การพัฒนาต้นแบบเครื่องละลายเลือดและพลาสมาแบบพกพา

บทคัดย่อ

โครงงานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบและพัฒนาต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ด เลือดแบบพกพา ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในธนาคารเลือดเพื่อทำให้เลือดที่ถูกแช่แข็งกลับมาอยู่ในสภาวะที่ สามารถใช้งานได้ ระบบที่พัฒนาขึ้นใช้หลักการถ่ายเทความร้อนระหว่างแผ่นความร้อน อากาศและถุง เลือด การศึกษานี้นำเสนอการคำนวณเชิงตัวเลขและการจำลองทางวิศวกรรมเพื่อกำหนดอุณหภูมิที่ เหมาะสมกับการอุ่นเลือดและประสิทธิภาพของระบบอุ่นเลือด โดยใช้สมการสมดุลพลังงานความร้อน และใช้ PI Controller เป็น หลักในการรักษาอุณหภูมิให้คงที่และป้องกัน การเกิด ความร้อ นเกิ น ขีดจำกัด ระบบควบคุมนี้ ทำงานร่ว มกับ เซ็นเซอร์วั ด อุ ณหภูมิแ บบ Thermocouple และโมดู ล MAX6675 เพื่อวัดอุณหภูมิ ซึ่งผลลัพธ์การควบคุมพบว่าระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิของอากาศได้ ด้วยการใช้ PI Controller ทำให้รักษาอุณหภูมิของอากาศภายในกล่องให้อยู่ที่ 37°C ได้ อย่างไรก็ ตามการตอบสนองของระบบยังคงค่อนข้างช้า แม้อุณหภูมิของอากาศจะถูกควบคุมได้ แต่อุณหภูมิ ของน้ำต้องใช้เวลานานในการเพิ่มขึ้นถึงค่าเป้าหมาย คำสำคั ญ : การอุ่ น ถุ ง เลื อ ด, ถ่า ยเทความร้ อ น, สมดุ ล พลั ง งาน, การจำลองเชิ ง ตั ว เลข, ระบบ แลกเปลี่ยนความร้อน ก Name Thesis Title Mr. Chanon Utupon Mr. Teerawat Supaporn Ms. Sinsarut Selakhun Ms. Aurailak Rueangphlong Development of a portable blood bag and plasma thawing Department Mechanical and Aerospace Engineering Advisor Asst.Prof. Teerawat Sangpet, Ph.D. Academic year 2024 Abstract This project aims to design and develop a prototype of a portable blood, plasma, and platelet thawing device. This equipment is used in blood banks to restore frozen blood components to a usable state. The developed system operates based on heat transfer principles between the heating plate, air, and blood bag. This study presents numerical calculations and engineering simulations to determine the optimal temperature for blood warming and the efficiency of the warming system. The heat balance equation is applied, and a PI Controller is implemented to maintain a stable temperature and prevent overheating. The control system integrates a Thermocouple temperature sensor and a MAX6 6 7 5 module for temperature measurement. The control results indicate that the system can regulate air temperature effectively using the PI Controller, maintaining the internal air temperature at 37°C. However, the system response remains relatively slow. Although the air temperature is well controlled, the water temperature takes a long time to reach the target value. Keywords: Blood bag warming, heat transfer, energy balance, numerical simulation, heat exchange system ข กิตติกรรมประกาศ โครงงานนี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาระดับปริญญาตรี ทางกลุ่มผู้จัดทำขอแสดงความขอบคุณ อย่างสูงต่อ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.ธีรวัจน์ แสงเพชร์ อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงาน ที่ได้กรุณาให้คำปรึกษา แนะนำองค์ความรู้ และแนวทางการดำเนินงานอย่างละเอียดและครบถ้วนตลอดระยะเวลาของการจัดทำ โครงงาน ความเอาใจใส่และข้อเสนอแนะที่มีคุณค่าเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งที่ช่วยให้โครงงานนี้สามารถ ดำเนินไปได้อย่างราบรื่นและประสบความสำเร็จตามเป้าหมาย ทั้งนี้กลุ่มผู้จัดทำขอแสดงความขอบคุณเพื่อนๆ และผู้ที่เกี่ยวข้องทุกท่านที่ได้ให้การสนับสนุนทั้ง ทางตรงและทางอ้อม ไม่ว่าจะเป็นการให้ความช่วยเหลือในการแก้ไขปัญหา การแลกเปลี่ยนความคิดเห็น หรือการสนับสนุนข้อมูลและทรัพยากรที่เป็นประโยชน์ ความร่วมมือและการสนับสนุน จากทุกฝ่ายมีส่วน สำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จของโครงงานนี้ สุดท้ายนี้ทางกลุ่มผู้จัดทำหวังเป็นอย่างยิ่งว่าโครงงานนี้จะสามารถเป็นประโยชน์ต่อการศึกษา การพัฒนาองค์ความรู้ หรือการนำไปประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ และขอขอบคุณทุกท่านอีกครั้งที่ได้มีส่วน ร่วมในความสำเร็จของโครงงานนี้ด้วยความเคารพอย่างสูง นาย ชนน นาย ธีรวัส นางสาว ศิลป์ศรุต นางสาว อุไรลักษณ์ ค อุตุพล สุภาพร เสลาคุณ เรืองโพล้ง สารบัญ บทที่ 1 บทนำ ....................................................................................................................................1 1.1.ที่มาและความสำคัญของโครงงาน ........................................................................................... 1 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน ....................................................................................................... 2 1.3 ขอบเขต.................................................................................................................................. 2 1.4 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ .......................................................................................... 2 1.5 แผนการดำเนินงาน................................................................................................................. 2 1.5.1 ขั้นตอนการทำงานโครงงาน (Workflow Diagram) .........................................................2 1.5.2 อุปกรณ์และงบประมาณที่คาดว่าจะใช้ .............................................................................4 บทที่ 2 ทฤษฎีและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ...............................................................................................5 2.1 ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller) .............................................................................. 5 2.1.1 ระบบควบคุม ...................................................................................................................5 2.1.2 การจำแนกประเภทระบบควบคุม .....................................................................................6 2.1.3 ระบบควบคุม PID ............................................................................................................7 2.2 การถ่ายเทความร้อนระหว่างวัสดุ ........................................................................................... 8 2.2.1 การคำนวณพลังงานที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิ .....................................................................8 2.2.2 การคำนวนพลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะ ...................................................................8 2.3 การแผ่รังสีความร้อน (Radiation) .......................................................................................... 8 2.3.1 คุณสมบัติของการแผ่รังสีความร้อน ..................................................................................9 2.3.2 การคำนวณการแผ่รังสีความร้อน......................................................................................9 2.4 คุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนของเลือด........................................................................... 10 2.4.1 ความหนาแน่น (Density) ............................................................................................. 10 2.4.2 ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat Capacity) ................................................... 10 ง 2.4.3 ค่าการนำความร้อน (Thermal Conductivity) ............................................................ 10 2.4.4 ความหนืด (Viscosity) .................................................................................................. 11 2.5 การเก็บรักษาเลือด ............................................................................................................... 11 2.5.1 อุณหภูมิที่ใช้ในการเก็บรักษาเลือด ................................................................................ 11 2.5.2 อุณหภูมิที่ใช้ในการอุ่นเลือด .......................................................................................... 11 2.6 โปรแกรม ANSYS ................................................................................................................. 12 2.7 เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ ............................................................................................................. 12 2.8 MAX6675 ............................................................................................................................ 12 2.9 งานที่เกี่ยวข้อง...................................................................................................................... 13 บทที่ 3 การออกแบบต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา ........................... 14 3.1 ความต้องการของโครงงาน ................................................................................................... 14 3.2 มาตรฐานการออกแบบ ......................................................................................................... 15 3.3 คำนวณ................................................................................................................................. 16 3.3.1 คำนวณพลังงานความร้อนสำหรับอุ่นถุงเลือด ................................................................ 16 3.4 Simulation ......................................................................................................................... 18 3.4.1 การตั้งค่าพารามิเตอร์ในการจำลอง ............................................................................... 18 3.4.2 เปรียบเทียบขนาดของถุงเลือด ...................................................................................... 18 3.4.3 เปรียบเทียบการจัดเรียงถุงเลือด .................................................................................... 19 3.5 การออกแบบขั้นต้น .............................................................................................................. 22 3.5.1 การออกแบบระบบควบคุมอุณหภูมิ .............................................................................. 25 3.6 แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ................................................................................................. 27 3.6.1 สมการทางคณิตศาสตร์ของแผ่นความร้อน .................................................................... 27 3.6.2 การหา Transfer function จาก PID Tuning Toolbox.............................................. 29 จ 3.7 ขั้นตอนการทำงาน ................................................................................................................ 31 3.7.1 การควบคุมแบบตั้งเวลา ................................................................................................ 31 3.7.2 การควบคุมแบบคำนวณปริมาณความร้อน .................................................................... 31 3.8 ขั้นตอนการสร้างต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา ....................... 32 3.8.1 ขั้นตอนการต่อวงจร ...................................................................................................... 32 3.8.2 การสร้างเครื่อง.............................................................................................................. 34 บทที่ 4 ผลการทดลอง ..................................................................................................................... 35 4.1 ผลของอุณหภูมิภายในกล่องจากการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ต่างกัน............................................. 35 4.2 การทดลองควบคุมอุณหภูมิของอากาศภายในกล่องด้วย PI Controller .............................. 37 4.3 การทดลองควบคุมอุณหภูมิของถุงเลือดด้วยการทดลองโดยใช้ PI controller อุณหภูมิของ อากาศภายในกล่อง โดยตั้งเวลาไว้ 30 นาที ................................................................................ 38 4.4 การทดลองควบคุมอุณหภูมิของถุงเลือดด้วยการทดลองโดยใช้ PI control อุณหภูมิของแผ่น ความร้อน โดยตั้งเวลาไว้ 30 นาที ............................................................................................... 42 4.5 การทดลองแสดงการควบคุมด้วยวิธีควบคุมความร้อน แบ่งช่วง Heat-up และช่วงต่อมาเป็น การใช้ PI controller .................................................................................................................. 46 4.5.1 การทดลอง Heat-Up แบบใช้ Air Feedback ภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน .................. 50 บทที่ 5 การสรุปผลและข้อเสนอแนะ............................................................................................... 53 5.1 สรุปผลการดำเนินงาน .......................................................................................................... 