbildung 16) 

geht hervor, dass ein verringertes Kammervolumen bedingt durch die Wandisola- 

tion, einen zeitlichen Vorteil in der Abkühlung von 1l Wasser ergibt. Das Ergebnis 

des Vergleichs von Messung 1 (Abb. 13) zu Messung 2 (Abb. 14) lässt zunächst 

die gegenteilige Annahme zu. Jedoch erzeugt die Inhomogenität der Kammertem- 

peratur eine stärkere Luftbewegung. Zusätzlich ist der Wärmeübergang in die 

Flüssigkeit durch die Verringerung der Verlustwärme, bedingt durch die Wandiso- 

lierung, gesteigert. 







5.2. Vergleich von Simulation und realem System 

Die Simulation zeigt, dass ein Abkühlprozess von 1l Wasser mit der Starttempera- 

tur von 24°C ca. 7h benötigt, um die Zieltemperatur von 1°C zu erreichen. Die Da- 

tenaufzeichnung ergibt für das unisolierte Kammersystem des Temperatur- 

schranks (s. Abb. 15 Messung 3) eine Abkühlzeit von ca. 10h. Aufgrund der Ver- 

einfachung des Simulationsmodells und der Annahme, dass die Simulation mit 

konstanter Kammertemperatur von 1°C durchgeführt wurde, ist die Ursache der 

Zeitdifferenz zu erklären. Im Weiteren besitzt das Simulationsmodell verlustfreie 

Systemgrenzen, was wiederum einen zeitlichen Vorteil gegenüber dem realen 

System bietet (s. Kap. 2.2.3. Abb.5) . 

Dies ist durch Messung 4 (Abb. 16) bewiesen. Im Abkühlprozess der Messung 4 

wurde das Kammersystem isoliert und somit der Verlust über die Systemgrenzen 

verringert. Diese Maßnahmen ergeben ein dem Simulationsversuch nahezu iden- 

tisches Ergebnis. Die Zeitdifferenz der simulierten Abkühlung zur realen Messung 

im isolierten Kammersystem beträgt ca. 1h. Zu begründen ist dies wiederum durch 

den zusätzlichen Abkühlprozess des realen Kammervolumens und der nicht abso- 

lut verlustfreien Systemgrenzen. 







6. Zusammenfassung und Ausblick 

Diese Forschungsarbeit hat gezeigt, dass eine Regelkreisuntersuchung des Proto- 

typs mit dem vorliegenden Versuchsaufbau nicht realisierbar ist. Der Prototyp bie- 

tet keinerlei Möglichkeiten das unabhängig temperierende Zweikammersystem in 

einem Versuchsablauf zu überwachen oder zu protokollieren. 

Eine notwendige Erweiterung ist ein externes Steuer- und Speichermodul. 

Der Vergleich des Simulationsmodells, welches mit idealen Systemgrenzen aus- 

gelegt ist und den mittels der Systemsteuerung erworbenen Messkurven zeigt, 

dass die entworfene Systemsteuerung eine ideale Erweiterung bietet. Bedingt 

durch die Abfrage jedes einzelnen Temperaturwerts ermöglicht die Systemsteue- 

rung ein einfaches und automatisiertes Verfahren der Temperaturmessung, sowie 

der Datenverwaltung des Temperaturschranks. 

Die Überführung des realen Systems in das Simulationsmodell, sowie die durch- 

geführte Simulation des Abkühlvorgangs ist für die Validierung der Regelungsei- 

genschaften des Temperaturschranks unumgänglich. Die am Ideal ausgelegten 

Simulationsmodell erhaltenen theoretischen Kenntnisse lassen eine Validierung 

des Prototyps zu und ermöglichen zugleich negative Systemkomponenten des 

Prototyps zu verifizieren und gegebenenfalls zu ersetzen. Ein Beispiel dafür ist die 

in Kapitel 5 durchgeführte Vergleichsmessung der Abkühlung von 1l Wasser im 

nichtisolierten zum isolierten Temperaturkammersystem. Es hat sich gezeigt, dass 

eine Kammerisolierung das Abkühlverhalten positiv beeinflusst und ein der Simu- 

lation ähnliches Ergebnis liefert. 

Es besteht dennoch die Möglichkeit, dass in naher Zukunft eine Regelung mit 

PT2-Regelstrecke zur Abkühlung der Flüssigkeit eingesetzt wird. Für den Anwen- 

der wird durch den Einsatz der Steuereinheit der sehr aufwändige Messprozess 

automatisiert und es erfordert lediglich eine Nachbearbeitung der Messergebnisse. 

Eine Variierung der Regelungsparameter ist über den Temperaturverlauf darstell- 

bar und lässt eine Anpassung des Verhaltens zu. Im Weiteren ermöglicht der 

Messaufbau die Durchführung von Messungen ohne Aufsicht des Anwenders. 







7. Verzeichnisse 

Literaturverzeichnis: 

Böhme, P. (15. 02 1996). Programmiersprache C/C++. Abgerufen am Mai-Juli 2012 von 

http://www.imb-jena.de/~gmueller/kurse/c_c++/c_fctstr.html 

Cerbe/Hoffmann. (1999). Einführung in die Thermodynamik (12. Auflage Ausg.). Wien: Hanser. 

