DIY Microscope Climate Chamber

By Macsylver on Saturday 3 March 2018 00:50 - Comments (15)
Category: Microscope, Views: 2.215

https://cdn-images-1.medium.com/max/2000/1*V9dowlJcANMLUa7X1H-uMQ.jpeg
First sketch of the DIY Microscope Climate Chamber for the Nikon Inverted Diaphot TMD Microscope.

The process & creation of the DIY microscope climate chamber.

In order to get better and more consistent results for the project Imaginarium of tears, it’s important to standardise the evaporation and crystallisation process of tears. To do this, I would need to create a climate chamber around the microscope, controlling the temperature and humidity at a pre set value.

With the experiments done for the Tear Collection Kit, data tells me that the optimal temperature and humidity of such a climate chamber would be around 12° Celsius and 40% humidity. 

To do this I would need to upgrade the microscope by building my own DIY climate chamber.

https://cdn-images-1.medium.com/max/2000/1*dBoXVq99jRiP1tPRy8f4jQ.png
Current Microscope Setup with the DIY scanning stage.

Knowing that the microscope had an optional incubator mentioned in its original manual, I went on the internet to see if I could buy the old incubator chamber. Unfortunately as I expected, finding only the casing and or the control box was not easy. All setups where only sold together with a microscope, making it too expensive to justify.

https://cdn-images-1.medium.com/max/1600/1*WKXrU1Guj7jSypxoYhH9DQ.png
The original optional Incubator mentioned in the original manual as available accessory.

The casing:
With the information available form the manual and other pictures from the internet, I decided give it a shot and designed the casing myself. Below you can see a preview of the first sketch of the climate chamber. 

Since I’m not a product or industrial designer, I would appreciate your additional feedback to make the design better. You can review the file here

The idea is to 3D print most of the black parts in ABS using my Ultimaker 2+ 3D printer, except for the he U profiles for the door. The 5mm plexiglass wil be bought and cut by laser or CNC. 

https://cdn-images-1.medium.com/max/2000/1*NBt5TQ4qe5QjVGDaM0AUWw.png
Click link to open the fusion 360 file and review the model: http://a360.co/2F5LfVD

Most of the basic shapes are taken from the old incubator designed by Nikon itself, things that I changed are: 
  • Bottom brackets to connect to the microscope.
  • Smaller casing, shorter on the left and right side. 
  • Placement and type of manipulator doors, no hinges but sliding door.  
  • Exhaust in and outtake for the climate control unit.  
  • Use of “connectors” in the corners, in stead of gluing plexiglass. This is an important modulair design change, related to traveling everything must be easy to take apart when needed.
In the next couple of days I will start 3D printing the “black parts” and see how they fit and iterate where needed.

Why not build a big case around the whole microscope  8-) ?

External climate control unit:

The second part designing the “climate control unit” is going to be far more complicated. Essentially the device needs to be able to cool, heat, humidify and de-humidify. If I would do this with simple house hold devices:

Cool = mini airco
Heat = hair dryer
Humidifier = mini humidifier
Dehumidifier= mini dehumidifier

There must be a better way so for cooling and dehumidify the chamber, I was thinking of using 1 or 2 (power full) peltier modules.

To heat up the chamber I could use a small air heater of 100 / 250 watt on 12V.

To humidify the camber, maybe I can disassemble this small humidifier.

But getting this right is probably something that will take me quite some time, I guess it's far from simple? Eventually It would be great, if I could achieve a wide spectrum of temperature and possible humidity combinations. But getting everything well balanced with a micro controller with good airflow and limited loss of heat or cold in an external device would be a challenge.

Spec wishes: 
- Temperature range 5° — 40° Celsius
- Humidity range 20 %— 80%

Feasible? Probably, but if its going to give me enough range in temperature and humidity I don't know. At least I hope to get the needed 12° Celsius and 40% humidity to standardise my evaporation and crystallisation process of tears.

Tho I have some basic experience with electronics, Arduino and coding, this will be a whole new challenge. More research is needed in the next weeks / months regarding the creation of a external climate control unit. Especially if you want to keep the costs as low as possible.

In the next blogs, I hope to give you more detailed insights regarding the build of the Climate Chamber.

If you have any feedback, suggestions, comments and or ideas regarding this idea and setup please let me know!