53 5.1.1 การทดลองควบคุมอุณหภูมิของถุงเลือดด้วยการทดลองโดยใช้ PI controller อุณหภูมิ ของอากาศภายในกล่อง โดยตั้งเวลาไว้ 30 นาที ...................................................................... 53 5.1.2 การทดลองควบคุมอุณหภูมิของถุงเลือดด้วยการทดลองโดยใช้ PI controller อุณหภูมิ ของแผ่นความร้อน .................................................................................................................. 53 5.1.3. การแบ่งช่วงการทำความร้อน (Heat-up) และการควบคุมด้วย PI Controller ............ 54 5.2 วิจารณ์การทดลอง ................................................................................................................ 54 ฉ 5.3 ข้อเสนอแนะ ......................................................................................................................... 55 ภาคผนวก........................................................................................................................................ 60 ภาพแผงวงจรไฟฟ้าของระบบ ..................................................................................................... 60 การออกแบบเครื่องเบื้องต้น ........................................................................................................ 60 Algorithm .................................................................................................................................. 62 การแสดงการชั่งตวงน้ำหนักของน้ำในถุงเลือดก่อนการทดลอง .................................................... 64 ช สารบัญตาราง ตาราง หน้า ตารางที่ 1.1 ขั้นตอนการทำงานโครงงาน ........................................................................................... 3 ตารางที่ 1.2 อุปกรณ์และงบประมาณที่คาดว่าจะใช้ .......................................................................... 4 ตารางที่ 3.1 ตารางแสดงค่า 𝜏 และ K (gain) ของ Heat Plate Transfer function......................... 28 ซ สารบัญรูปภาพ รูปที่ 1.1 เครื่องละลายเลือดหรือพลาสมา (Plasma Thawer ของบริษัท Helmer) ......................... 1 รูปที่ 3.1 ภาพแสดงผลการส่งผ่านความร้อนของ (ซ้าย) ถุงเลือดขนาด 150 มิลลิลิตร, (กลาง) ถุงเลือด ขนาด 300 มิลลิลิตร, (ขวา) ถุงเลือดขนาด 450 มิลลิลิตร .................................................... 19 รูปที่ 3.2 การวางถุงเลือดแบบตั้งฉาก............................................................................................... 21 รูปที่ 3.3 การวางถุงเลือดแบบขนานซ้อนกัน .................................................................................... 21 รูปที่ 3.4 การวางถุงเลือดแบบขนานไขว้กัน ..................................................................................... 22 รูปที่ 3.5 แผนภาพการทำงานเบื้องต้นของระบบละลายเลือด พลาสมาเกล็ดเลือด ........................... 24 รูปที่ 3.6 แผนภาพการทำงานเบื้องต้นของระบบควบคุมอุณหภูมิของเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือด ........................................................................................................................... 26 รูปที่ 3.7 การติดตั้ง Heat bed ฉนวนกันความร้อน และ Thermocouple ..................................... 27 รูปที่ 3.8 แสดงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของ Heat plate .............................................................. 28 รูปที่ 3.9 การเปรียบเทียบระหว่างค่า output ที่ได้จาก transfer function และการทดลอง (ก) 5V, (ข) 12V, (ค) 18V................................................................................................................. 29 รูปที่ 3.10 การต่อ Block Diagram ................................................................................................. 30 รูปที่ 3.11 กราฟที่ได้จากการปรับค่าพารามิเตอร์ ............................................................................ 30 รูปที่ 3.12 การประกอบแผงวงจรควบคุม ........................................................................................ 33 รูปที่ 3.13 การประกอบกล่องสำหรับแผงวงจรควบคุม .................................................................... 33 รูปที่ 3.14 แสดงเครื่องต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา .......................... 34 รูปที่ 4.1 แสดงอุณหภูมิแผ่นความร้อนและอุณหภูมิภายในกล่องที่จ่ายไฟด้วยแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่าง กัน....................................................................................................................................... 36 รูปที่ 4.2 แสดงการทดลองควบคุมอุณหภูมิของอากาศภายในกล่อง ................................................. 37 รูปที่ 4.3 แสดงการทดลองใช้ PI control อุณหภูมิของอากาศภายในกล่อง ..................................... 39 รูปที่ 4.4 แสดงค่า U ของ PI Control อุณหภูมิของอากาศภายในกล่อง .......................................... 40 รูปที่ 4.5 แสดงผลการทดลอง PI Control และใช้ Air Feedback โดยเพิ่ม kp = 5......................... 40 รูปที่ 4.6 แสดงค่า U ของ PI Control และใช้ Air Feedback โดยเพิ่ม kp = 5............................... 41 รูปที่ 4.7 แสดงค่า U ของ PI Control และใช้ Plate Feedback โดยเพิ่ม ki = 0.02 ...................... 41 รูปที่ 4.8 แสดงผลการทดลอง PI Control และใช้ Air Feedback โดยเพิ่ม ki = 0.02 .................... 42 ฌ รูปที่ 4.9 แสดงการทดลองใช้ PI control แผ่นความร้อน ................................................................ 43 รูปที่ 4.10 แสดงกราฟ U ของผลการทดลองใช้ PI control แผ่นความร้อน ..................................... 44 รูปที่ 4.11 แสดงค่า U ของการทดลอง PI Control และใช้ Plate Feedback ................................. 44 รูปที่ 4.12 การทดลอง PI Control และใช้ Plate Feedback โดยการปรับ kp = 3 ........................ 45 รูปที่ 4.13 แสดงผลการทดลอง PI Control และใช้ plate Feedback โดยเพิ่ม ki = 0.02 ............ 45 รูปที่ 4.14 แสดงค่า U ของการทดลอง PI Control และใช้ plate Feedback โดยเพิ่ม ki = 0.02... 46 รูปที่ 4.15 แสดงผลลัพธ์การทดลองใช้ Heat up และ PI Control .................................................. 49 รูปที่ 4.16 แสดงกราฟ U ของผลการทดลองใช้ Heat - up และ PI Control .................................. 49 รูปที่ 4.17 แสดงผลการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 35 องศา .................... 50 รูปที่ 4.18 กราฟแสดงค่า U ของการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตัง้ Tsetpoint ที่ 35 องศา 50 รูปที่ 4.19 แสดงผลการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 40 องศา ................... 51 รูปที่ 4.20 แสดงค่า U ของผลการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 40 องศา .... 51 รูปที่ 4.21 แสดงผลการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 40 องศา .................... 52 รูปที่ 4.22 แสดงค่า U ของการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตัง้ Tsetpoint ที่ 40 องศา ......... 52 ญ บทที่ 1 บทนำ 1.1. ที่มาและความสำคัญของโครงงาน เครื่องละลายเลือดหรือพลาสมา เป็นเครื่องมือที่ใช้กันสำหรับธนาคารเลือด เพื่อละลายเลือด หรือพลาสมาที่ถูกแช่แข็งเป็นกระบวนการละลายก่อนที่นำกลับมาใช้กับผู้ป่วยได้อย่างปลอดภัยซึ่ง เครื่องที่มีจำหน่ายตามท้องตลาดมีทั้งชนิดแบบแห้ง และแบบเปียก มีหลายขนาดขึ้นอยู่กับปริ มาณถุง เลือดที่สามารถละลายได้ แต่เครื่องที่จำหน่ายเป็นการนำเข้าจากต่างประเทศ บางครั้งจะประสบ ปัญหาด้านการซ่อมบำรุง เนื่องจากเครื่องบางชนิดไม่ผลิตแล้ว ดังนั้นจึงมีแนวคิดในการพัฒนาต้นแบบ เครื่องละลายเลือด พลาสมาเกล็ดเลือดแบบพกพาขึ้น มีแบตเตอรี่ในตัวให้สามารถทำงานได้ในขณะที่ ทำการเคลื่อนย้ายหรือไม่มีแหล่งจ่ายไฟฟ้าจากภายนอก โดยการทำจะเลือกใช้งานวัสดุ อุปกรณ์ที่หา ได้ภายในประเทศเพื่อลดปัญหาการขาดชิ้นส่วนในการซ่อมบำรุงหรือสามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนบางส่วน ได้และการที่เป็นเครื่องแบบพกพาทำให้เคลื่อนย้ายได้สะดวก สำหรับการส่งเลือดจากธนาคารเลือดไป ยังส่วนงานต่างๆ ในโรงพยาบาล หรือนำไปตั้งไว้ในห้องผ่าตัดที่ต้องมีการเตรียมเลือดไว้สำหรับคนไข้ ตัวอย่างเครื่องละลายพลาสมาที่มีจำหน่ายในท้องตลาดแสดงดังรูปที่ 1.1 รูปที่ 1.1 เครื่องละลายเลือดหรือพลาสมา (Plasma Thawer ของบริษัท Helmer) [38] 1 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1. เพื่อออกแบบพัฒนาเครื่องต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา และเกล็ดเลือด 2. เพื่อพัฒนาระบบควบคุมที่เหมาะสมกับการละลาย 1.3 ขอบเขต 1. ศึกษาเกี่ยวกับขั้นตอน กระบวนการอุ่นเลือด พลาสมา เกล็ดเลือด 2. ศึกษามาตรฐานการรออกแบบอุปกรณ์ที่ใช้ในทางการแพทย์ 3. ออกแบบเลือกอุปกรณ์ในการให้ความร้อน จำลอง ทดสอบ และวิเคราะห์การทำงานของ อุปกรณ์ 4. ออกแบบ พัฒนาระบบควบคุมการให้ความร้อน และระบบควบคุมขั้นตอนการทำงาน ของเครื่องและทดสอบการทำงาน 5. สร้างเครื่องต้นแบบและทดสอบการทำงาน 1.4 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ ผลลัพธ์ที่คาดหวังคือการได้ต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา และเกล็ดเลือดที่สามารถ พกพาได้ ซึ่งจะช่วยให้การใช้งานสะดวกขึ้นและสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในสภาพแวดล้อมต่างๆ ใน โรงพยาบาลได้อย่างมีประสิทธิภาพ 1.5 แผนการดำเนินงาน ในส่วนนี้จะแสดงขั้นตอนการทำงานของโครงงาน รวมถึงอุปกรณ์และงบประมาณที่คาดว่าจะ ใช้ในการพัฒนาและทดสอบเครื่องต้นแบบ 1.5.1 ขั้นตอนการทำงานโครงงาน (Workflow Diagram) ขั้นตอนการทำงานของโครงงานซึ่งได้แบ่งการดำเนินงานออกเป็นหลายขั้นตอนหลัก ตั้งแต่ การศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับกระบวนการอุ่นเลือดและพลาสมา ไปจนถึงการสร้างเครื่องต้นแบบและ ทดสอบการทำงาน โดยแต่ละขั้นตอนจะมีการวางแผนการดำเนินงานในช่วงเวลาที่กำหนดไว้ ใน ระยะเวลา 12 เดือน ดังแสดงไว้ในตารางที่ 1.1 2 ตารางที่ 1.1 ขั้นตอนการทำงานโครงงาน แผนการดำเนินงาน/ ตัวชี้วัดความสำเร็จ ช่วงเวลาดำเนินการ (เดือน) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 .ศึกษาเกี่ยวกับขั้นตอน กระบวนการอุ่น เลือด พลาสมา เกล็ดเลือด x x 2. ศึกษามาตรฐานการรออกแบบอุปกรณ์ที่ใช้ x x ในทางการแพทย์ 3. ออกแบบ เลือกอุปกรณ์ในการให้ความร้อน จำลอง ทดสอบ และวิเคราะห์การทำงานของ อุปกรณ์ x x x x x x x 4. ออกแบบ พัฒนาระบบควบคุมการให้ความ ร้อน และระบบควบคุมขั้นตอนการทำงาน ของเครื่องและทดสอบการทำงาน x x x x x x x 5. สร้างเครื่องต้นแบบและทดสอบการทำงาน 6.เขียนรายงาน x x x x x X x x x x x x x x x x x X 3 1.5.2 อุปกรณ์และงบประมาณที่คาดว่าจะใช้ ในขั้นตอนการพัฒนาเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพานี้ ได้มีการวางแผน และจัดเตรียมงบประมาณที่คาดว่าจะใช้ในการจัดหาอุปกรณ์ต่างๆ ที่จำเป็น ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์ สำหรับระบบควบคุม การให้ความร้อน อุปกรณ์ความปลอดภัย และโครงที่รองรับอุปกรณ์ต่างๆ ทั้งหมดนี้ได้รับการประมาณราคาเบื้องต้นตามรายละเอียดในตารางที่ 1.2 ตารางที่ 1.2 อุปกรณ์และงบประมาณที่คาดว่าจะใช้ รายการ อุปกรณ์ระบบควบคุม งบประมาณ (บาท) 4,000 อุปกรณ์ให้ความร้อน 1,500 เซนเซอร์วัดอุณหถูมิ 500 แหล่งจ่ายไฟฟ้า 3,000 อุปกรณ์ความปลอดภัย(ฟิวส์, เบรคเกอร์, ตัวตัดอุณหภูมิ) 1,000 โครงหรือกล่องสำหรับประกอบอุปกรณ์ และฉนวนความร้อน 3,500 Total 13,500 4 บทที่ 2 ทฤษฎีและงานวิจัยที่เกีย่ วข้อง การละลายเลือดเพื่อการใช้งานในทางการแพทย์เป็นกระบวนการที่สำคัญและต้องการความ แม่นยำสูง เพื่อให้มั่นใจได้ว่าเลือดที่ถูกละลายนั้นยังคงคุณสมบัติทางชีวภาพและความปลอดภัยในการ ใช้งาน การควบคุมอุณหภูมิเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของกระบวนการละลายเลือด การ แผ่ความร้อน (Thermal Radiation) และการควบคุมผ่านไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller) จึงเป็นเทคโนโลยีที่มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาระบบละลายเลือดสมัยใหม่ 2.1 ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller) ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller) เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการควบคุมระบบ ละลายเลือด การใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถช่วยให้กระบวนการละลายเลือดเป็นไปอย่างแม่นยำ และมีประสิทธิภาพมากขึ้น เนื่องจากไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ ได้อย่าง ละเอียด ผ่านการเขียนโปรแกรมเฉพาะทางเพื่อให้ตรงกับความต้องการของระบบ 2.1.1 ระบบควบคุม ระบบควบคุ ม มี บ ทบาทสำคั ญ ในการทำให้ ไ มโครคอนโทรลเลอร์ สามารถจั ด การกั บ กระบวนการละลายเลือดได้อย่างถูกต้องและมีประสิทธิภาพ โดยระบบควบคุมสามารถแบ่งออกได้ เป็นสองประเภทหลักคือ ระบบควบคุมวงเปิด (Open-Loop Control) [9] เป็นระบบควบคุมที่ไม่ พึ่งพาสัญญาณย้อนกลับจากเอาต์พุตเพื่อปรับแต่งการควบคุม และระบบควบคุมวงปิด (ClosedLoop Control) หรือ ระบบป้อนกลับ (Feedback Control) [9] มีลักษณะคือเป็นระบบควบคุมที่ใช้ ข้อมูลจากเอาต์พุตเพื่อปรับแต่งสัญญาณควบคุมให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ ซึ่งแต่ละระบบมีข้อดีและ ข้อเสียแตกต่างกันไป 5 2.1.2 การจำแนกประเภทระบบควบคุม การจำแนกประเภทของระบบควบคุม มีความสำคั ญในการเลื อกใช้ งานให้ เหมาะสมกั บ ลักษณะการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์ในกระบวนการละลายเลือด การเข้าใจประเภทต่างๆ ของระบบควบคุมจะช่วยให้สามารถเลือกใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสมในการพัฒนาระบบให้มีความเสถียร และประสิทธิภาพสูงสุด 1. ตามลักษณะของระบบ แบ่งเป็น