Hammer, T. (nicht bekannt). HTerm. Abgerufen am April 2012 von http://www.derhammer.info/terminal/ 

Kuchling, H. (2007). Taschenbuch der Physik (19. Auflage Ausg.). Mittweida: Hanser. 

Schwarz, A. (nicht bekannt). mikrocontroler.net. Abgerufen am Mai-Juli 2012 von 

http://www.mikrocontroller.net 

Wolf, J. (2008). C++ von A bis Z das umfassende Handbuch. Bonn: Galileo Computing. 

Abbildungsverzeichnis: 

Abbildung 1 reales System einer quaderförmigen Temperaturkammer ........................................... 5 

Abbildung 2 Überführung des realen Systems in ein Simulationsmodell .......................................... 6 

Abbildung 3 Überführung der realen Beutelgeometrie in ein Simulationsmodell ............................ 6 

Abbildung 4 mehrwandiges Rohrmodell ............................................................................................ 7 

Abbildung 5 Grafische Darstellung des simulierten Temperaturverlaufs der Flüssigkeit während 

des Abkühlvorganges ....................................................................................................................... 12 

Abbildung 6 Zweikammersystem mit Temperatursensorzuweisung ............................................... 13 

Abbildung 7 Systemsteuerung ......................................................................................................... 14 

Abbildung 8 Datenfluss des Gesamtaufbaus ................................................................................... 15 

Abbildung 9 Datenfluss auf einer Steuerplatine .............................................................................. 16 

Abbildung 10 Schaltplan ................................................................................................................... 17 

Abbildung 11 Platinenaufbau ........................................................................................................... 18 

Abbildung 12 Flussdiagramm ........................................................................................................... 22 

Abbildung 13 Messung nach Prüfplan Nr. 1 ..................................................................................... 24 



Abbildung 16 Messung nach Prüfplan Nr.4 ...................................................................................... 25 







Tabellenverzeichnis: 

Tabelle 1: Einheiten und Formelzeichen zu den angegebenen Gleichungen .................................... 9 

Tabelle 2: Anforderungen zu den Ausprägungen der Parameter .................................................... 10 

Tabelle 3 Prüfplan ............................................................................................................................ 23 

Tabelle 4 Bsp. Wertetabell ............................................................................................................... 31 

Formelverzeichnis: 

Gleichung 1 Wärmedurchgang 7 

Kuchling, H. (2007). Taschenbuch der Physik (19. Auflage Ausg.). Mittweida: Hanser. Seite 326 ff. 

Gleichung 2 Temperaturunterschied: 8 

Kuchling, H. (2007). Taschenbuch der Physik (19. Auflage Ausg.). Mittweida: Hanser. Seite 326 ff. 

Gleichung 4 einschichtige Rohrwand: 8 

Kuchling, H. (2007). Taschenbuch der Physik (19. Auflage Ausg.). Mittweida: Hanser. Seite 328. 

Gleichung 6 spezifische Wärmekapazität: 9 

Kuchling, H. (2007). Taschenbuch der Physik (19. Auflage Ausg.). Mittweida: Hanser. Seite 259. 

8. Anhang 

8.1. Anhang [1] 

Quellcode in #C verfasst und in folgenden Bibliotheken umgesetzt: 

Hauptprogramm: 

main.c 



Bibliotheken: 

1_code_variablen+funktionen.h 

2_code_initialisierungen.h 

3_code_uart.h 

4_code_Befehle+Ausgabe.h 

5_code_memmert.h 

6_code_temp_modul.h 

7_code_speichern+senden_daten.h 

8_code_datentypconvertierung.h 

Für die genaue Betrachtung des Quellcodes siehe CD „Simulation und mikrocon- 

troller-gestützte Messung der Temperierung medizinischer Flüssigkeiten in einem 

Temperaturschrank“. Ordner Quellcode. Quellcode liegt als pdf- sowie als c.File 

vor. 





8.2. Anhang [2] 

Beispiel Wertetabelle: 

Tabelle 4 Bsp. Wertetabell 

Zeit in 

h:m 

Zeit in 

Min. 

T_Kammer1 

IST 

T_Fluessigkeit 

K1_IST 


Messung 1 



K1&K2_SOLL 

T_Kammer2 

IST 


K2_IST 

0:00 0 24.0 23.8 1.0 23.9 24.1 

0:01 1 23.9 23.6 1.0 23.8 24.0 

0:02 2 23.4 22.8 1.0 23.1 23.3 

0:03 3 22.7 21.8 1.0 22.3 22.2 

0:04 4 22.0 20.9 1.0 21.4 21.4 

0:05 5 21.2 20.1 1.0 20.7 20.5 

Messwerte der Messungen 1 bis 4 siehe CD „Simulation und mikrocontroller- 

gestützte Messung der Temperierung medizinischer Flüssigkeiten in einem Tem- 

peraturschrank“. Ordner Messwerte der Messungen 1-4.

Bachelorarbeit - Fakultät 06

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