CASO STUDIO
Controllo termico di precisione per la strumentazione da laboratorio
Un sistema di controllo termico pensato per il laboratorio
Nella diagnostica e nella ricerca biomedica, un decimo di grado può fare la differenza tra un risultato affidabile e uno da ripetere.
Estrazione di DNA/RNA, reazioni enzimatiche, denaturazione proteica, test immunologici, analisi COD: sono tutti processi che richiedono blocchi riscaldanti capaci di garantire stabilità termica elevata, in modo ripetibile e su più campioni contemporaneamente.
Da questa esigenza abbiamo sviluppato il sistema di termoregolazione per un blocco termostatico modulare da laboratorio con una soluzione hardware e firmware completa.
Gli obiettivi del progetto
La sfida è stata progettare un sistema di controllo termico distribuito, capace di gestire più moduli riscaldanti in modo indipendente e di adattarsi a diversi scenari di laboratorio, mantenendo al contempo affidabilità e sicurezza
Garantire una precisione termica nell'ordine dei decimi di grado
Adattare il controllo alla tipologia di sonda collegata, senza intervento dell'utente
Offrire un'interfaccia intuitiva anche per protocolli e metodi complessi
Garantire la sicurezza dell'operatore e dello strumento in ogni condizione operativa
ControlPad e moduli riscaldanti: un'architettura wireless distribuita
Al centro del sistema si trova il ControlPad, l'unità di interfaccia utente in grado di gestire fino a due moduli riscaldanti indipendenti tramite comunicazione wireless, con una portata fino a 50 metri.
Ogni modulo riscaldante integra un algoritmo di termoregolazione con controllo PID parametrizzabile, in grado di operare in due modalità distinte: alta precisione, con oscillazioni contenute entro ±0,2°C, oppure alta velocità, per raggiungere rapidamente la temperatura target.
Un sistema embedded progettato per operare in autonomia, con protezioni termiche in tempo reale e riconoscimento automatico dei sensori collegati.
Riconoscimento automatico della sonda esterna
Gestione automatica della tensione di rete (115V/230V)
Isolamento galvanico ≥3600V e componentistica dimensionata per 70°C
L'interfaccia touch per il controllo dei metodi di laboratorio
Il sistema è controllato tramite un display TFT da 7 pollici con pannello touch capacitivo, progettato per gestire in modo completamente autonomo fino a due moduli riscaldanti contemporaneamente.
L'interfaccia è stata pensata per l'uso quotidiano in laboratorio, con schermate dedicate alla gestione dei metodi, alle impostazioni avanzate, alla calibrazione e alla diagnostica di servizio, quest'ultima protetta da password per evitare modifiche accidentali ai parametri critici.
Gestione di metodi standard e personalizzabili per ciascun modulo
Lettura di temperatura stabile tramite media mobile temporale
Schermata di pairing dedicata, con stato dei moduli ONLINE / OFFLINE / UNPAIRED
Sistema di allarme multilivello con blocco di sicurezza e riavvio manuale
Comunicazione wireless con configurazione ad-hoc
Touch screen e moduli riscaldanti comunicano tra loro senza passare da un router o access point: la connessione è diretta, peer-to-peer, in una rete WiFi ad-hoc pensata per il laboratorio.
Questa scelta garantisce stabilità e portata senza dipendere da un'infrastruttura di rete esterna, spesso non disponibile o non affidabile in contesti industriali e biomedicali.
Rete diretta
Il collegamento è peer-to-peer diretto tra ControlPad e moduli riscaldanti.
Portata fino a 50 m
Copertura pensata per ambienti chiusi di laboratorio, indipendente da reti esterne.
Pairing con seriale
Ogni modulo riscaldante acceso viene identificato dal touch screen tramite il proprio numero seriale.
Nessuna infrastruttura esterna
Il sistema resta operativo anche in assenza di rete aziendale, WiFi domestico o connessione internet.
Autocompensazione del segnale termico
L'algoritmo di termoregolazione tiene sotto controllo tre letture indipendenti in continuo. Ogni sensore viene monitorato per conto proprio, così che un eventuale disturbo come perdita di contatto termico, dispersioni, calore residuo dell'elemento, venga rilevato singolarmente e compensato elettricamente.
Il disturbo rilevato su un singolo sensore viene corretto a livello elettrico su quel canale, in tempo reale. È questo il meccanismo che rende il sistema resiliente a perdite di contatto termico o dispersioni.
SONDA ESTERNA
Se presente, fornisce la lettura più vicina al campione.
NTC
Agisce da limite di sicurezza indipendente, monitorato a parte rispetto al controllo principale.
PT100 INTERNA
Riferimento stabile integrato nel modulo riscaldante.
Calibrazione dei sensori
La calibrazione dei sensori Pt100, Pt1000, NTC e altri, è supportata da un sistema di interpolazione e AI embedded: apprende lo scostamento tra la lettura del sensore e il valore di riferimento e lo applica come correzione automatica, riducendo la necessità di taratura manuale e mantenendo l'accuratezza dichiarata al variare delle condizioni operative
La scheda potenza gestisce due set di parametri PID distinti, che adattano il comportamento del regolatore alla configurazione meccanica e sensoristica effettivamente in uso, con o senza sonda esterna, massa termica del blocco in alluminio, elemento riscaldante bi-tensione 115/230 V.
MODALITÀ FINE < 0,2 °C
Overshoot quasi nullo e oscillazioni contenute: la scelta per protocolli critici che richiedono massima precisione.
MODALITÀ FAST - Riscaldamento rapido
Raggiunge velocemente la temperatura target, con un overshoot accettabile che rientra comunque nella stessa banda di stabilità dopo l'assestamento.
Progettazione elettronica
Abbiamo sviluppato l'architettura hardware partendo dalle esigenze di precisione e sicurezza tipiche della strumentazione da laboratorio biomedico
Progettazione del controllo termico
Abbiamo definito una strategia di fusione sensoriale e controllo PID adattivo, capace di gestire sensori con dinamiche molto diverse tra loro
Sviluppo firmware embedded
La presenza di programmatori interni ha permesso di ottimizzare il rendering dell'interfaccia touch senza compromettere le risorse dedicate al controllo termico in tempo reale
Comunicazione wireless multi-modulo
Abbiamo progettato un protocollo di pairing e comunicazione tra ControlPad e moduli riscaldanti, stabile anche in ambienti industriali
I risultati ottenuti
Per il cliente Velp
- Uno strumento universale, capace di adattarsi automaticamente alla tensione di rete
- Un sistema modulare, scalabile da uno a due moduli riscaldanti indipendenti
- Un prodotto differenziante nel mercato della strumentazione da laboratorio
Per gli operatori di laboratorio
- Precisione termica ripetibile, anche su protocolli critici
- Un'interfaccia intuitiva, che riduce gli errori operativi
- Sicurezza garantita da un sistema di allarme robusto e configurabile
Per il sistema
Il sistema è oggi una piattaforma hardware-firmware integrata, progettata per evolvere nel tempo.
L'architettura consente future estensioni, come nuove tipologie di sonde, nuovi profili di riscaldamento o l'integrazione con sistemi di gestione dati di laboratorio.
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