เชิงเส้น (Linear) [8] ระบบที่สามารถอธิบายได้ด้วยสมการ เชิงเส้น ตัวอย่างเช่น ระบบควบคุมอุณหภูมิที่เป็นเชิงเส้น และไม่เป็นเชิงเส้น (Nonlinear) ระบบที่ไม่สามารถอธิบายด้วยสมการเชิงเส้น เช่น ระบบควบคุมรถยนต์ที่มีความไม่เสถียรใน บางสถานการณ์ 2. ตามความเปลี่ยนแปลงตามเวลา แบ่งเป็น แปรเปลี่ยนตามเวลา (Time-Varying) [8] ระบบที่ ลักษณะการควบคุมเปลี่ยนแปลงตามเวลา เช่น ระบบควบคุมการผลิตที่เปลี่ยนแปลงตามการ โหลดของเครื่องจักรและไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา (Time-Invariant) ระบบที่ลักษณะการ ควบคุมคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา เช่น ระบบควบคุมที่มีการตั้งค่าคงที่ตลอดเวลา 3. ตามเวลาต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่อง แบ่งออกเป็น เวลาต่อเนื่อง (Continuous Time) [8] ระบบ ที่ทำงานในลักษณะที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง เช่น ระบบควบคุมกระบวนการผลิต และเวลาไม่ต่อเนื่อง (Discrete Time) ระบบที่ทำงานในลักษณะที่มีการเปลี่ยนแปลงใน ช่วงเวลาที่กำหนด เช่น ระบบควบคุมเครื่องจักรที่รับข้อมูลในช่วงเวลาที่เฉพาะเจาะจง 6 2.1.3 ระบบควบคุม PID [33] PID หรือ Proportional-Integral-Derivative เป็นรูปแบบหนึ่งของระบบควบคุมที่ใช้ในงาน วิศวกรรมเพื่อควบคุมระบบให้ทำงานได้ตามที่ต้องการ โดย PID Controller จะทำงานโดยใช้หลักการ คำนวณค่า เอาต์พุต (output) จากข้อผิดพลาด (error) ระหว่างค่าที่ต้องการ (setpoint) และค่าจริง ที่วัดได้ (measured value) โดย PID Controller ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก 1. Proportional (P): ส่วนนี้จะคำนวณค่าตามสัดส่วนของข้อผิดพลาด โดยค่าควบคุมจะเพิ่มขึ้น หรือลดลงตามขนาดของข้อผิดพลาด Poutput = K p ∗ e(t) (2-1) 2. Integral (I): ส่วนนี้จะสะสมข้อผิดพลาดทั้งหมดในอดีตเพื่อช่วยลดข้อผิดพลาดที่เกิด ขึ้ น ต่อเนื่อง (steady-state error) Ioutput = K i ∫ e(t) dt (2-2) 3. Derivative (D): ส่วนนี้จะคำนวณอัตราการเปลี่ยนแปลงของข้อผิดพลาด เพื่อคาดการณ์ แนวโน้มของข้อผิดพลาดในอนาคต และลดการแกว่งตัว (overshoot) d(e(t)) Doutput = K d (2-3) dt สมการเอาต์พุตของ PID Controller คือ: d(e(t)) Output(t) = K p ∗ e(t) + K i ∫ e(t) dt + K d dt (2-4) โดยที่ Kp คือ ค่าคงที่ของส่วน Proportional ทำหน้าทีค่ วบคุมความเร็วในการตอบสนอง Ki คือ ค่าคงที่ของส่วน Integral ทำหน้าที่ลด steady-state error Kd คือ ค่าคงที่ของส่วน Derivative ทำหน้าทีล่ ดการแกว่งตัวและช่วยให้ระบบเสถียร e(t) คือ ข้อผิดพลาด ณ เวลานั้น (setpoint − measured value) 7 2.2 การถ่ายเทความร้อนระหว่างวัสดุ [7] การถ่ายเทความร้อนระหว่างวัสดุเกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัสดุที่อยู่ติด กัน กระบวนการนี้เกิดขึ้นได้จากหลายวิธี สามารถประยุกต์ใช้กับการออกแบบระบบทำความร้อนและ ทำความเย็น เช่น หม้อไอน้ำและระบบทำความเย็น หรือจะเป็นการคำนวณพลังงานที่ต้องใช้ในการ ปรับอุณหภูมิของของเหลวหรือก๊าซ และสุดท้ายในการศึกษากระบวนการต่างๆ 2.2.1 การคำนวณพลังงานที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิ ในการคำนวณการถ่ายเทความร้อนระหว่างวัสดุที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยเฉพาะใน กระบวนการทำความร้อนหรือการทำความเย็นของของไหล เช่น น้ำหรืออากาศ โดยสามารถคำนวณ ได้จาก สมการถ่ายเทความร้อน: Q̇ = ṁcp ∆T (2-4) โดยที่: Q̇ คือ อัตราการถ่ายเทความร้อน (W) ṁ คือ อัตราการไหลของมวล (kg/s) cp คือ ความจุความร้อนเฉพาะที่ความดันคงที่ (J/kg · K) ∆T คือ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (K หรือ °C) 2.2.2 การคำนวนพลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะ การเปลี่ยนสถานะของสารที่อุณหภูมิคงที่ เช่น การหลอมเหลว การระเหย หรือการเปลี่ยน สถานะจากแข็งเป็นของเหลวและจากของเหลวเป็นแก๊ส จะต้องใช้พลังงานแฝง โดยสามารถคำนวณ ได้จาก สมการการเปลี่ยนสถานะของสสาร: Q = m ⋅ hf (2-5) โดยที่: Q คือ พลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะ (J) m คือ มวลของสาร (kg) hf คือ พลังงานแฝงในการเปลี่ยนสถานะ (J/kg) 2.3 การแผ่รังสีความร้อน (Radiation) [7] การแผ่รังสีความร้อน (Radiation) เป็นกระบวนการที่สำคัญในการถ่ายเทพลังงานความร้อน จากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งโดยไม่ต้องพึ่งพาตัวกลาง เช่น อากาศหรือน้ำ การแผ่รังสีสามารถ เกิดขึ้นในทุกทิศทางและสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ ซึ่งแตกต่างจากการนำความร้อน (Conduction) และการพาความร้อน (Convection) ที่ต้องอาศัยตัวกลางในการส่งผ่านพลังงาน 8 2.3.1 คุณสมบัติของการแผ่รังสีความร้อน การแผ่รังสีความร้อนมีคุณสมบัติที่แตกต่างจากวิธีการถ่ายเทความร้อนอื่นๆ เช่น การนำ ความร้อนและการพาความร้อน การรู้จักกับคุณสมบัติเหล่านี้จะช่วยให้สามารถควบคุมอุณหภูมิใน กระบวนการละลายเลือดได้อย่างเหมาะสม 1. การแผ่รังสีผ่านอวกาศ: การแผ่รังสีสามารถเกิดขึ้นได้ในสุญญากาศ เช่น การถ่ายเทความร้อน จากดวงอาทิตย์มายังโลก ซึ่งไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงาน 2. อุณหภูมิของวัตถุ: วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (-273°C หรือ 0 K) จะทำการ แผ่รังสีออกมา วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงจะปล่อยพลังงานในรูปของคลื่นรังสีความร้อนที่มีความยาว คลื่นสั้น เช่น รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) หรือแสงที่มองเห็นได้ ขณะที่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำจะ ปล่อยพลังงานในรูปของคลื่นรังสีความร้อนที่มีความยาวคลื่นยาว เช่น อินฟราเรด (IR) 3. ลักษณะของวัตถุที่ส่งผลต่อการดูดกลืน : แบ่งออกเป็น สีของวัตถุ วัตถุที่มีสีดำหรือสีเข้มจะ ดูดกลืนรังสีความร้อนได้ดีกว่าวัตถุที่มีสีขาวหรือสีอ่อน เพราะสีดำมีความสามารถในการดูด ซับพลังงานรังสีได้มากกว่า และผิวของวัตถุ วัตถุที่มีผิวขรุขระหรือมีพื้นผิวหยาบสามารถ ดูดกลืนความร้อนได้ดีขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับวัตถุที่มีผิวเรียบและขัดมัน เพราะพื้นผิวที่ขรุขระ สามารถเพิ่มพื้นที่สัมผัสและการดูดซับพลังงานรังสี 2.3.2 การคำนวณการแผ่รังสีความร้อน การคำนวณการแผ่รังสีความร้อนสามารถทำได้โดยใช้กฎของสเตฟาน-โบลต์ซมานน์ (StefanBoltzmann Law) ซึ่งใช้ในการคำนวณพลังงานที่วัตถุแผ่ออกมาในรูปของรังสีความร้อน โดยสามารถ คำนวณได้จาก Q = ϵσA(T14 − T24 ) (2-6) โดยที่: Q คือ กำลังของการแผ่รังสี (พลังงานที่แผ่ออกมาในหนึ่งหน่วยเวลา) หน่วยเป็นวัตต์ (W) ϵ คือ ค่าการแผ่รังสีของพื้นผิว σ คือ ค่าคงที่ของสเตฟาน-โบลต์ซมานน์ (σ = 5.670 x 10-8 W/m2K4) A คือ พื้นที่ผิวของวัตถุที่แผ่รังสี หน่วยเป็นตารางเมตร (m2) T1 คือ อุณหภูมิของวัตถุ หน่วยเป็นเคลวิน (K) T2 คือ อุณหภูมิของอากาศ หน่วยเป็นเคลวิน (K) 9 2.4 คุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนของเลือด เลือดเป็นของเหลวชีวภาพที่มีบทบาทสำคัญในกระบวนการถ่ายเทความร้อนภายในร่างกายมนุษย์ คุณสมบัติทางกายภาพของเลือด เช่น ความหนาแน่น ความจุความร้อนจำเพาะ ค่าการนำความร้อน และความหนืด มีผลโดยตรงต่อกระบวนการละลายเลือดในระบบต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ ละลายเลือดและพลาสมาคุณสมบัติเหล่านี้จำเป็นต้องพิจารณาเพื่อให้การถ่ายเทความร้อนเป็นไป อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัย 2.4.1 ความหนาแน่น (Density) ความหนาแน่นของเลือด ประมาณ 1060 kg/m3 [13] เป็นคุณสมบัติที่มีผลต่อการเคลื่อนที่ของ เลือดและกระบวนการถ่ายเทความร้อน ยิ่งเลือดมีความหนาแน่นสูง การพาความร้อนแบบธรรมชาติ จะเกิดขึ้นได้ช้าลง เนื่องจากการเคลื่อนที่ของเลือดในทิศทางต่างๆ จะถูกจำกัด ความหนาแน่นยัง ส่งผลต่อแรงลอยตัว (Buoyancy) ในกระบวนการพาความร้อนเช่นกัน ซึ่งมีความสำคัญต่อการ กระจายตัวของความร้อนภายในระบบละลายเลือด 2.4.2 ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat Capacity) ความจุความร้อนจำเพาะของเลือดอยู่ที่ประมาณ 3210 J/kg · K [14] ซึ่งหมายความว่าเลือด ต้องการพลังงานจำนวนมากในการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น คุณสมบัตินี้มีความสำคัญในกระบวนการ ละลายเลือด เนื่องจากต้องมีการให้พลังงานความร้อนอย่างเพียงพอและต่อเนื่องเพื่อทำให้เลือด ละลายโดยไม่ทำให้โปรตีนในเลือดเสียหาย ความจุความร้อนจำเพาะที่สูงทำให้เลือดสามารถเก็บรักษา พลังงานความร้อนได้นาน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการควบคุมอุณหภูมิหลังจากเลือดถูกละลาย 2.4.3 ค่าการนำความร้อน (Thermal Conductivity) ค่าการนำความร้อนของเลือดอยู่ที่ประมาณ 0.45–0.482 W/m⋅ K [14] ซึ่งเป็นค่าการนำ ความร้อนที่ต่ำเมื่อเทียบกับของแข็งหรือโลหะ หมายความว่าเลือดเป็นตัวนำความร้อนได้ไม่ดีมากนัก ดังนั้นในการออกแบบระบบละลายเลือด การเพิ่มการพาความร้อน (Convection) หรือการใช้การแผ่ รังสี (Radiation) จะช่วยให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพสูงขึ้น เนื่องจากการนำความร้อนใน เลือดเพียงอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอในการละลายเลือดอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ 10 2.4.4 ความหนืด (Viscosity) ความหนืดของเลือดมีค่าประมาณ 2.3 - 4.1 centipoise ที่อุณหภูมิ 37°C [15] โดยค่าความ หนืดนี้เป็นหน่วยที่ใช้วัดความต้านทานการไหลของของเหลว โดย 1 centipoise เท่ากับ 0.001 Pascal-seconds [16] ยิ่งค่าความหนืดสูง การไหลของเลือดจะช้าลง ความหนืดของเลือดส่งผล โดยตรงต่อกระบวนการถ่ายเทความร้อน เลือดที่มีความหนืดสูงจะเคลื่อนที่ได้ช้าลง ส่งผลให้การพา ความร้อนเกิดขึ้นได้ยากขึ้น นอกจากนี้ ความหนืดของเลือดยังมีผลต่อแรงเสียดทานภายในระบบ ทำ ให้การออกแบบอุปกรณ์ละลายเลือดต้องคำนึงถึงปัจจัยนี้ในการควบคุมอุณหภูมิและการไหลของเลื อด เพื่อให้การละลายเลือดเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ 2.5 การเก็บรักษาเลือด การเก็บรักษาเลือดอย่างเหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อคงคุณภาพและประสิทธิภาพของเลือด และส่วนประกอบต่าง ๆ ก่อนที่จะถูกนำไปใช้ในทางการแพทย์ การควบคุมอุณหภูมิในระหว่างการ เก็บรักษาจะส่งผลโดยตรงต่อความคงทนและการป้องกันการเสื่อมสภาพของเลือด ดังนั้นการเก็บ รักษาเลือดจึงต้องทำภายใต้อุณหภูมิที่เหมาะสมตามชนิดของส่วนประกอบเลือดแต่ละประเภท 2.5.1 อุณหภูมิที่ใช้ในการเก็บรักษาเลือด [19] 1. เม็ดเลือดแดง (Red Blood Cells): การเก็บรัก ษาเม็ ดเลื อดแดงควรอยู่ ในช่ว งอุณ หภู มิ ระหว่าง 2°C ถึง 6°C เพื่อคงสภาพและป้องกันการเสื่อมสภาพของเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่ถูก เก็บรักษาในช่วงอุณหภูมินี้จะคงประสิทธิภาพการขนส่งออกซิเจนได้อย่างดีเมื่อถูกนำไปใช้ใน การถ่ายเลือด 2. เม็ดเลือดขาว (White Blood Cells): เม็ดเลือดขาวต้องการการเก็บรักษาในช่วงอุณหภูมิที่ อุ่นกว่าคือระหว่าง 20°C ถึง 24°C การรักษาอุณหภูมินี้เป็นสิ่งสำคัญเพื่อคงสภาพการทำงาน ของระบบภูมิคุ้มกันที่มีอยู่ในเม็ดเลือดขาว 3. พลาสมา (Plasma): พลาสมาเป็นของเหลวที่มีความสำคัญในการเก็บรักษาโปรตีนและสารที่ จำเป็นต่อการแข็งตัวของเลือด การเก็บรักษาพลาสมาต้องทำในอุณหภูมิต่ำกว่า -18°C เพื่อ ป้องกันการสูญเสียคุณสมบัติของโปรตีนที่จำเป็นในการทำงานทางชีวภาพ 2.5.2 อุณหภูมิที่ใช้ในการอุ่นเลือด [20] อุณหภูมิที่ใช้ในการอุ่นเลือดควรอยู่ในช่วงระหว่าง 37°C ถึง 39°C เพื่อให้สอดคล้องกับ อุณหภูมิร่างกายปกติของมนุษย์ อย่างไรก็ตาม ไม่ควรทำการอุ่นเลือดให้เกิน 42°C เนื่องจากอาจทำให้ เซลล์เม็ดเลือดถูกทำลายหรือเกิดการเสื่อมสภาพ ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการรักษาผู้ป่วย 11 2.6 โปรแกรม ANSYS [21, 22] โปรแกรม ANSYS เป็นซอฟต์แวร์ที่ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ปัญหาทางวิศวกรรมอย่างมี ประสิทธิภาพ ด้วยความแม่นยำในการประมวลผลและเทคโนโลยีการวิเคราะห์ที่ครอบคลุมหลายสาขา วิศวกรรม เช่น กลศาสตร์ของแข็ง (Solid Mechanics) กลศาสตร์ของไหล (Fluid Dynamics) อุณ หพลศาสตร์ (Thermodynamics) และสาขาที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กทรอนิกส์ (Electronics) นอกจากนี้ โปรแกรม ANSYS ยังสามารถทำการวิเคราะห์แบบหลายสาขาพร้อมกันได้อย่างไร้ข้อจำกัด ทำให้เป็น ที่นิยมในอุตสาหกรรมต่างๆ โปรแกรม ANSYS มีความน่าเชื่อถือสูงและใช้งานง่ายเมื่อเปรียบเทียบกับโปรแกรมอื่นๆ ที่ ต้องใช้การเขียนโค้ด นอกจากนี้ยังมีฟังก์ชันที่หลากหลายและครอบคลุมการใช้งาน 2.7 เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ Thermocouple คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่วัดอุณหภูมิทำจากวัสดุที่ต่างชนิดแล้วเชื่อมติดกันที่ ปลาย ในที่นี้เป็นประเภท K ซึ่งทำมาจาก Chromel (Ni90%, Cr10%) ที่ขั้วบวก และ Alumel (Ni 95%, Al2%) ที่ขั้วลบ โดยอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงความร้อนเป็นความต่างศักย์ทางไฟฟ้า 2.8 MAX6675 [37] MAX6675 เป็น วงจรรวมที่ใช้สำหรับวั ด อุ ณหภู มิจาก Thermocouple ประเภท K โดย สามารถวัดอุณหภูมิได้ในช่วง 0°C ถึง 1024°C ด้วยความละเอียด 12 บิต หรือ 0.25°C ต่อหนึ่งหน่วย LSB วงจรนี้มีการชดเชยอุณหภูมิของ Cold Junction Compensation (CJC) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ช่วย ลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อของ Thermocouple และวงจรวัดอุณหภูมิ เพื่อให้ ค่าที่ได้มีความแม่นยำมากขึ้น นอกจากนี้ MAX6675 ยังใช้ SPI (Serial Peripheral Interface) เป็น อินเทอร์เฟซหลักสำหรับการสื่อสารกับไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยอาศัยสัญญาณหลัก 4 เส้น ได้แก่ MISO (Master In Slave Out), SCK (Serial Clock), CS (Chip Select), GND แ ละ VCC ใ น กระบวนการรับค่าข้อมูลผ่าน SPI นั้น ไมโครคอนโทรลเลอร์จะตั้งค่า CS เป็น LOW เพื่อเริ่มต้นการ รับส่งข้อมูล จากนั้นจะใช้สัญญาณ SCK ในการกำหนดจังหวะให้ MAX6675 ส่งค่าข้อมูลอุณหภูมิแบบ ดิจิทัล 12 บิต ผ่านทางสาย MISO ไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ เมื่อตรวจสอบค่าข้อมูลครบถ้วนแล้ว ไมโครคอนโทรลเลอร์จะตั้งค่า CS เป็น HIGH เพื่อสิ้นสุดกระบวนการสื่อสาร ดังนั้น MAX6675 จึง เป็นอุปกรณ์ที่สามารถใช้วัดอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพและแม่นยำ เหมาะสำหรับการนำไป ประยุกต์ใช้ในงานอุตสาหกรรมและระบบควบคุมอุณหภูมิที่ต้องการความละเอียดสูง 12 2.9 งานที่เกี่ยวข้อง (Related works) ในปัจจุบัน เครื่องละลายเลือดและพลาสมามีการพัฒนาเพื่อรองรับการใช้งานในหลายกรณี ไม่ว่าจะเป็นการละลายเลือดเพื่อให้พร้อมสำหรับการเข้าสู่ร่างกายโดยตรง [4,5] ซึึ่งกระบวนการนี้ จำเป็นต้องมีมาตรฐานและการตรวจสอบอย่างเข้มงวด เพื่อป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้นกับผู้รับเลือด หรือการละลายและอุ่นเลือดก่อนการใช้งาน [5, 6] ซึ่งในกรณีนี้มาตรฐานและการตรวจสอบอาจมี ความเข้มงวดน้อยกว่า เนื่องจากไม่มีความเสี่ยงจากการเข้าสู่ร่างกายโดยตรงอย่างไรก็ตาม เครื่อง ละลายเลือดที่มีอยู่ในปัจจุบันมักมีขนาดใหญ่ ไม่เหมาะสมสำหรับการพกพา และมีราคาสูง [3] ดังนั้น ในงานวิจัยนี้เราจึงสนใจที่จะออกแบบเครื่องละลายเลือดที่เน้นการใช้งานก่อนนำมาใช้ โดยมุ่งเน้นไปที่ ขนาดที่สามารถพกพาได้และมีราคาที่ไม่สูง 13 บทที่ 3 การออกแบบต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา ในบทนี้นำเสนอการออกแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือด เนื้อหาประกอบด้วย ความต้องการของเครื่อง ซึ่งส่วนหนึ่งจะมาจากความต้องการของผู้ใช้งาน การออกแบบระบบควบคุม การเลือกวัส ดุ อุป กรณ์ การออกแบบการทดสอบการทำงานของเครื่ อง รวมทั้งการจำลองด้ ว ย คอมพิวเตอร์ 3.1 ความต้องการของโครงงาน ในการออกแบบเครื่องละลายเลือ ดและพลาสมานั้น ในขั้นตอนนี้จะเป็นการรวบรวมความ ต้องการของเครื่อง (Requirements) เพื่อตีกรอบสำหรับการออกแบบ ความต้องการบางส่วนมาจาก ความต้องการของผู้ใช้งานเอง ในโครงงานนี้สามารถสรุปความต้องการได้เป็นข้อๆ ดังต่อไปนี้ 1. เครื่องละลายเลือดหรือพลาสมาสามารถอุ่นได้พร้อมกันไม่ต่ำกว่า 2 ถุง 2. โดยเลือดหรือพลาสมาจะต้องอยู่ในถุงเลือดไม่สัมผัสกับตัวเครื่อง เพื่อป้องกันการปนเปื้อน 3. ใช้สำหรับถุงเลือดมาตราฐาน ISO 3826-1 [17] ขนาด 450 มิลลิลิตร 4. สามารถตั้งอุณหภูมิสำหรับการละลายได้ไม่ต่ำกว่า 37°C 5. มีระบบวัดอุณหภูมิ 6. มีจอสำหรับแสดงอุณหภูมิ 7. ใช้พลังงานจากไฟ AC 220-240V 50Hz หรือแบตเตอรี่ 14 3.2 มาตรฐานการออกแบบ ก่อนที่จะทำการออกแบบในขั้นต้นนั้น ได้ทำการหาข้อมูลเกี่ยวกับมาตรฐานการออกแบบ อุปกรณ์ที่จะใช้งานในโรงพยาบาล เพื่อให้ทราบถึงเงื่อนไขหรือข้อกำหนดเฉพาะทางสำหรับการ ออกแบบ ในโครงงานนี้จึงได้เริ่มหาข้อมูลเกี่ยวกับมาตรฐานบางส่วนที่คิดว่าน่าจะเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ ที่จะออกแบบเช่น 1. IEEE [10]: มาตรฐานของ Institute of Electrical and Electronics Engineers เน้นการพัฒนาเทคโนโลยีและนวัตกรรมทางด้านไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ และสาขาที่ เกี่ยวข้อง เพื่อให้มีความปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และสอดคล้องกับการใช้งานในภาคอุตสาหกรรม 2. AABB [11]: มาตรฐานของ Association for the Advancement of Blood & Biotherapies ครอบคลุมการบริจาคเลือด การตรวจคัดกรอง การเตรียม การจัดเก็บ การถ่ายเลือด และการรักษา ด้วยชีวเวชภัณฑ์ เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยและคุณภาพของผลิตภัณฑ์เลือด 3. ThaiFDA [12]: มาตรฐานของสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยา มุ่งเน้นการประกันคุณภาพและความปลอดภัย ของผลิ ต ภั ณ ฑ์ เพื่ อ คุ้ ม ครองผู้บ ริ โ ภคจากอัน ตรายและการฉ้ อ โกง และ 4. ISO 3826-1 [17]: มาตรฐานสากลว่าด้วยข้อกำหนดสำหรับถุงเลือด ซึ่งจัดทำโดยองค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการ มาตรฐาน (International Organization for Standardization - ISO) โดยเฉพาะมาตรฐาน ISO 3826-1 ที่ระบุข้อกำหนดในการออกแบบ การผลิต และการทดสอบถุงเลือดที่ใช้ในทางการแพทย์ มาตรฐานนี้ครอบคลุมถึงข้อกำหนดสำหรับวัสดุที่ใช้ทำถุงเลือดเพื่อให้มั่นใจถึงความแข็งแรง ทนทาน ต่อการใช้งาน ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatibility) การต้านทานการรั่วไหล รวมถึงการ รักษาความสะอาดและความปลอดภัยของถุงเลือดเพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพใน สภาวะแวดล้อมทางการแพทย์ การนำมาตรฐานนี้มาใช้เป็นแนวทางในการออกแบบระบบเครื่องอุ่นถุง เลือด จะช่วยให้การออกแบบเป็นไปตามข้อกำหนดที่จำเป็นและมีความปลอดภัยในการใช้งานใน โรงพยาบาล เป็นต้น 15 3.3 คำนวณ การออกแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดขนาดพกพาต้องอาศัยการคำนวณ พลังงานความร้อนที่จำเป็น เพื่อ นำไปใช้ในการออกแบบ การคำนวณเหล่านี้มีจุดประสงค์เพื่ อ ตรวจสอบปริมาณพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ และการเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับการอุ่นเลือด โดยจะพิจารณาในหลายมิติ ไม่ว่าจะเป็นพลังงานความร้อนที่จำเป็นสำหรับการเพิ่มอุณหภูมิของเลือด พลังงานที่สูญเสียไปในรูปแบบของการแผ่รังสีความร้อน และการคำนวณเวลาในการอุ่น รวมไปถึงการ เลือกแผ่นความร้อนที่เหมาะสมเพื่อให้เกิดการอุ่นเลือดได้ตามความต้องการ 3.3.1 คำนวณพลังงานความร้อนสำหรับอุ่นถุงเลือด ในการออกแบบเครื่องอุ่นถุงเลือดขนาดพกพา จำเป็นต้องคำนวณปริมาณความร้อนและ อุณหภูมิที่เหมาะสมเพื่อใช้ในการอุ่นถุงเลือดอย่างปลอดภัย โดยเป้าหมายคือการควบคุมอุณหภูมิของ ถุงเลือดให้อยู่ที่ไม่เกิน 37°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ปลอดภัยสำหรับการใช้เลือดในทางการแพทย์ ถุงเลือดมาตรฐาน ISO 3826-1 [17] ขนาด 450 มิลลิลิตร มีขนาดบรรจุเลือด 400 มิลลิลิตร โดยความหนาแน่นของเลือดอยู่ที่ 1.060 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร [13] ทำให้มวลของเลือดในถุงเป็น 424 กรัม จากข้อมูลนี้ เราสามารถคำนวณปริมาณความร้อนที่จำเป็นสำหรับการอุ่นถุงเลือดได้ โดยใช้ สมการการถ่ายเทความร้อนพื้นฐาน อุณหภูมิที่ใช้ในการเก็บรักษาเม็ดเลือดแดงอยู่ในช่วง 2°C - 6°C [19] เพื่อรักษาคุณภาพของ เซลล์ ก่อนที่จะนำไปใช้งาน เม็ดเลือดแดงจะถูกอุ่นขึ้นจนถึงอุณหภูมิประมาณ 37°C - 39°C [20] ซึ่ง เป็นอุณหภูมิที่เหมาะสมและปลอดภัยสำหรับการถ่ายเลือดในทางการแพทย์ 1. การคำนวณพลังงานความร้อน (Heat Energy) จากสมการที่ (2-4) นำมาใช้ในการคำนวณพลังงานความร้อนสำหรับการเพิ่มอุณหภูมิของ เลือดจาก 2 °C ถึง 37 °C Q = m𝑐𝑝 ∆T = (0.45 x 4180) (37 - 2) Q = 65.835 KJ 2. การคำนวณ Heat Flow จากสมการพลังงานความร้อนที่คำนวณได้ในข้อ 1 และการแผ่รังสีในข้อ 2 เราสามารถ คำนวณการไหลของความร้อนต่อหน่วยเวลา (Q̇) ได้โดยใช้สมการ 16 (3-1) (3-2) Q Q̇ = ∆t โดยกำหนดเวลาที่ต้องการอุ่นเลือดอยู่ที่ 25 นาที หรือ 1,500 วินาที แทนค่าในสมการที่ (3-2) Q̇ = 65,835 = 43.89 W 1,500 ดังนั้นพลังงานความร้อนรวมที่ต้องการต่อเลือด 1 ถุง Q̇ รวม = 43.89 W 3. การคำนวณพลังงานความร้อน จากข้อกำหนดโครงการต้องทำการอุ่นถุงเลือด 2 ถุง จะต้องใช้พลังงานความร้อนรวม Q̇ รวม = 43. 89 × 2 W Q̇ รวม = 87. 78 W 4. การเลือกแผ่นความร้อน (Thermal Heat Plate) ในโครงงานนี้ได้เลือกใช้แผ่นความร้อน โดยแผ่นความร้อนที่ใช้จะเป็นแผ่นความร้อนของ 3D Printer Hot Bed Plate [25] ซึ่ ง แผ่ น ความร้ อ นนี้ จะมี ค วามต้า นทาน R=5.4 Ω และ แรงดันไฟฟ้า V= 24 V สามารถคำนวณพลังงานไฟฟ้าได้จากสมการ V2 Power = R (3-3) แทนค่าในสมการที่ (3-3) 242 Power = 5.4 = 106.67 W 5. จำนวนแผ่นความร้อนที่ต้องใช้ การหาจำนวนแผ่นให้ความร้อน เพื่อให้ได้พลังงานความร้อนที่ต้องการสำหรับถุงเลือด 2 ถุง สามารถคำนวณได้จากสมการ 87.78 𝑛 = 106.67 = 0.823 ≈ 1 แผ่น ดังนั้น ในการออกแบบเครื่องอุ่นถุงเลือดขนาดพกพา จะต้องใช้แผ่นความร้อน 1 แผ่นเพื่อให้ พลังงานความร้อนเพียงพอสำหรับการอุ่นถุงเลือดจำนวน 2 ถุง แต่เนื่องจากต้องการให้มีการกระจาย ความร้อนอย่างสม่ำเสมอ จึงทำการเพิ่มจำนวณแผ่นความร้อนทั้งหมดเป็น 2 แผ่น 17 3.4 Simulation การจำลอง (Simulation) นี้มีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์แนวโน้มการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิใน เบื้องต้น โดยเริ่มจากการออกแบบชิ้นงานในโปรแกรม SOLIDWORKS และนำแบบจำลองดังกล่าวมา จำลองในโปรแกรม ANSYS เมื่อได้ค่าการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้น จะสามารถคำนวณขนาดความจุ ของแบตเตอรี่ที่เหมาะสมและระยะเวลาการทำงานสูงสุดของระบบได้ 3.4.1 การตั้งค่าพารามิเตอร์ในการจำลอง ในขั้นตอนการจำลองได้มีการกำหนดวัสดุและเงื่อนไขการทำงานดังนี้ 1. แผ่นความร้อน (Heating Plate) กำหนดวัสดุเป็นอลูมิเนียม (Aluminum) 2. ถุงเลือดขนาดมาตรฐาน ISO 3826-1 [17] 450 มิลลิลิตร กำหนดเป็นของเหลวน้ำ (Water Liquid) 3. ช่องใส่ถุงเลือด กำหนดวัสดุเป็นสแตนเลสสตีล (Stainless Steel) โดยช่องใส่ถุงเลือดมีความ หนา 0.4 มิลลิเมตร ระบบเครื่องอุ่นเลือดออกแบบให้มีช่องสำหรับใส่ถุงเลือดที่ป้องกันการสัมผัสโดยตรงกับแผ่น ทำความร้อน โดยมีการเว้นระยะห่างระหว่างถุงเลือดกับผนังช่องใส่ที่ 3 เซนติเมตร โดยถุงเลือดจะถูก แขวนเพื่อไม่ให้สัมผัสกับแหล่งจ่ายความร้อนโดยตรง ในการจำลองใช้ฟังก์ชัน Transient Thermal เพื่อศึกษาพฤติกรรมการถ่ายเทความร้อนแบบ เชิงเวลา โดยกำหนดอุณหภูมิเริ่มต้นของถุงเลือดที่ 25°C [19] ความสามารถในการแผ่รังสีความร้อน (Thermal Radiation) ของสแตนเลสสตีลกำหนดไว้ที่ 0.6 [24] และของถุงเลือดกำหนดไว้ที่ 0.95 [23] โดยคำนวณในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิห้อง 25°C เป็นการถ่ายเทความร้อนแบบ Surface-toSurface Radiation การให้ความร้อนจากแผ่นทำความร้อนถูกตั้งค่าให้มีอัตราการจ่ายพลังงานความร้อน (Heat Flow) ที่ 100 วัตต์ ทั้งสองด้าน [25] โดยจะทำการจำลองจนกว่าอุณหภูมิของถุงเลือดจะเพิ่มขึ้นจนถึง 37°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต้องการ 3.4.2 เปรียบเทียบขนาดของถุงเลือด ตามมาตรฐาน ISO 3826-1 [17] ถุงเลือดมีขนาดมาตรฐานอยู่ที่ 150, 300, และ 450 มิลลิลิตร โดยเหตุผลที่เลือดถูกกำหนดให้มีคุณสมบัติทางกายภาพใกล้เคียงกับน้ำในกระบวนการ วิเคราะห์ เนื่องจากความหนาแน่นของเลือดและน้ำมีความใกล้เคียงกัน โดยความหนาแน่นของน้ำอยู่ 18 ที่ 1000 kg/m³ และความหนาแน่นของเลือดอยู่ที่ 1060 kg/m³ [13] สำหรับการคำนวณในการ จำลอง (Simulation) ความหนาของพลาสติกที่ใช้ผลิตถุงเลือด ซึ่งมีความบาง ถูกละเว้นไม่ให้นำมา พิจารณา จากผลการจำลอง (Simulation) ดั ง แสดงในรู ป ที่ 3.1 พบว่า ขนาดของถุ ง เลื อ ดมี ความสัมพันธ์กับระยะเวลาและพลังงานที่ใช้ในการทำให้อุณหภูมิของเลือดถึงเป้าหมาย โดยถุงเลือด ขนาดใหญ่จะใช้เวลามากขึ้นและต้องการพลังงานจากแบตเตอรี่มากกว่าถุงเลือดขนาดเล็ก ดังนี้ 1. ถุงเลือดขนาด 450 มิลลิลิตร ใช้เวลาสูงสุด 28 นาที และใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ 3,456 มิลลิแอมป์ชั่วโมง 2. ถุงเลือดขนาด 300 มิลลิลิตร ใช้เวลาสูงสุด 24 นาที และใช้พลังงาน 2,962 มิลลิแอมป์ชั่วโมง 3. ถุงเลือดขนาด 150 มิลลิลิตร ใช้เวลาสูงสุด 17 นาที และใช้พลังงาน 2,098 มิลลิแอมป์ชั่วโมง แม้ว่าถุงเลือดขนาดเล็กจะใช้พลังงานและเวลาละลายน้อยกว่าในจำนวนถุงเลือดที่เท่ากัน แต่ การเลือกใช้ถุงเลือดขนาด 450 มิลลิลิตรเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมมากที่สุด [28] เนื่องจากเป็นขนาดที่ มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในโรงพยาบาล และสามารถบรรจุเลือดได้มากที่สุดในหนึ่งรอบการใช้งาน ซึ่งช่วยลดจำนวนครั้งในการละลายเลือด ลดความซับซ้อนในกระบวนการ และเพิ่มประสิทธิภาพใน การใช้งาน รูปที่ 3.1 ภาพแสดงผลการส่งผ่านความร้อนของ (ซ้าย) ถุงเลือดขนาด 150 มิลลิลิตร, (กลาง) ถุงเลือด ขนาด 300 มิลลิลิตร, (ขวา) ถุงเลือดขนาด 450 มิลลิลิตร 3.4.3 เปรียบเทียบการจัดเรียงถุงเลือด หลังจากการจำลองการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer Simulation) เสร็จสิ้น ผลลัพธ์ที่ ได้ อ อกมาในรู ป ของค่า ฟลั ก ซ์ ค วามร้ อ น (Heat Flux) ซึ่ ง สามารถนำมาใช้ ใ นการคำนวณขนาด 19 แบตเตอรี่ที่เหมาะสมสำหรับเครื่องอุ่นเลือดได้ โดยในขั้นตอนนี้จะใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่ อยู่ที่ 24 โวลต์ (V) [25] เพื่อทำการคำนวณ จากสมการที่ (3-4) เป็นสมการหาค่าฟลักซ์ความร้อน (Heat Flux) q= Q A (3-4) โดยที่ Q คือ ความร้อนทั้งหมด (Heat Transfer) (W) A คือ พื้นที่ผิวที่แผ่นความร้อน (𝑚2) q คือ ค่าฟลักซ์ความร้อน (Heat Flux) (W / 𝑚2 ) สมการที่ (3-5) เป็นสมการที่ใช้คำนวณความจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่ในหน่วย mAh mAh = (Q × 1000) V (3-5) โดยที่ Q คือ ความร้อนของแผ่น (W) V คือ แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ (volt) mAh คือ หน่วยประจุไฟฟ้า (มิลลิแอมป์ชั่วโมง) ในการจำลองได้มีการศึกษาตำแหน่งการวางแผ่นความร้อนในรูปแบบที่แตกต่างกันเพื่อหาวิธี ที่มีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนมากที่สุด โดยมีการทดสอบการวางแผ่นความร้อนในสาม รูปแบบดังนี้ 1. การวางถุงเลือดแบบตั้งฉาก (Perpendicular Placement) ในกรณีการวางแผ่นความร้อนแบบตั้งฉากแสดงไว้ดังรูปที่ 3.2 ใช้เวลาในการทำงานสูงสุด 45 นาที เพื่อให้อุณหภูมิถึงเป้าหมายขนาดแบตเตอรี่ที่คำนสณได้สำหรับการใช้งานในรูปแบบ นี้อยู่ที่ 6,689.04 มิลลิแอมป์ชั่วโมงซึ่งเป็นเป็นขนาดที่ใ หญ่ที่สุดเมื่อเทียบกับรูปแบบอื่นๆ เนื่องจากต้องใช้พลังงานและเวลาในการทำงานมากที่สุด 2. การวางถุงเลือดแบบขนานซ้อนกัน (Parallel Stacking Placement) การวางแผ่นความร้อนแบบขนานซ้อนกันแสดงไว้ดังรูปที่ 3.3 ช่วยลดระยะเวลาในการ ทำงานลงเหลือเพียง 32 นาที ขนาดแบตเตอรี่ที่ต้องใช้ในรูปแบบนี้ลดลงเช่นกันโดยคำนวนได้ 20 ที่ 3,949.7 มิลลิแอมป์ชั่วโมงซึ่งแสดงให้เห็นว่ารูปแบบการวางนี้มีประสิทธิภาพดีกว่าแบบตั้ง ฉาก 3. การวางถุงเลือดแบบขนานไขว้กัน (Crossed Parallel Placement) การวางแผ่นความร้อนแบบขนานไขว้กันแสดงไว้ดังรูปที่ 3.4 เป็นวิธีที่ใช้พลังงานน้อย ที่สุดโดยใช้เวลาในการทำงานเพียง 28 นาทีและขนาดแบตเตอรี่ที่คำนวณได้คือ 3,456 มิลลิแอมป์ชั่วโมง ซึ่งเป็นขนาดเล็กที่สุดแสดงให้เห็นว่าการวางแผ่นความร้อนแบบขนานไขว้ กันเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการลดเวลาและการใช้พลังงาน รูปที่ 3.2 การวางถุงเลือดแบบตั้งฉาก รูปที่ 3.3 การวางถุงเลือดแบบขนานซ้อนกัน 21 รูปที่ 3.4 การวางถุงเลือดแบบขนานไขว้กัน จากการวิ เ คราะห์ ผ ลการจำลองพบว่า การวางแผ่ น ความร้ อ นในรู ปแบบขนานไขว้กัน (Crossed Parallel Placement) มีประสิทธิภาพสูงสุด เนื่องจากใช้เวลาและพลังงานน้อยที่สุด จึง ตัดสินใจเลือกใช้การวางแผ่นความร้อนในรูปแบบนี้สำหรับเครื่องอุ่นเลือด จากการทำ Simulation พบว่าเครื่องอุ่นเลือดต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีความจุ 4,000 มิลลิแอมป์ ชั่วโมง 3.5 การออกแบบขั้นต้น ในการออกแบบขั้ น ต้ น ของระบบควบคุ ม การละลายเลื อ ด พลาสมา เกล็ ด เลื อ ด มี องค์ประกอบหลักดังที่แสดงใน รูปที่ 3.1 ซึ่งประกอบด้วยส่วนสำคัญดังนี้ 1. แหล่งจ่ายไฟ: ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักที่ขับเคลื่อนการทำงานของระบบทั้งหมด 2. อุปกรณ์ระบบควบคุม: เป็นส่วนที่ทำหน้าที่ควบคุมและสั่งการการทำงานของระบบทั้งหมด รวมถึงการรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์และการสั่งการให้อุปกรณ์ต่างๆ ทำงานตามที่กำหนด 3. ผู้ใช้งาน: โดยทั่วไปเป็นบุคลากรทางการแพทย์ที่ทำการตั้งค่าอุณหภูมิและระยะเวลาที่ ต้องการสำหรับการละลายเลือดหรือพลาสมา 4. อุปกรณ์ให้ความร้อน: ใช้สำหรับควบคุมและรักษาอุณหภูมิของเลือดหรือพลาสมาให้คงที่ตาม ที่ตั้งค่าไว้ 5. เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ: ทำหน้าที่ตรวจวัดอุณหภูมิของเลือดหรือพลาสมาอย่างต่อเนื่อง และส่ง ข้อมูลไปยังอุปกรณ์ระบบควบคุมเพื่อการปรับปรุงการทำงาน 22 ขั้นตอนการทำงานของระบบตามที่แสดงใน รูปที่ 3.1 มีดังนี้ 1. ผู้ใช้งานตั้งค่าอุณหภูมิและระยะเวลาที่ต้องการผ่านอุปกรณ์ระบบควบคุม ซึ่งเป็นขั้นตอน แรกในการเริ่มต้นกระบวนการ 2. อุปกรณ์ระบบควบคุมจะสั่งการให้อุปกรณ์ให้ความร้อนทำงานเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของเลือด หรือพลาสมา 3. ขณะที่เลือดหรือพลาสมากำลังอุ่นขึ้น เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิจะตรวจวัดอุณหภูมิและส่ง ข้อมูลกลับไปยังอุปกรณ์ระบบควบคุม 4. อุปกรณ์ระบบควบคุมจะปรับการทำงานของอุปกรณ์ให้ความร้อนตามข้อมูลที่ได้รับจาก เซ็นเซอร์ เพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับที่กำหนด 5. กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าจะครบกำหนดเวลาที่ตั้งไว้ หรือจนกว่าผู้ใช้งานจะ สั่งหยุดการทำงาน การเชื่อมโยงองค์ประกอบเหล่านี้ตามที่แสดงใน รูปที่ 3.5 ช่วยให้เห็นภาพรวมของการทำงาน ของระบบ และแสดงให้เห็นถึงการเชื่อมต่อของแต่ละส่วนในกระบวนการออกแบบขั้นต้นนี้อย่า ง ชัดเจน 23 แหล่งจ่ายไฟ ตั้งค่าอุณหภูมิ ผู้ใช้งาน พลังงาน และเวลา อุปกรณ์ระบบควบคุม สั่งทำงาน การถ่ายโอนความร้อน ถุงเลือด สัญญาณหรือข้อมูลอุณหภูมิที่ได้จากเซ็นเซอร์ อุปกรณ์ให้ความร้อน อุณหภูมิ เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ รูปที่ 3.5 แผนภาพการทำงานเบื้องต้นของระบบละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือด 24 3.5.1 การออกแบบระบบควบคุมอุณหภูมิ ในการออกแบบระบบควบคุมอุณหภูมิสำหรับการละลายเลือดและพลาสมา อุณหภูมิของถุง เลือดจะถูกควบคุมผ่านการปรับสภาพแวดล้อมรอบถุง โดยใช้แผ่นความร้อนเป็น ตัวถ่ายเทความร้อน เข้าสู่สภาพแวดล้อม ทำให้อุณหภูมิของเลือดค่อยๆ เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่สามารถติดตั้ง เซ็นเซอร์ภายในถุงเลือดได้ การควบคุมจะพิจารณาเฉพาะอุณหภูมิรอบถุงเลือดเท่านั้น ระบบนี้ ประกอบด้วย 1. แหล่งจ่ายไฟ (Power Supply): ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักที่ใช้ในการขับเคลื่อน อุป กรณ์ทั้งหมดในระบบ โดยจ่ายพลังงานให้กับ Linear Amplifier และแผ่นความร้อน (Heat Plate) เพื่อควบคุมอุณหภูมิในการละลายเลือด 2. ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Arduino): Arduino ทำหน้าที่เป็นหน่วยควบคุมหลักของระบบ ซึ่งจะ รับข้อมูลอุณหภูมิจากเซ็นเซอร์และประมวลผลเพื่อควบคุมการทำงานของแผ่นความร้อน โดยมีการสั่งการไปยัง Linear Amplifier เพื่อควบคุมการเพิ่มหรือลดอุณหภูมิ 3. เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ (Thermocouple): ทำหน้าที่ตรวจวัดอุณหภูมิข องสภาพแวดล้อมใน พื้นที่ให้ความร้อน และส่งข้อมูลไปยังโมดูล MAX6675 เพื่อแปลงข้อมูล อุณหภูมิให้ เป็น สัญญาณดิจิทัลที่ Arduino สามารถประมวลผลได้ 4. โมดูล MAX6675 [17]: เป็นตัวเชื่อมระหว่างเซ็นเซอร์ Thermocouple และ Arduino ซึ่ง ทำหน้าที่แปลงสัญญาณจากเทอร์โมคัปเปิลที่เป็นสัญญาณอนาล็อกให้เป็นข้อมูลดิจิทัล ก่อน ส่งไปยัง Arduino เพื่อประมวลผลและควบคุมอุณหภูมิในระบบ 5. แผ่ น ความร้ อ น (Heat Plate): เป็ น อุ ป กรณ์ ที่ ใ ห้ ค วามร้ อ นแก่ เ ลื อ ดหรื อ พลาสมาและ สภาพแวดล้อมผ่านการแผ่รังสีความร้อน โดยควบคุมการทำงานผ่าน Linear Amplifier เพื่อ ปรับระดับพลังงานที่จ่ายให้กับแผ่นความร้อนตามคำสั่งจาก Arduino 6. แอมพลิฟายเออร์เชิงเส้น (Linear Amplifier): ทำหน้าที่ขยายสัญญาณกำลังไฟฟ้าที่ส่งมา จาก Arduino เพื่อให้เพียงพอในการขับเคลื่อนแผ่นความร้อน ซึ่งต้องการพลังงานมากกว่าที่ Arduino สามารถจ่ายได้ ในการทำงานของระบบ ข้อมูลอุณหภูมิจากเซ็นเซอร์ Thermocouple ที่ถูกติดตั้งไว้บริเวณ ถุงเลือด กับแผ่นความร้อน จะถูกส่งไปยัง MAX6675 จากนั้น MAX6675 จะส่งข้อมูลดิจิทัลไปยัง Arduino เพื่อประมวลผล หากพบว่าอุณหภูมิยังไม่ถึงค่าที่กำหนด Arduino จะส่งสัญญาณควบคุมไป 25 ยัง Linear Amplifier เพื่อจ่ายพลังงานให้กับแผ่นความร้อนตามความต้องการ จนกว่าอุณหภูมิของ สถาพแวดล้อมจะถึงค่าที่ผู้ใช้งานตั้งไว้ ดังที่แสดงไว้ใน รูปที่ 3.6 แหล่งพลังงาน ตัวควบคุมวงจร ตัวขยายกำลัง ตัววัดอุณหภูมิ แผ่นความร้อน ตัววัดอุณหภูมิ ถุงเลือด MAX6675 ตัวขยายกำลัง แผ่นความร้อน ตัววัดอุณหภูมิ MAX6675 MAX6675 รูปที่ 3.6 แผนภาพการทำงานเบื้องต้นของระบบควบคุมอุณหภูมิของเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือด 26 3.6 แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ในขั้นตอนการพัตนาเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือด การควบคุมอุณหภูมิถือเป็นปัจจัย สำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของการอุ่นถุงเลือดการแพทย์ที่จำเป็นต้องรักษาอุณหภูมิไว้ที่ 37°C ใน การออกแบบระบบควบคุมจำเป็นมีสมการระบบจะทำการควบคุม ซึ่งในที่นคี่ืออุณหภูมิของอากาศ ภายในเครื่องต้นแบบ ซึง่ ในหัวข้อนี้จะทำเสนอการหาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบ 3.6.1 สมการทางคณิตศาสตร์ของแผ่นความร้อน การสร้างสมการทางคณิตศาสตร์ของแผ่นความร้อนเป็นกระบวนการสำคัญสำหรับ การ อธิบายและวิเคราะห์พฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในแผ่นความร้อนในแรงดันไฟฟ้าต่างๆ เพื่อช่วยให้สามารถเข้าใจและออกแบบระบบควบคุมได้อย่างแม่นยำ ในขั้นตอนการออกแบบสมการทางคณิตศาสตร์ของแผ่นความร้อนจะทำการพิจารณากับ ข้อมูลที่ได้เก็บรวบรวมมาจากการทดสอบกับ Heat bed MK3 ที่ถูกล้อมรอบด้วยฉนวนกันความร้อน PE Foam และทำการติดตั้ง Thermocouple ไว้บริเวณกึ่งกลางของ Heat bed MK3 ดังรูปที่ 3.7 รูปที่ 3.7 การติดตั้ง Heat bed ฉนวนกันความร้อน และ Thermocouple 3.6.1.1 ขั้นตอนการเก็บรวบรวมข้อมูล ในขั้นตอนการรวบรวมข้อมูลเพื่อนำไปพัฒนาสมการทางคณิตศาสตร์ของแผ่นความร้อน จะ ดำเนินการจ่ายแรงดันไฟฟ้าในค่าคงที่ที่ระดับ 5V, 12V และ 18V ตามลำดับ โดยจะบันทึกข้อมูล อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตามช่วงเวลาในแต่ละระดับแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ดังที่แสดงไว้ในรูปที่ 3.8 27 รูปที่ 3.8 แสดงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของ Heat plate 3.6.1.2 การคำนวนสมการทางคณิตศาสตร์ จากผลการเก็บรวบรวมข้อมูลจะเห็นได้ว่ามีลักษณะเป็นสมการการอนุพันธ์ลำดับที่ 1 ทำให้ Transfer Function [36] มีลักษณะดังสมการที่ (3-6) (3-6) K G(s) = τs+ 1 โดยที่ K คือ ค่า แสดงถึงสัดส่วนการเปลี่ยนแปลงของ output เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของ input 𝜏 คือ เวลาที่ผลตอบสนองมีค่าเท่ากับ 63% ของค่าที่ steady state ในแต่ละช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ได้ทำการเก็บรวบรวมข้อมูลมาพบว่า ในแต่ละช่วงแรงดันไฟฟ้ามี ค่า 𝜏 และ K ดังตารางที่ 3.1 ตารางที่ 3.1 ตารางแสดงค่า 𝜏 และ K (gain) ของ Heat plate transfer function Input (V) 5 12 18 K 7.74 6.35 6.06 28 τ (sec) 1,204 993 1,064 ทำให้ทราบได้ว่า Transfer Function ของระบบ τ มี ค่า 1027, SD 29.06 และ K มีค่า 6.72 SD 0.73 ส่งผลให้ Transfer Function ของระบบมีลักษณะดังสมการที่ (3-8) 6.72 (3-8) G(s) = 1027s+ 1 (ก) (ข) (ค) รูปที่ 3.9 การเปรียบเทียบระหว่างค่า output ที่ได้จาก transfer function และการทดลอง (ก) 5V, (ข) 12V, (ค) 18V 3.6.2 การหา Transfer function จาก PID Tuning Toolbox การหา Transfer Function โดยใช้ PID Tuning Toolbox ใน MATLAB เป็ น การสร้า ง โมเดลทางคณิตศาสตร์ที่แสดงพฤติกรรมของระบบ โดยใช้การออกแบบและปรับจูนตัวควบคุม PID บนพื้นฐานของโมเดลที่มีอยู่ เช่น ฟังก์ชันถ่ายโอนหรือสมการที่อธิบายระบบ PID Tuning Toolbox ช่วยให้วิเคราะห์ระบบผ่านการปรับค่าของตัวควบคุม PID เพื่อให้ ระบบตอบสนองได้ตามที่ต้องการ โดยในการทดลองนี้จะใช้ในการปรับค่าของตัวควบคุม PI เช่น ลด เวลาในการเข้าสู่สถานะคงตัว หรือปรับให้ระบบมีความเสถียร ฟังก์ชันถ่ายโอนที่ได้จากกระบวนการนี้ สามารถใช้ในการวิเคราะห์เพิ่มเติม เช่น การออกแบบระบบควบคุม หรือการพัฒ นาระบบให้มี ประสิทธิภาพมากขึ้น ในงานวิจัย หากต้องการศึกษาพฤติกรรมของระบบ เช่น การตอบสนองของอุณหภูมิน้ำในถุง เลือดต่อพลังงานความร้อน การใช้ PID Tuning Toolbox จะช่วยจำลองพฤติกรรมระบบและสร้าง ฟังก์ชันถ่ายโอนที่ใช้ในการอธิบายหรือปรับปรุงระบบดังกล่าวได้ การใช้ PID Tuning Toolbox เป็น วิธีที่ช่วยในการวิเคราะห์และสร้างโมเดลของระบบ โดยฟังก์ชันถ่ายโอนที่ได้จะช่วยให้เข้าใจพฤติกรรม การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของของน้ำที่อยู่ภายในถุงเลือดเมื่อได้รับพลังงานความร้อนจากอากาศที่อยู่ 29 ภายในกล่อง ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการออกแบบและปรับปรุ งระบบของเครื่องอุ่นถุงเลือด พลาสมา และเกล็ดเลือดต่อไป แสดงขั้นตอนในการหาได้ดังนี้ หลังจากรวบรวมผลการทดลองและจัดเก็บข้อมูลในรูปแบบไฟล์ Excel แล้ว ได้นำข้อมูล ดังกล่าวมาเขียนโค้ดในโปรแกรม MATLAB โดยระบุค่าตัวแปรในแต่ละคอลัมน์ ได้แก่ เวลา อุณหภูมิ อากาศ และอุณหภูมิน้ำ จากนั้นใช้แอปพลิเคชัน System Identification เพื่อกำหนดค่า Input, Output และ Sample Time พร้อมทั้งทำการพล็อตกราฟในโดเมนเวลา (Time Domain) ต่อมา เลือกใช้แบบจำลอง Transfer Function Model โดยกำหนดจำนวน Pole เป็น 1 และ Zero เป็น 0 ซึ่งเป็นลักษณะของสมการลำดับที่ 1 เมื่อได้ Transfer Function แล้ว จึงนำไปใช้งานต่อในโปรแกรม Simulink โดยสร้าง Block Diagram ซึ่งประกอบด้วย Block ต่างๆ ได้แก่ Step, Sum, PID Tuner, Transfer Function และ Scope จากนั้นนำ Transfer Function ที่ได้จาก MATLAB มาใส่ใน Block Transfer Function ใน Simulink แล้วไปที่ Block PID Tuner เพื่อเลือกประเภทของคอนโทรลเลอร์ เป็น PI ในส่วนของ Select Tuning Method ให้เลือกเป็น Transfer Function Based จากนั้นกด ปุ่ม Tune เพื่อปรับค่าการตอบสนอง โดยสามารถเลื่อนปรับค่า Response Time และ Transient Behavior ตามต้องการ พร้อมสังเกตผลลัพธ์จากกราฟที่แสดงการตอบสนองของระบบ โดยค่าของ k p และ k i ที่เหมาะสมจะปรากฏด้านล่างกราฟ ซึ่งสามารถนำไปใช้งานกับระบบควบคุมต่อไปได้ รูปที่ 3.10 การต่อ Block Diagram รูปที่ 3.11 กราฟที่ได้จากการปรับค่าพารามิเตอร์ 30 3.7 ขั้นตอนการทำงาน ทางผู้จัดทำได้จัดทำระบบควบคุมอุณหภูมิที่เป็นระบบที่ใช้เซนเซอร์ในการตรวจจับอุณหภูมิ และสามารถกำหนดอุณหภูมิเป้าหมายได้โดยใช้ปุ่มกดต่างๆ ระบบจะประมวลผลค่าอุณหภูมิที่อ่านได้ เพื่อนำไปคำนวณพลังงานที่ต้องใช้ในการปรับอุณหภูมิให้อยู่ในค่าที่กำหนด นอกจากนี้ ระบบยังมีการ แสดงผลสถานะผ่าน LED และสามารถปรับกำลังไฟที่จ่ายให้ระบบได้ตามความต้องการ กระบวนการ ทำงานของระบบสามารถแบ่งได้เป็น 2 รูปแบบตามความต้องการของผู้ใช้ ดังนี้ 3.7.1 การควบคุมแบบตั้งเวลา การควบคุมผ่านเวลาเป็นกระบวนการรักษาอุณหภูมิของอากาศให้อยู่ในค่าที่กำหนดเป็น ระยะเวลาตามที่ผู้ใช้ต้องการ ผู้ใช้สามารถเลือกใช้โหมดควบคุมนี้ได้โดยกดปุ่มสีแดงเมื่อเครื่องเริ่ม ทำงาน ระบบจะดำเนินการตามขั้นตอนดังนี้ เมื่อระบบเริ่มต้นทำงาน อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไฟ LED ปุ่มกด หน้าจอแสดงผล และเซนเซอร์ อุณหภูมิจะถูกกำหนดค่าเริ่มต้น จากนั้นผู้ใช้สามารถตั้งค่าอุณหภูมิและเวลาที่ต้องการผ่านปุ่มกด โดย ปุ่มสีเขียวใช้เพิ่มค่าอุณหภูมิเป้าหมายหรือเวลา ปุ่มสีแดงใช้ลดค่าอุณหภูมิเป้าหมายหรือเวลา และปุ่ม สีเหลืองใช้ยืนยันค่าที่ตั้งไว้ โดยข้อมูลการตั้งค่าจะถูกแสดงบนหน้าจอ LCD จนกว่าจะทำการกดปุ่ม ยืนยัน เมื่อผู้ใช้กำหนดค่าเสร็จ ระบบจะควบคุมอุณหภูมิของอากาศผ่านแผ่นความร้อนโดยใช้ PI Controller [33] เพื่อรักษาอุณหภูมิให้ใกล้เคียงกับค่าที่ตั้งไว้ และเมื่อถึงเวลาที่กำหนด ระบบจะหยุด จ่ายไฟให้กับแผ่นความร้อน อุณหภูมิจะถูกแสดงผ่านหน้าจอ LCD ขณะเดียวกัน ระบบจะเปิดไฟ LED สีแดงเพื่อแสดงว่ากำลังอ่านค่าอุณหภูมิจากเซนเซอร์ และหากค่าที่อ่านได้มากกว่าหรือเท่ากับค่าที่ กำหนด ระบบจะเปิดไฟ LED สีเขียวเพื่อแสดงว่าสภาวะอุณหภูมิอยู่ในระดับที่เหมาะสม 3.7.2 การควบคุมแบบคำนวณปริมาณความร้อน การควบคุมผ่านพลังงานเป็นกระบวนการปรับอุณหภูมิของอากาศโดยใช้ปริมาณพลังงานที่ เหมาะสมตามค่าที่ตั้งไว้ แบ่งเป็น 2 ช่วงคือ ช่วง Heat-up และช่วงต่อมาคือช่วง PI Control โดย ในช่วง Heat – up ระบบจะคำนวณและจ่ายพลังงานให้กับแผ่นความร้อนตามค่าที่กำหนดเพื่อให้ สามารถรักษาอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพ ต้องการ ผู้ใช้สามารถเลือกใช้โหมดควบคุมนี้ได้โดยกด ปุ่มสีเขียวเมื่อเครื่องเริ่มทำงาน การทำงานของระบบจะมีขั้นตอนดังนี้ 31 เมื่อระบบจะเริ่มต้นทำงานโดยกำหนดค่าเริ่มต้นให้กับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไฟ LED ปุ่มกด หน้าจอแสดงผล และเซนเซอร์อุณหภูมิ จากนั้นระบบจะอ่านค่าอุณหภูมิเริ่มต้นจากเซนเซอร์เพื่อ นำมาใช้เป็นข้อมูลพื้นฐานในการคำนวณพลังงานที่ต้องใช้สำหรับควบคุมอุณหภูมิ เมื่อได้รับ ค่า อุณหภูมิเริ่มต้นแล้ว ระบบจะนำค่าที่อ่านได้ไปคำนวณพลังงานที่ต้องใช้ในการปรับอุณ หภูมิให้อยู่ ในช่วงที่กำหนด หากอุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่าค่าที่กำหนด ระบบจะดำเนินการปรับอุณหภูมิให้เหมาะสม โดยการจ่ายพลังงานตามค่าที่คำนวณได้ ระบบยังมีฟังก์ชันให้ผู้ใช้สามารถกำหนดอุณหภูมิเป้าหมายได้ผ่านปุ่มกด โดยเมื่อเครื่องเริ่ม ทำงานหรือกดปุ่มสีเหลืองค้างเป็นเวลา 3 วินาที ระบบจะเข้าสู่โหมดตั้งค่า ซึ่งการควบคุมอุณหภูมิจะ ถูกหยุดลง จากนั้นหากผู้ใช้กดปุ่มสีแดง อุณหภูมิเป้าหมายจะลดลง และหากกดปุ่มสีเขียว อุณหภูมิ เป้าหมายจะเพิ่มขึ้น และเมื่อกดปุ่มสีเหลืองอีกครั้ง ระบบจะกลับเข้าสู่โหมดควบคุมอุณหภูมิ ขณะทำการควบคุมอุณหภูมิ ระบบจะอ่านค่าอุณหภูมิและนำค่าที่ได้ไปคำนวณพลังงานที่ต้อง ใช้ผ่านสมการที่กำหนดเพื่อควบคุมการทำงานของระบบจ่ายพลังงาน หากพลังงานที่มีอยู่ในระบบมีค่า น้อยกว่าพลังงานที่ต้องใช้ ระบบจะเปิดโหมดจ่ายพลังงานเต็มกำลังเพื่อรักษาอุณหภูมิเป้าหมาย ใน กรณีที่พลังงานที่มีอยู่มากกว่าหรือเท่ากับพลังงานที่ต้องใช้ ระบบจะคำนวณและจ่ายพลังงานให้ เหมาะสมแก่แผ่นความร้อนผ่าน PI Controller [33] ระหว่างการควบคุมอุณหภูมิ ระบบจะบันทึกและแสดงค่าอุณหภูมิที่วัดได้ผ่านหน้าจอ LCD พร้อมกับเปิดไฟ LED สีแดงเพื่อแสดงว่ากำลังอ่านค่าอุณหภูมิจากเซนเซอร์ หากค่าที่อ่านได้มากกว่า หรือเท่ากับค่าที่กำหนด ระบบจะเปิดไฟ LED สีเขียวเพื่อแสดงว่าสภาวะอุณหภูมิอยู่ในระดับ ที่ เหมาะสม แต่เมื่อเข้าสู่โหมดตั้งค่า หน้าจอ LCD จะแสดงอุณหภูมิเป้าหมายแทน 3.8 ขั้นตอนการสร้างต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา 3.8.1 ขั้นตอนการต่อวงจร 1. เชื่อมต่อ Power Supply โดย 1.1 ต่อขั้วบวกและขั้วลบของ Power Supply เข้ากับบอร์ดขับมอเตอร์ Cytron MD10C-R3 จำนวน 2 บอร์ด 2. ต่อสาย PWM และ DIR จากบอร์ดขับมอเตอร์เข้ากับ Arduino Mega 2560 เพื่อควบคุมความเร็ว และทิศทางของมอเตอร์ 3. เชื่อมต่อ MAX6675 สำหรับวัดอุณหภูมิ 32 3.1 โมดูล MAX6675 มี 5 ขา ได้แก่ VCC, GND, SCK, CS และ SO 3.2 ขา VCC, GND, SCK และ SO ของทุกโมดูลถูกต่อรวมกันเป็นสายเดียว 3.3 ขา CS ของแต่ละโมดูลเชื่อมต่อแยกกันเพื่อป้องกันการชนกันของข้อมูล 4. ติดตั้ง Thermocouple วัดอุณหภูมิใน 3 ตำแหน่ง 4.1 แผ่นความร้อน: วัดอุณหภูมิของแผ่นให้ความร้อน 4.2 กลางกล่อง: วัดอุณหภูมิของอากาศภายในเครื่อง 4.3 ภายในถุงเลือด: วัดอุณหภูมิของน้ำในถุงเลือด 5. เชื่อมต่อจอแสดงผลและอุปกรณ์ควบคุม โดยเชื่อมต่อจอ LCD กับ Arduino Mega 2560 เพื่อ แสดงอุณหภูมิและสถานะการทำงานของเครื่อง 6. ติดตั้งไฟ LED เพื่อแสดงสถานะระบบ รูปที่ 3.13 การประกอบกล่องสำหรับแผงวงจรควบคุม รูปที่ 3.12 การประกอบแผงวงจรควบคุม 33 3.8.2 การสร้างเครื่อง ในการดำเนินการสร้างต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา ได้ ดำเนินการตามขั้นตอนดังต่อไปนี้ 1. ศึกษาข้อมูลและมาตรฐาน ทำการศึกษาคุณสมบัติและมาตรฐานของเครื่องอุ่นเลือดที่มีอยู่ใน ปัจจุบัน เพื่อนำมาวิเคราะห์และออกแบบเครื่องต้นแบบให้เหมาะสมกับการใช้งานจริง 2. คัดเลือกเลือกวัสดุที่สามารถให้ความร้อนอย่างเหมาะสม ควบคุมอุณหภูมิได้แม่นยำ และมีความ ปลอดภัยต่อเลือดและส่วนประกอบของเลือด 3. กระบวนการประกอบเครื่องต้นแบบ 3.1 ตัดอะลูมิเนียมโปรไฟล์ตามขนาดที่ออกแบบไว้ 3.2 ใช้ Bracket และน็อตในการประกอบโครงอะลูมิเนียมให้เป็นกล่องสี่เหลี่ยมสำหรับติดตั้ง 3.3 ติดตั้งแผงวงจรที่เชื่อมต่อไว้ล่วงหน้า 3.4 ประกอบโครงอะลูมิเนียมเพิ่มเติมเพื่อติดตั้งแผ่นให้ความร้อนบนตัวเครื่อง 3.5 ใช้คลิปดำในการยึดติดแผ่นให้ความร้อน 3.6 ติดตั้งตะขอแขวนถุงเลือด 3.7 ตัดอะคริลิคเป็นแผ่นสี่เหลี่ยม 6 ชิ้นเพื่อใช้เป็นกล่องครอบตัวเครื่อง 3.8 ตัดและติดฉนวน Polyurethane โฟมเข้ากับแผ่นอะคริลิคเพื่อช่วยรักษาอุณหภูมิ 4. ทดสอบการทำงานของเครื่องต้นแบบ รูปที่ 3.14 แสดงเครื่องต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา 34 บทที่ 4 ผลการทดลอง ในบทนี้นำเสนอการทดลองการควบคุมอุณหภูมิของถุงเลือด โดยใช้น้ำแทนเลือดในการ ทดลอง เพื่อความสะดวกและปลอดภัยในการศึกษาการรักษาอุณหภูมิ เริ่มจากการกำหนดค่าพลังงาน ไฟฟ้าที่เหมาะสมสำหรับแผ่นความร้อน และทดสอบระบบในสภาวะต่างๆ เพื่อวิเคราะห์พฤติกรรม และปรับค่าพารามิเตอร์ของตัวควบคุม โดยใช้ PI Controller ในการรักษาอุณหภูมิของอากาศให้คงที่ ซึ่งผลการทดลองแสดงถึงประสิทธิภาพของระบบในการควบคุมอุณหภูมิ ให้ถึงอุณหภูมิเป้าหมายและ ลดระยะเวลาการปรับอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพ 4.1 ผลของอุณหภูมิภายในกล่องจากการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ต่างกัน ทางผู้จัดทำได้ทำการทดลองเพื่อวิเคราะห์ว่า เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าในระดับที่แตกต่าง กัน จะส่งผลต่ออุณหภูมิภายในกล่องอย่างไร ซึ่งในการทดลองนี้ได้กำหนดค่าของแรงดันไฟฟ้าที่ แตกต่างกันหลายค่า แล้วทำการวัดอุณหภูมิภายในกล่องเป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจึงนำค่าที่ได้มา วิเคราะห์ โดยพิจารณาทั้งอัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและเสถียรภาพของอุณหภูมิเมื่อเวลา ผ่านไป ในการปรับค่าแรงดันไฟฟ้าเพื่อให้ได้อุณหภูมิที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ข้อมูลที่ถูกต้องและสามารถ นำไปใช้งานได้จริง ได้มีการกำหนดรูปแบบการทดลองดังนี้ 1. ทำการทดลองโดยจ่ายแรงดันไฟฟ้าในระดับที่แตกต่างกัน เช่น 3V, 5V, 7V, 9V, 12V, 15V, 18V และ 24V 2. ทำการวัดอุณหภูมิ โดยใช้เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่ติดตั้งในตำแหน่งต่างๆ ภายในเครื่อง 3. เก็บผลของข้อมูลค่าอุณหภูมิด้วยโปรแกรม Excel 4. นำค่าที่วัด ได้ มาพล็ อตกราฟในโปรแกรม MATLAB เพื่อดูแ นวโน้ม ของอุ ณ หภู มิ เ พื่ อ วิเคราะห์ผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันต่อพฤติกรรมของอุณหภูมิภายในกล่อง แสดงดังรูปที่ 4.1 35 รูปที่ 4.1 แสดงอุณหภูมิแผ่นความร้อนและอุณหภูมิภายในกล่องที่จ่ายไฟด้วยแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่าง กัน ซึ่งจากผลการทดลองพบว่าเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น อุณหภูมิภายในกล่องมี แนวโน้มเพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วย นอกจากนี้ความเร็วในการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิก็เพิ่มขึ้น และจาก การทดลองนี้ทำให้ทราบว่าหากจ่ายแรงดันไฟฟ้าในระดับสูง อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าเมื่อเที ยบกับ แรงดันไฟฟ้าต่ำ ซึ่งในทางกลับกันหากลดแรงดันไฟฟ้าลง อุณหภูมิภายในกล่องจะเพิ่มขึ้นช้าลง หรือ อาจคงที่หากแรงดันไฟฟ้าต่ำเกินกว่าที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ดังนั้นจากการ ทดลองสามารถสรุปได้ว่า แรงดันไฟฟ้ามีผลโดยตรงต่ออุณหภูมิภายในกล่อง ซึ่งเป็นข้อ มูลที่สำคัญ สำหรับการควบคุมอุณหภูมิในระบบที่ต้องการความแม่นยำ 36 4.2 การทดลองควบคุมอุณหภูมิของอากาศภายในกล่องด้วย PI Controller ในการทดลองนี้ทางผู้จัดทำได้ทำการปรับค่าพารามิเตอร์ kp (ค่าขยายของตัวควบคุมสัดส่วน) และ ki (ค่าขยายของตัวควบคุมอินทิกรัล) เพื่อศึกษาผลกระทบต่อประสิทธิภาพของระบบควบคุม โดยมีเป้าหมายเพื่อแสดงให้เห็นว่าระบบสามารถตอบสนองและรักษาสมดุลได้อย่างเหมาะสม ซึ่งการทดลองนี้เกี่ยวข้องกับการเก็บข้อมูลผลลัพธ์ที่ได้จากการปรับค่าดังกล่าว เพื่อนำมา วิเคราะห์ว่าการเปลี่ยนแปลงของค่า kp และ ki ส่งผลต่อพฤติกรรมของระบบอย่างไร เช่น ความเร็ว ในการตอบสนอง ความเสถียร และความสามารถในการลดข้อผิดพลาด ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยให้ เราปรับแต่งระบบควบคุมให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ดังนั้นการทดลองนี้จึงช่วยให้เข้าใจ หลักการทำงานของตัวควบคุม และแสดงให้เ ห็นถึงแนวทางในการเลือกค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสม เพื่อให้ระบบสามารถทำงานได้อย่างถูกต้องและเสถียรภายใต้สภาวะต่างๆ แสดงได้ดังรูปที่ 4.2 รูปที่ 4.2 แสดงการทดลองควบคุมอุณหภูมิของอากาศภายในกล่อง 37 4.3 การทดลองควบคุ ม อุณ หภู มิ ข องถุง เลือ ดด้ วยการทดลองโดยใช้ PI controller ควบคุ ม อุณหภูมิของอากาศภายในกล่อง โดยตั้งเวลาไว้ 30 นาที การทดลองนี้มีเป้าหมายเพื่อควบคุมอุณหภูมิ อากาศภายในกล่อง รวมถึงสามารถตั้งค่าเวลา ในการอุ่นถุงเลือดไว้ที่ 30 นาที โดยใช้ตัวควบคุมแบบ PI Controller และส่งค่าควบคุมไปยังมอเตอร์ ที่ทำหน้าที่ควบคุมระบบทำความร้อน เพื่อแสดงการเลือกใช้การควบคุมให้เหมาะสม สมการที่ใช้ใน กระบวนการควบคุมคือ U = K p e(t) + K i ∫ e(t) dt (4.1) e(t) = Tsp − TPV (4.2) โดยที่ U คือ เป็นค่าที่คำนวณได้จาก PI Controller ซึ่งช่วยปรับค่าควบคุมให้เหมาะสม e(t) คือ ค่าความคลาดเคลื่อน Tsp คือ ค่าอุณหภูมิที่ต้องการ TPV คือ ค่าอุณหภูมิที่วัดได้ โดยมีการแสดงขั้นตอนของการควบคุมอุณหภูมิได้ดังนี้ 1. ตั้งค่าเวลาในการทดลองไว้ที่ 30 นาที และ ตัง้ อุณหภูมิที่ตั้งไว้ ( Set point ) ของอากาศ ไว้ที่ 37 °C 2. การอ่านค่าอุณหภูมิจะใช้ Thermocouple ในการอ่านค่าของอุณหภูมิซึ่งค่าที่อ่านได้จะ ถูกนำไปเทียบกับอุณหภูมิที่ตั้งไว้ โดยในการทดลองนี้อุณหภูมิที่ใช้ในการ feed back คือ อุณหภูมิของอากาศภายในกล่อง 3. การคำนวณค่า uPI จาก PI Controller [33] ประกอบด้วยสองส่วนหลัก ได้แก่ ส่วน P คำนวณตามค่า ความคลาดเคลื่ อ น และส่ ว น I คำนวณจากผลรวมของค่า ความ คลาดเคลื่อนในช่วงเวลาที่ผ่านมา 4. ค่าคำนวณที่ได้จาก PI Controller จะถูกใช้ในการกำหนดระดับพลังงานของมอเตอร์ที่ ทำหน้าที่ควบคุมระบบทำความร้อนโดย 38 e(t) < 0 แสดงว่าอุณหภูมิจริงยังต่ำกว่าที่ต้องการระบบต้องให้ความร้อนเพิ่ ม โดย คำนวณค่าควบคุมที่ใช้ส่งไปยังมอเตอร์ให้ทำงาน e(t) > 0 แสดงว่าอุณหภูมิจริงสูงเกินไประบบต้องลดความร้อน โดยการคำนวณ ค่าควบคุม 5. เมื่อถึงเวลาที่กำหนดระบบสั่งมอเตอร์หยุดทำงาน 6. เก็บผลการทดลองโดยโปรแกรม Excel 7. นำค่าที่วัดได้มาพล็อตกราฟในโปรแกรม MATLAB เพื่อดูแนวโน้มของอุณหภูมิ เพื่อ วิเคราะห์การทดลองโดยใช้ PI control อุณหภูมิอากาศภายในกล่องแสดงดังรูปที่ 4.3 รูปที่ 4.3 แสดงการทดลองใช้ PI control อุณหภูมิของอากาศภายในกล่อง 39 รูปที่ 4.4 แสดงค่า U ของ PI Control อุณหภูมิของอากาศภายในกล่อง จากการทดลองนี้พบว่าการควบคุมอุณหภูมิของอากาศให้อยู่ที่ 37 °C แล้วทำให้อุณหภูมิของ น้ำนั้นถึง 37 °C ภายในเวลาที่ตั้งไว้ 30 นาที นั้นไม่สามารถทำได้ เนื่องจากการถ่ายเทความร้อน ระหว่างอากาศและน้ำเป็นกระบวนการที่ต้องใช้เวลา ทางผู้จัดทำจึงได้ทำการทดลองปรับค่าพารามิเตอร์เพิ่มเติม โดยเริ่มต้นทำการปรับค่า kp เพิ่มขึ้นดังรูปที่ 4.5 รูปที่ 4.5 แสดงผลการทดลอง PI Control และใช้ Air Feedback โดยเพิ่ม kp = 5 40 รูปที่ 4.6 แสดงค่า U ของ PI Control และใช้ Air Feedback โดยเพิ่ม kp = 5 จากการทดลองพบว่าผลลัพธ์นั้นยังสามารถควบคุมอุณหภูมิของอากาศให้คงที่ที่ 37 °C ได้ แต่อุณหภูมิของน้ำที่จะไปถึงอุณหภูมิที่ 37 °C นั้นยังคงใช้เวลานานกว่าที่ตั้งเป้าไว้ ต่อมาทางผู้จัดทำได้ทำการทดลองเพิ่มเติม ปรับค่า ki เพิ่มขึ้น เพื่อลดค่า Steady State Error ทำให้ระบบสามารถเข้าถึงค่าที่ต้องการได้แม่นยำขึ้น แสดงผลการทดลองดังรูปที่ 4.7 รูปที่ 4.7 แสดงค่า U ของ PI Control และใช้ Plate Feedback โดยเพิ่ม ki = 0.02 41 รูปที่ 4.8 แสดงผลการทดลอง PI Control และใช้ Air Feedback โดยเพิ่ม ki = 0.02 จากการทดลองพบว่า การควบคุ ม อุ ณ หภู มิ ข องอากาศให้ อ ยู่ ที่ 37°C เป็ น ไปได้ ช้า ขึ้น เนื่องจากระบบมีฉนวนที่ทำให้อุณหภูมิสะสม ส่งผลให้ค่าความคลาดเคลื่อนเพิ่มขึ้น ทำให้ระบบ ตอบสนองล่าช้าดังรูปที่ 4.8 อีกทั้งอุณหภูมิของน้ำก็เพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป จนกว่าจะเท่ากับ อุณหภูมิของอากาศที่ตั้งไว้ ส่งผลให้ใช้เวลานานกว่าที่ตั้งไว้ ด้วยเหตุนี้ ในการควบคุมอุณหภูมิของอากาศเพื่อที่จะทำให้อุณหภูฒิน้ำ นั้น ไปสู่อุณหภูมิ เป้าหมายนั้น สามารถดำเนินการได้ตามที่ต้องการแต่หากจะต้องใช้เวลานานมากขึ้น ดังนั้น หาก ต้องการให้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น อาจจำเป็นต้องพิจารณาแนวทางการทดลองเพิ่มเติม 4.4 การทดลองควบคุ ม อุณ หภู มิ ข องถุ ง เลื อดด้ ว ยการทดลองโดยใช้ PI controller ควบคุ ม อุณหภูมิของแผ่นความร้อน โดยตั้งเวลาไว้ 30 นาที การทดลองนี้มีเป้าหมายเพื่อควบคุมอุณหภูมิของแผ่นความร้อน รวมถึงสามารถตั้งค่าเวลาใน การอุ่นถุงเลือดไว้ที่ 30 นาที โดยใช้ตัวควบคุมแบบ PI Controller และส่งค่าควบคุมไปยังมอเตอร์ที่ ทำหน้าที่ควบคุมระบบทำความร้อน เพื่อแสดงการเลือกใช้การควบคุมให้เหมาะสม สมการที่ใช้ใน กระบวนการควบคุมคือ สมการที่ (4.1) และสมการที่ (4.2) โดยมีการแสดงขั้นตอนของการควบคุมอุณหภูมิได้ดังนี้ 1. ตั้งค่าเวลาในการทดลองไว้ที่ 30 นาที และ ตั้งอุณหภูมิที่ตั้งไว้ ( Set point ) ของแผ่น ความร้อนไว้ที่ 37 °C 42 2. การอ่านค่าอุณหภูมิจะใช้ Thermocouple ในการอ่านค่าของอุณหภูมิซึ่งค่าที่อ่านได้จะ ถูกนำไปเทียบกับอุณหภูมิที่ตั้งไว้ (Setpoints) โดยในการทดลองนี้อุณหภูมิที่ใช้ในการ feed back คืออุณหภูมิของอากาศแผ่นความร้อน 3. การคำนวณค่า uPI จาก PI Controller ประกอบด้ ว ยสองส่ ว นหลั ก ได้ แ ก่ ส่ ว น P คำนวณตามค่า ความคลาดเคลื่ อ น และส่ ว น I คำนวณจากผลรวมของค่า ความ คลาดเคลื่อนในช่วงเวลาที่ผ่านมา 4. ค่าคำนวณที่ได้จาก PI Controller จะถูกใช้ในการกำหนดระดับพลังงานของมอเตอร์ที่ ทำหน้าที่ควบคุมระบบทำความร้อน โดย e(t) < 0 แสดงว่าอุณหภูมิจริงยังต่ำกว่าที่ต้องการระบบต้องให้ความร้อนเพิ่ ม โดย คำนวณค่าควบคุมที่ใช้ส่งไปยังมอเตอร์ให้ทำงาน e(t) > 0 แสดงว่าอุณหภูมิจริงสูงเกินไประบบต้องลดความร้อน โดยการคำนวณ ค่าควบคุม 5. เก็บผลการทดลองโดยโปรแกรม Excel 6. นำค่าที่วัดได้มาพล็อตกราฟในโปรแกรม MATLAB เพื่อดูแนวโน้มของอุณหภูมิ เพื่อ วิเคราะห์การทดลองโดยใช้ PI Controller แผ่นความร้อนแสดงดังรูปที่ 4.9 รูปที่ 4.9 แสดงการทดลองใช้ PI control แผ่นความร้อน 43 รูปที่ 4.10 แสดงกราฟ U ของผลการทดลองใช้ PI control แผ่น ความร้อนาสามารถควบคุมอุณหภูมิของแผ่นให้คงที่ที่ 37 °C ได้ ซึ่งแสดงให้เห็น จากการทดลองพบว่ ว่าระบบควบคุมอุณหภูมิที่นำมาใช้สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและรักษาความเสถียรของ อุณหภูมิแผ่นได้ตามที่ต้องการ อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาถึงช่วงเวลาที่ใช้ในการทำให้ อุณหภูมิของน้ำ เข้าสู่ภาวะเสถียรและรักษาอุณหภูมิที่ต้องการ พบว่ายังคงใช้เวลานานกว่าที่ตั้งเป้าไว้ รูปที่ 4.11 แสดงค่า U ของการทดลอง PI Control และใช้ Plate Feedback ต่อมาทางผู้จัด ทำจึงทำการปรับค่า kp เพิ่มขี้น เมื่อมีการเพิ่มค่า kp เพื่อพยายามเร่งการ ตอบสนองของระบบดังรูปที่ 4.11 44 รูปที่ 4.12 การทดลอง PI Control และใช้ Plate Feedback โดยการปรับ kp = 3 จากการทดลองพบว่าผลลัพธ์ยังไม่แตกต่างจากเดิมมากนัก เนื่องจากแม้ค่า kp ที่สูงขึ้นจะ ช่วยลดความล่าช้าในช่วงต้นของการตอบสนองของอุณหภูมิแผ่นความร้อน แต่อุณหภูมิของน้ำก็ เพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป ซึ่งใช้เวลานานกว่าเวลาที่ตั้งเป้าไว้ ต่อมาจึงทำการปรับค่า ki เป็น 0.02 เพื่อลดค่า Steady State Error ทำให้ระบบสามารถ เข้าถึงค่าที่ต้องการได้แม่นยำขึ้น ดังรูปที่ 4.13 รูปที่ 4.13 แสดงผลการทดลอง PI Control และใช้ plate Feedback โดยเพิ่ม ki = 0.02 45 รูปที่ 4.14 แสดงค่า U ของการทดลอง PI Control และใช้ plate Feedback โดยเพิ่ม ki = 0.02 จากการทดลองพบว่าผลลัพธ์จากการเพิ่มค่า ki ที่สูงเกินไปส่งผล ทำให้ระบบเกิดการสะสม ข้อผิดพลาดที่เพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิของแผ่นไม่สามารถคงที่ที่ค่า Set Point 37 °C ได้ส่งผลให้อุณหภูมิ ของน้ำเกินอุณหภูมิและระยะเวลาเกินจากที่ตั้งเป้าไว้ ปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากกระบวนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำต้องอาศัยเวลา สำหรับการถ่ายเทความร้อนจากแผ่นความร้อนไปยังน้ำ นอกจากนี้การควบคุมที่ต้องการความแม่นยำ สูงเพื่อรักษาอุณหภูมิที่ 37 °C อาจทำให้ระบบมีการตอบสนองที่ช้าลงเพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิสูงเกิน เป้าหมาย ทำให้ใช้เวลานานกว่าการที่อุณหภูมิของน้ำจะเข้าสู่สถานะเสถียรภาพ จึงเป็นข้อเสียเปรียบ ในกรณีที่ต้องการปรับอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ซึง่ ต้องพิจารณาวิธีการพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อลดเวลาการทำ ให้ระบบมีเสถียรภาพให้สั้นลง เช่น การเพิ่มกระบวณการเร่งการถ่ายเทความร้ อนเพื่อให้สามารถปรับ อุณหภูมิของน้ำได้รวดเร็วยิ่งขึ้น 4.5 การทดลองแสดงการควบคุมด้วยวิธีควบคุมความร้อน แบ่งช่วง Heat-up และช่วงต่อมาเป็น การใช้ PI controller ในการทดลองนี้มุ่งเน้นการศึกษาการควบคุมอุณหภูมิของน้ำในถุงเลือดผ่านกระบวนการทำ ความร้อนและการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ โดยแบ่งออกเป็นสองช่วงหลัก ได้แก่ ช่วง Heat-up ซึ่ง เป็นช่วงที่ทำการเพิ่มค่าพลังงานความร้อนของเครื่องต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือด แบบพกพา จนถึงค่าพลังงานความร้อนที่ต้องการ และต่อมาจะเป็นช่วงควบคุมอุณหภูมิ ของอากาศ 46 ภายในเครื่องต้นแบบเครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา ด้วย PI Controller เพื่อ รักษาอุณหภูมิของอากาศให้คงที่และอยู่ในช่วงที่เหมาะสม ในอุปกรณ์เครื่องละลายเลือด พลาสมา เกล็ดเลือดแบบพกพา ที่ใช้ในชีวิตประจำวันนั้น ไม่ สามารถวัดอุณหภูมิของเลือดภายในถุงได้ ซึ่งก็คืออุณหภูมิของน้ำภายในถุงเลือด ดังนั้นในการทดลอง นี้จึงอาศัยหลักการอาศัยหลักการของ Thermal Equilibrium ซึ่งก็คือสมดุลทางความร้อนเป็นหลัก สำคัญ เนื่องจากเมื่อเวลาผ่านไป อุณหภูมิของน้ำในถุงเลือดและอุณหภูมิของอากาศภายในกล่องจะ เข้าสู่สมดุลกัน โดยกระบวนการถ่ายเทความร้อนจะดำเนินไปจนกว่าอุณหภูมิของทั้งสองระบบจะ เท่ากัน ดังนั้นการควบคุมอุณหภูมิของอากาศในกล่องจึงสามารถใช้เป็นตัวแทนของอุณหภูมิของน้ำใน ถุงเลือดได้ ซึ่งในช่วง Heat-up ระบบจะจ่ายพลังงานให้กับแผ่นทำความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ ข อง อากาศภายในกล่องให้ถึงค่า พลังงานที่ต้องการใช้ ซึ่งการควบคุมพลังงานความร้อนที่เหมาะสมใช้เพื่อ ลดเวลาที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิ และหลังจากพลังงานความร้อนถึงค่าที่ต้องการแล้ว ระบบของเครื่อง จะเปลี่ยนไปใช้ PI Controller เพื่อควบคุมอุณหภูมิของอากาศให้คงที่ เนื่องจาก PI Controller จะ ช่วยลดความคลาดเคลื่อนของอุณหภูมิ และทำให้ระบบสามารถรักษาอุณหภูมิได้แม่นยำยิ่งขึ้น สมการที่ใช้ในการทดลอง Q req = ma ca (37 − T0,a ) + mw cw(37 − T0,W ) (4.6) Q accum = ma ca (Ta,2 − Ta,1 ) + mw cw(Tw,2 − Tw,1 ) (4.7) โดยที่ Qreq คือ ปริมาณความร้อนที่ต้องการ (J) Qaccum คือ ปริมาณความร้อนที่สะสม (J) ma คือ มวลของอากาศ (kg) คือ ความจุความร้อนจำเพาะของอากาศ (𝐽/𝑘𝑔 · °𝐶) คือ อุณหภูมิเริ่มต้นของอากาศ (°𝐶) คือ มวลของน้ำ (kg) คือ ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ (𝐽/𝑘𝑔 · °𝐶) ca T0,a mw cw 47 T0,W Ta,2 Ta,1 Tw,2 Tw,1 คือ อุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำ (°C) คือ อุณหภูมิสุดท้ายของอากาศในช่วงเวลาต่อมา ( °𝐶) คือ อุณหภูมิเริ่มต้นของอากาศในช่วงเวลาก่อนหน้า ( °𝐶) คือ อุณหภูมิสุดท้ายของน้ำในช่วงเวลาต่อมา( °𝐶) คือ อุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำในช่วงเวลาก่อนหน้า ( °𝐶) โดยมีการแสดงขั้นตอนของการควบคุมอุณหภูมิได้ดังนี้ 1. ระบบเริ่มต้นด้วยการเก็บค่าพารามิเตอร์สำคัญ เช่น อุณหภูมิของอากาศ และอุณหภูมิ ของน้ำในระบบ เพื่อใช้ในการคำนวณพลังงานความร้อนที่จำเป็นในช่วงเริ่มต้นของช่วง Heat-up โดยใช้สมการที่ระบุใน (4.6) 2. ระบบจะเก็บค่าพารามิเตอร์ อุณหภูมิของอากาศ และ อุณหภูมิของน้ำ ทุกๆ 10 วินาที แล้วนำไปคำนวณในสมการที่ (4.7) 3. หลังจากระบบบรรลุค่าพลังงานที่คำนวณไว้ ระบบจะเปลี่ยนไปใช้การควบคุมแบบ PI Controller [33] โดยใช้ Air Feedback ซึ่งมีการกำหนดค่าควบคุมด้วยสมการที่ (4.4) และ (4.5) เพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับที่ต้องการอย่างมีเสถียรภาพในระยะยาว ช่วง นี้เป็นส่วนสำคัญที่ช่วยให้ระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำและตอบสนอง ต่อความเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้น 4. ระบบจะทำการบันทึกค่าที่ได้จากการทดลอง ลงในไฟล์ Excel เพื่อการจัดเก็บข้อมูล 5. ค่าที่ได้จากการทดลองจะถูกนำไปพล็อตกราฟในโปรแกรม MATLAB เพื่อวิเคราะห์ แนวโน้มของอุณหภูมิในระบบ โดยเฉพาะการเปรียบเทียบระหว่างช่วง Heat-up และ 48 ช่วงที่ระบบทำงานภายใต้การควบคุมของ PI Controller รูปแบบข้อมูลที่ได้จากการ วิเคราะห์จะแสดงผลลัพธ์ในลักษณะเดียวกับที่ปรากฏในรูปที่ 4.15 รูปที่ 4.15 แสดงผลลัพธ์การทดลองใช้ Heat up และ PI Control รูปที่ 4.16 แสดงกราฟ U ของผลการทดลองใช้ Heat - up และ PI Control ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า ระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิของอากาศให้อยู่ในช่วงเสถียรที่ 37 °C ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และยังสามารถควบคุมอุณหภูมิของน้ำให้อยู่ในช่วง 37–38 °C ซึ่งเป็น ช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการอุ่นเลือด ภายในระยะเวลา 50 นาที แม้ว่าระยะเวลาดังกล่าวจะ ค่อนข้างนาน แต่เนื่องจากข้อจำกัดด้านการระบายความร้อน ระบบยังคงสามารถรักษาอุณหภูมิให้มี ความเสถียรและอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ ดังนั้น ผลลัพธ์ที่ได้จึงถือว่ามีความเหมาะสมต่อการนำไปใช้ งานจริง 49 4.5.1 การทดลอง Heat-Up แบบใช้ Air Feedback ภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน การทดลอง Heat-Up แบบใช้ Air Feedback ซึง่ แต่ละการทดลองมี Condition ที่ต่างกันเพื่อดู พฤติกรรมการเพิ่มอุณหภูมิของระบบควบคุมอุณหภูมิโดยใช้ Air Feedback โดยทั้ง 3 การทดลองใช้ ค่า kp และ ki เท่ากัน รูปที่ 4.17 แสดงผลการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตัง้ Tsetpoint ที่ 35 องศา รูปที่ 4.18 กราฟแสดงค่า U ของการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 35 องศา จากการทดลองที่ตั้ง Tsetpoint ของอากาศเท่ากับ 35 องศา ซึ่งมีอุณหภูมิของน้ำเริ่มต้นที่ 0 องศาจะเห็นว่าอุณหภูมิของน้ำเข้าใกล้ 37 องศา แต่ระบบมี Overshoot ที่สูง และใช้เวลานานทำให้ เห็นว่าระบบยังไม่มีการควบคุมที่เหมาะสม อุณหภูมิอากาศ และอุณหภูมิน้ำ ค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามลำดับ แต่ยังคงใช้เวลานานกว่าจะเข้าสู่ค่าที่ใกล้เคียงจุด Tsetpoint ต้องปรับปรุงค่า kp และ ki เพื่อลด Overshoot และทำให้ระบบเสถียรมากขึ้น 50 รูปที่ 4.19 แสดงผลการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 40 องศา รูปที่ 4.20 แสดงค่า U ของผลการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 40 องศา จากการทดลองที่ตั้ง Tsetpoint เท่ากับ 40 องศาและอุณหภูมิของน้ำเริ่มต้นที่ 10.25 องศา ซึ่ง ระบบยังคงมี overshoot ก่อนจะค่อยๆ ลดลงในขณะที่อุณหภูมิของน้ำ มีการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องแต่ เป็นไปอย่างช้าๆ โดยอุณหภูมิของอากาศมีการแกว่งตัวตลอดช่วงการทดลอง แสดงให้เห็นว่าระบบยัง มีความผันผวนของอุณหภูมิอาจจำเป็นต้องมีการปรับค่า kp และ ki ของตัวควบคุมเพิ่มเติม 51 รูปที่ 4.21 แสดงผลการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 40 องศา รูปที่ 4.22 แสดงค่า U ของการทดลอง Heat-Up Air Feedback ตั้ง Tsetpoint ที่ 40 องศา จากการทดลองโดยอุณหภูมิของน้ำเริ่มต้นที่ 7.5 องศา และตั้ง Tsetpoint ไว้ที่ 40 องศาซึ่ง ช่วง ของการ heat up อุณหภูมิของแผ่นความร้อนและอุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำ ให้เกิด Overshoot จากนั้นอุณหภูมิค่อยๆ ลดลงเช่นเดียวกับผลการทดลอง 2 การทดลองที่ผ่านมา แต่อุณหภูมิของน้ำยังคงมีลักษณะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เนื่องจากคุณสมบัติของน้ำที่มีค่าความร้อนจำเพาะ สูง ทำให้ต้องใช้เวลานานกว่าจะถึงสมดุลกับอุณหภูมิอากาศ 52 บทที่ 5 การสรุปผลและข้อเสนอแนะ 5.1 สรุปผลการดำเนินงาน การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาและออกแบบเครื่องต้นแบบสำหรับการละลายเลือด พลาสมา และเกล็ดเลือด รวมถึงระบบควบคุมอุณหภูมิที่เหมาะสม ซึ่งการดำเนินการในครั้งนี้ใช้วิธีการ ควบคุมด้วย PI Controller [33] ซึ่งเป็นระบบควบคุมเชิงป้อนกลับที่สามารถรักษาอุณหภูมิให้คงที่ และแม่นยำตามที่กำหนดได้ เป้าหมายของการทดลองในครั้งนี้คือการพัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิให้ เหมาะสมกับการละลายเลือด พลาสมา และเกล็ดเลือด เพื่อคงคุณภาพของส่วนประกอบเลือดและลด ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ โดยมีการศึกษาและสรุปผลตามขั้นตอน ดังนี้ 5.1.1 การทดลองควบคุมอุณหภูมิของถุงเลือดด้วยการทดลองโดยใช้ PI controller อุณหภูมิของ อากาศภายในกล่อง โดยตั้งเวลาไว้ 30 นาที ระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิของอากาศในกล่องได้ที่ 37°C ได้และมีการเปลี่ยนแปลงของ อุณหภูมิภายในกล่องน้อย อย่างไรก็ตามการถ่ายเทความร้อนจากอากาศไปยังน้ำในถุงเลือดเกิดขึ้น อย่างช้าๆ เนื่องจาก คุณสมบัติของอากาศที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ และกลไกการถ่ายเทความร้อนที่ ต้องอาศัยการพาความร้อนเป็นหลัก ส่งผลให้ประสิทธิภาพของการส่ง ผ่านพลังงานลดลง แม้ว่าระบบ จะสามารถรักษาอุณหภูมิของอากาศให้คงที่ได้ แต่การเพิ่มอุณหภูมิของน้ำในถุงเลือดใช้เวลานาน ทำ ให้ระบบไม่สามารถทำให้น้ำภายในถุงเลือดมีอุณหภูมิถึงเป้าหมายที่ต้องการภายในเวลาที่ตั้งเป้าไว้ 5.1.2 การทดลองควบคุมอุณหภูมิของถุงเลือดด้วยการทดลองโดยใช้ PI controller อุณหภูมิของ แผ่นความร้อน โดยตั้งเวลาไว้ 30 นาที ระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิของแผ่นความร้อนได้ที่ 37°C ได้ และส่งผลไปยังอุณหภูมิของ อากาศ อย่างไรก็ตามกระบวนการถ่ายเทความร้อนระหว่างอากาศไปยังน้ำในถุงเลือดยังค่อนข้างล่าช้า เนื่องจากข้อจำกัดด้านการถ่ายเทความร้อน จึงส่งผลให้ระบบไม่สามารถเพิ่มอุณหภูมิของน้ำภายในถุง เลือดให้ถึงค่าที่ต้องการภายในระยะเวลาที่ตั้งเป้าไว้ 53 5.1.3. การแบ่งช่วงการทำความร้อน (Heat-up) และการควบคุมด้วย PI Controller การทดลองได้แบ่งช่วงการควบคุมออกเป็นสองส่วน ได้แก่ ช่วง Heat-up และช่วงควบคุมด้วย PI Controller เพื่ อ เพิ่ ม ประสิ ท ธิ ภาพในการควบคุ ม อุ ณ หภู มิ และต่ อ มาในช่ ว งควบคุ ม ด้ ว ย PI Controller หลังจากอุณหภูมิถึงค่าที่กำหนด ระบบจะเข้าสู่กระบวนการควบคุมโดยใช้ PI Controller เพื่อลดความคลาดเคลื่อนของอุณหภูมิและรักษาความเสถียร จากการทดลองพบว่า การควบคุม ในช่วง Heat-up และช่วง PI Controller สามารถทำงานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ และผลจาก การทดลองพบว่าระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิน้ำให้อยู่ในช่วง 37-38 °C ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็น ระดับที่เหมาะสมสำหรับการอุ่นเลือด แม้ว่าจะใช้เวลาประมาณ 50 นาที แต่ระบบยังคงรักษาอุณหภูมิ ได้อย่างเสถียรและไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากจนส่งผลต่อคุณภาพของเลือด ข้อจำกัดหลักมาจากการ ระบายความร้อนที่อาจทำให้การปรับอุณหภูมิใช้เวลานานขึ้น อย่างไรก็ตาม ระบบยังสามารถทำงาน ได้ดีและอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ จึงเหมาะสมต่อการนำไปใช้งานจริง 5.2 วิจารณ์การทดลอง 1. สามารถควบคุมอุณหภูมิของอากาศได้อย่างมีเสถียรภาพการใช้ PI controller ทำให้ สามารถรักษาอุณหภูมิของอากาศภายในกล่อ งให้ อยู่ที่ 37°C ได้อย่างแม่นยำและ สม่ำเสมอ 2. พัฒนาระบบควบคุม เพื่อใช้ข้อมูลในการทดลองเป็นพื้นฐานสำหรับการควบคุมอุณหภูมิ ในงานทางการแพทย์หรือการขนส่งเลือด 3. การตอบสนองของระบบค่อนข้างช้า แม้ว่าอุณหภูมิของอากาศจะถูกควบคุมได้ดี แต่ อุณหภูมิของน้ำภายในถุงเลือด ต้องใช้เวลานานในการเพิ่มขึ้นจนถึงค่าเป้าหมาย ทำให้ การใช้งานจริงอาจไม่สามารถให้ผลลัพธ์ที่รวดเร็วพอ 4. การถ่ายเทความร้อนระหว่างอากาศกับ น้ำภายในถุงเลือดมีประสิทธิภาพต่ำ เนื่องจาก อากาศเป็นตัวกลางในการนำพาความร้อนที่มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าสารอื่นๆ เช่น น้ำหรือน้ำมัน ส่งผลให้การถ่ายเทพลังงานจากอากาศไปยังน้ำภายในถุงเลือดเกิดขึ้นอย่าง ช้าๆ 54 5.3 ข้อเสนอแนะ 1. เพิ่มระบบไหลเวียนของอากาศเพื่อเร่งการถ่ายเทความร้อน ติดตั้งพัดลมเพื่อให้ระบายความ ร้อน ช่วยลดความร้อนสะสม ทำให้อุณหภูมิอากาศลดลงเร็วขึ้นและเข้าสู่ภาวะเสถียรได้อย่าง รวดเร็ว 2. เพิ่มฉนวนระหว่าง heat plate กับโครงสร้างเพื่อลดปริมาณความร้อนที่สูญเสียจาก heat plate 3. หาความสัมพันธ์ของปริมาณความร้อนกับอุณหภูมิเพื่อสร้างแบบจำลอง temperature ของ น้ำ เนื่องจากในการใช้งานจริงจะไม่สามารถวัด temperature ของน้ำ (ตัวแทนเลือด) ได้ โดยตรง 55 เอกสารอ้างอิง [1] OGU EMMANUEL C, TEMPERATURE CONTROL SYSTEM, เมษายน 2554. URL: https://www.researchgate.net/publication/293634901_Temperature_Control_System [2] ณปภัช พิมพ์ดี, การถ่ายโอนความร้อน, มิถุนายน 2560 URL: https://www.scimath.org/lesson-science/item/7107-2017-06-04-06-30-35 [3] ราคาของ blood warmers ในเว็บไซต๋ Alibaba URL: http://www.alibaba.com/showroom/blood-warmer.html [สืบค้นเมื่อ 11/8/2567]. [4] Development of a Low-Cost Prototype of Blood Warmer and Rapid Infuser, ธันวาคม 2565. [5] Guidelines for the use of blood warming devices (AABB) URL: https://www1.cgmh.org.tw/intr/intr2/c3920/bb/%E8%BC%B8%E8%A1%80%E5%8A%A 0%E6%BA%AB%E5%99%A8%E4%BD%BF%E7%94%A8%E4%B9%8B%E6%8C%87%E5 %B0%8E%E6%96%B9%E9%87%9D.pdf [สืบค้นเมื่อ 11/8/2567] [6] Design of a Blood-Warming Device for Resource-Limited Settings, มกราคม 2556. [7] Yunus Cengel and Afshin Ghajar. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications [8] Charles E. Rohrs, James L. Melsa, Donald G. Schultz. (2536). Linear Control Systems. Singapore: McGRAW-HILL [9] ระบบการควบคุม แบบ Close Loop Control กับ Open Loop Control แตกต่างกันอย่างไร? URL: https://www.primusthai.com/primus/Knowledge/info?ID=210 [สืบค้นเมื่อ 11/8/2567] [10] IEEE Standard Manual, 2564 URL: https://mentor.ieee.org/myproject/Public/mytools/draft/styleman.pdf/ 56 [12] AABB Standards URL: https://www.aabb.org/standards-accreditation/standards [สืบค้นเมื่อ 11/8/2567] [12] คู่มือผู้ประกอบการ กองยา URL: https://drug.fda.moph.go.th/operators-guide/ [สืบค้น เมื่อ 11/8/2567] [13] Blood wikipedia, URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Blood [สืบค้นเมื่อ 13/9/2567] [14] Acousto-mechanical and thermal properties of clotted blood, ตุลาคม 2551 [15] What is the viscosity of blood? The meaning of measuring the viscosity of blood, URL: https://www.vinmec.com/eng/article/what-is-the-viscosity-of-blood-themeaning-of-measuring-the-viscosity-of-blood-en [สืบค้นเมื่อ 13/9/2567] [16] Poise Food Wiki, URL https://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/0613/Poise [สืบค้นเมื่อ 13/9/2567] [17] ISO 3826-1 Plastics collapsible containers for human blood and blood components. กันยายน 2562 [18] MAX6675 Datasheet, กุมพาพันธ์ 2545 [19] Overview of blood components and their preparation. กันยายน - ตุลาคม 2557 [20] Evaluation of red blood cell stability during immersion blood warming. สิงหาคม 2557 [21] โปรแกรม ANSYS, https://www.ecc.eng.kmutnb.ac.th/index.php/2016/12/08/software-ansys-20161208/ [สืบค้นเมือ่ 7/10/2567] [22] ANSYS, URL: https://www.ansys.com/ [สืบค้นเมื่อ 8/10/2567] [23] Humboldt, Emissivity, URL: https://gsp.humboldt.edu/olm/Courses/GSP_216/lessons/thermal/emissivity.html#:~:t 57 ext=Water%20has%20an%20emissivity%20close,emissivities%20for%20some%20com mon%20materials. [สืบค้นเมื่อ 24/9/2567] [24] Heat Transfer: A Practical Approach. ตุลาคม 2545 [25] 3D Printer Hot Bed Plate https://www.amazon.com/Printer-Heated-SurfaceAluminum-Hotbed/dp/B0CCZQYZG6 [สืบค้นเมื่อ 17/9/2567] [26] The Engineering Toolbox, Water - Thermophysical Properties, URL: https://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html [สืบค้นเมื่อ 17/9/2567] [27] An Overview of Blood. URL: https://pressbooksdev.oer.hawaii.edu/anatomyandphysiology/chapter/an-overview-of-blood/ [สืบค้นเมื่อ 17/9/2567] [28] ปริมาณเลือดที่บริจาค, URL: https://english.redcross.or.th/donate/%e0%b8%81%e0%b8%b2%e0%b8%a3%e0%b8 %9a%e0%b8%a3%e0%b8%b4%e0%b8%88%e0%b8%b2%e0%b8%84%e0%b9%82% e0%b8%a5%e0%b8%ab%e0%b8%b4%e0%b8%95/ [สืบค้นเมื่อ 17/9/2567] [29] Arduino® Mega 2560 Rev3, 06/12/2567 [30] MD10C R3.0 10Amp DC Motor Driver User's Manual Rev3.0, สิงหาคม 2561 [31] GROBOTRONIC, Aluminum Heatbed MK3, URL: https://grobotronics.com/pcbheated-bedmk3.html?sl=en&srsltid=AfmBOoo4nLZJwnrEH9qqipf4iWmyqq60rAsJHkYI8ZIj659vkKCeI0V [สืบค้นเมื่อ 7/12/2567] [32] MISUMI, Switching Power Supply (With Case, 24 VDC Output), URL: https://th.misumi-ec.com/en/vona2/detail/110400213730/?HissuCode=ESP10-150-24 [สืบค้นเมื่อ 7/12/2567] 58 [33] Wikipedia, ระบบควบคุมพีไอดี, URL: https://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%9A%E0%B8%9A%E0 %B8%84%E0%B8%A7%E0%B8%9A%E0%B8%84%E0%B8%B8%E0%B8%A1%E0%B8% 9E%E0%B8%B5%E0%B9%84%E0%B8%AD%E0%B8%94%E0%B8%B5 [สืบค้นเมื่อ 7/12/2567] [35] การถ่ายเทความร้อน URL: https://3t-insulation.com/heat-transfer/ [สืบค้นเมื่อ 22/01/2568] [36] Transfer Function Gain and Relative Stability, URL: https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transfer-function-gain-and-relativestability [สืบค้นเมื่อ 22/01/2568] [37] MAX6675 https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/max6675.pdf [สืบค้นเมื่อ 07/02/2568] [38] Plasma Thawer ของบริษัท Helmer https://www.winmed.com/th/business/medical-products/blood-transfusionmedicine/blood-banking [39] Reference Junction https://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/7230/reference-junction%E0%B8%88%E0%B8%B8%E0%B8%94%E0%B8%AD%E0%B9%89%E0%B8%B2%E0% B8%87%E0%B8%AD%E0%B8%B4%E0%B8%87 [สืบค้นเมื่อ 28/02/2568] [40] Hot Junction https://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/7245/hot-junction%E0%B8%A3%E0%B8%AD%E0%B8%A2%E0%B8%95%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0% B8%A3%E0%B9%89%E0%B8%AD%E0%B8%99 [สืบค้นเมื่อ 28/02/2568] 59 ภาคผนวก ภาพแผงวงจรไฟฟ้าของระบบ ระบบควบคุมอุณหภูมิของเครื่องอุ่นเลือดต้องอาศัยการเชื่อมต่อวงจรไฟฟ้าที่แม่นยำเพื่อให้ทุก องค์ประกอบทำงานสอดประสานกันได้อย่างถูกต้อง การออกแบบและเชื่อมต่ออุปกรณ์แต่ละส่วน เช่น แหล่งจ่ายไฟ บอร์ดควบคุม เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ และองค์ประกอบอื่น ๆ การออกแบบเครื่องเบื้องต้น การออกแบบเครื่องอุ่นเลือดใน SolidWorks เป็นขั้นตอนสำคัญที่ช่วยให้สามารถสร้างโมเดล สามมิติของอุปกรณ์ได้อย่างแม่นยำ โปรแกรมนี้ช่วยให้สามารถออกแบบโครงสร้าง กลไก และชิ้นส่วน ต่างๆ ได้อย่างละเอียด พร้อมทั้งสามารถจำลองการทำงานและตรวจสอบความเหมาะสมของแต่ละ องค์ ป ระกอบก่ อ นการผลิ ต จริ ง ซึ่ ง ช่ ว ยลดข้ อ ผิ ด พลาดและเพิ่ ม ประสิ ท ธิ ภาพในการพั ฒ นา เครื่องต้นแบบ 60 61 Algorithm โค้ดนี้สำหรับควบคุมเวลาและพลังงานในการให้ความร้อน กับอากาศภายในอุปกรณ์ โดยใช้ เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ ปุ่มกด และ PID Controller เพื่อให้สามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ โดยแบ่งการทำงานเป็น 2 ส่วนหลัก ได้แก่ Algorithm 1: การควบคุมตามเวลา Algorithm 1: Time control Input: Button inputs, temperature sensors, motor drivers, LED indicators, user-defined set point (tSetPoint), limit time (limit_time), PID parameters (kp, ki), sampling time (samp_time) 1: Initialize serial communication 2: Initialize LCD 3: Configure LED and button pins 4: while True do 5: Read button states 6: if yellow button is pressed then exit loop 7: if green button is pressed then decrease tSetPoint 8: if red button is pressed then increase tSetPoint 9: Clamp tSetPoint between min_tSetPoint and max_tSetPoint 10: Display tSetPoint on LCD 11: while True do 12: Read button states 13: if yellow button is pressed then exit loop 14: if green button is pressed then decrease limit_time 15: if red button is pressed then increase limit_time 16: Display tSetPoint on LCD 17: Record start_time 18: while millis() - start_time < limit_time * 1000 * 60 do 19: if millis() - start_time >= limit_time * 1000 * 60 then 20: Set motor speed to 0 21: Turn off heating process 22: Update LCD to indicate process is finished 23: else then 24: Read current temperatures 25: Compute error: err = tSetPoint – T_air 26: Accumulate integral error: ierr += samp_time_sec * err 27: Compute control signal: uComand = kp * err + ki * ierr 28: Clamp uComand between 0 and 24V 29: Convert uComand to heat plate (0-255 range) 30: Set heat plate using computed command 31: Update LED indicators based on T_air vs. tSetPoint 32: Log values and update LCD Output: Final controlled temperature T_air, system logs, LCD updates, Motor stops when limit_time is reached 62 Algorithm 2: การควบคุมพลังงานความร้อน Algorithm 2: Energy control Input: Button inputs, temperature sensors, motor drivers, LED indicators, user-defined set point (tSetPoint), PID parameters (kp, ki), sampling time (samp_time) 1: Initialize serial communication 2: Initialize LCD 3: Configure LED and button pins 4: Read initial temperatures: T0_A, T0_W 5: Compute required heat energy Q_req 6: for each loop iteration do 7: if yellow button is held for change_model_sec seconds then 8: Enter setting mode 9: while in setting mode do 10: Read button states 11: if yellow button is pressed then exit setting mode 12: if green button is pressed then decrease tSetPoint 13: if red button is pressed then increase tSetPoint 14: Clamp tSetPoint between min_tSetPoint and max_tSetPoint 15: Display tSetPoint on LCD 16: Record start_time 17: if step = 1 (Initial Heating Phase) then 18: Read current temperatures 19: Update LED indicators 20: Compute heat energy delivered (Q_2) 21: if Q_2 ≥ Q_req then switch to step = 2 (PID Control) 22: else set heat plate to maximum 23: Log sensor readings, update LCD 24: if step = 2 (PID Control) then 25: Read current temperatures 26: Compute error err = tSetPoint – T_air 27: Compute control signal uComand using PID formula 28: Clamp uComand to valid range 29: Convert uComand to heat plate command 30: Set heat plate accordingly 31: Log sensor readings, update LCD 32: Wait until millis() - start_time ≥ samp_time 33: Check if button is held long enough to re-enter setting mode Output: Final controlled temperature T_air, system logs, LCD updates. 63 การแสดงการชั่งตวงน้ำหนักของน้ำในถุงเลือดก่อนการทดลอง ในการทดลองแต่ละครั้ง จะทำการชั่งน้ำหนักของน้ำในถุงเลือดให้มีค่าประมาณ 450 กรัม เพื่อให้ได้ค่าที่ใกล้เคียงกับน้ำหนักของถุงเลือดมาตรฐานที่ใช้ในธนาคารเลือดและโรงพยาบาลทั่วไป โดยน้ำหนักนี้รวมถึงปริมาณของเลือดหรือน้ำที่ใช้แทนเลือดจริงในกรณีที่เป็นการทดสอบ นอกจากนี้ การควบคุ ม น้ำ หนั ก ให้ อ ยู่ ใ นช่ ว งที่ กำหนดช่ ว ยให้ ผ ลการทดลองมี ค วามแม่ น ยำและสามารถ เปรียบเทียบผลลัพธ์ระหว่างการทดลองแต่ละครั้งได้อย่างถูกต้อง ลดความคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดจาก ปริมาณของเหลวที่แตกต่างกัน 64

Abstract

This project aims to design and develop a prototype of a portable blood, plasma, and platelet thawing device. This equipment is used in blood banks to restore frozen blood components to a usable state. The developed system operates based on heat transfer principles between the heating plate, air, and blood bag. This study presents numerical calculations and engineering simulations to determine the optimal temperature for blood warming and the efficiency of the warming system. The heat balance equation is applied, and a PI Controller is implemented to maintain a stable temperature and prevent overheating. The control system integrates a Thermocouple temperature sensor and a MAX6 6 7 5 module for temperature measurement. The control results indicate that the system can regulate air temperature effectively using the PI Controller, maintaining the internal air temperature at 37°C. However, the system response remains relatively slow. Although the air temperature is well controlled, the water temperature takes a long time to reach the target value.

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

DC-2567-007

ชื่อเรื่อง

การพัฒนาต้นแบบเครื่องละลายเลือดและพลาสมาแบบพกพา / Development of a portable blood bag and plasma thawing

ผู้จัดทำ

ชนน อุตุพล, ธีรวัส สุภาพร, ศิลป์ศรุต เสลาคุณ, อุไรลักษณ์ เรืองโพล้ง

อาจารย์ที่ปรึกษา

ผศ.ดร.ธีรวัจน์ แสงเพชร์

ปีการศึกษา

2567 (C.E. 2024)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2nuk7004v0gyrrw0tedk4