Volgende: Update: DIY climate chamber koeling; airco, chiller of? 13-06 Update: DIY climate chamber koeling; airco, chiller of?
Volgende: “World’s most addictive and widely used drug” 02-'17 “World’s most addictive and widely used drug”

Comments


By Tweakers user JustM3, Saturday 3 March 2018 06:20

12°C met een humidity van 40% gaat misschien wel lastiger worden als je denkt. De ruimte waar je werkt is al snel 20°C en dan komt er ook nog een flinke hoeveelheid warmte van je lamp.
Op het laboratorium waar ik werk hebben we voor bepaalde analyses een klimaat gecontroleerde kast. Als het buiten warm/koud of benauwd/heel droog is hebben wij altijd ruzie om de humidity goed te krijgen.
Voor de humidity gebruiken we een bepaalde oplossing, zal je deze binnenkort in een pb toe sturen :)

Zoals je zelf voorsteld is het wellicht makkelijker om de microscoop in een case te platsen in plaats van alleen het objectief.

[Comment edited on Saturday 3 March 2018 06:23]


By Tweakers user Macsylver, Saturday 3 March 2018 11:31

@JustM3 Thanks voor je comment! Zeer benieuwd naar de oplossing die jullie gebruiken om dit deels op te lossen.

Correct, de lampen geven zeker een flinke hoeveelheid warmte, vandaar dat ik het design heb aangehouden van de originele Nikon incubator. Hierin worden de lampen in mijn geval zowel de 50Watt halogeen lamp en de 100Watt HBO Mercury Lamp buiten de case gehouden.

Waar ik momenteen naar kijk is hoe ik de benodigde openingen zo klein en strak mogelijk kan houden, en waar nodig gebruik kan maken van rubbertjes voor de afsluiting om het ontwerp zo gesloten mogelijk te houden.

Het verwarmen van de ruimte zal het makkelijkste zijn van allemaal - dit zou ik al kunnen realiseren door alleen een Föhn te gebruiken en deze te stoppen wanneer de juiste temperatuur wordt behaald.

Het verkoelen van de ruimte zal al iets lastiger gaan, hiervoor dacht ik dus zoals beschreven gebruik te maken van een of meerdere peltier elementen. Voor de inhoud van ongeveer 35 x 37 x 28 cm zou ik dan volgens verschillende calculators een koel vermogen nodig hebben van minimaal 14Watt / 49 BTU/hour.

Voor zowel verkoelen als verwarmen zal deze unit moeten volstaan. Specs even buiten beschouwing dan zou deze niet anders moeten werken.

Maar zoals je zegt daar komt het, de lucht vochtigheid controleren... hier zit ik dan ook het meest tegen op. Wetend dat een airco / peltier element ook gebruikt wordt in een lucht ont-vochtiger zal deze dus altijd al de lucht ontdoen van water. De vraag is echter zal dit genoeg zijn om de lucht vochtigheid naar de 40% te krijgen?

Het verhogen van de lucht vochtigheid lijkt me daar in tegen een minder groot probleem, volgens mij moet dit vrij snel gaan zelfs met een kleine ultrasone humidifier.

De vraag rust alleen, hoe ga ik dit allemaal netjes buiten de klimaat kamer toepassen?

[Comment edited on Saturday 3 March 2018 11:57]


By Tweakers user davevogel0, Saturday 3 March 2018 16:47

Hhhmm, het gebruiken van een peptide element voor verwarmen en koelen klinkt mij als het beste idee. Zo duur zijn ze niet en wanneer je een servervoeding als voedingsbron gebruikt ivm een TEC controller klinkt het allemaal redelijk haalbaar.
Even random googlen levert het volgende op http://forum.arduino.cc/index.php?topic=244673.0


By Tweakers user boombes, Sunday 4 March 2018 06:00

Is een trilling evaporator niks? Zijn super goedkoop beschikbaar als "fog" machines voor bijvoorbeeld zo'n mist laagje boven op het water te maken.

Ik doel op deze dingen : https://rover.ebay.com/ro...Fulk%2Fitm%2F162806394618

Ik stel mijn voor omdat dit natuurlijk geen heel nauwkeurig element is dat deze dan in een aparte kamer het vocht atomized en dan via die kamer gecontroleerd toe kan voegen aan jou kamer, het spettert namelijk een beetje maar het grootste voordeel het voegt geen warmte toe aan je incubator.

Mocht je vragen hebben stuur een dm. Mocht de link niet werken even op ebay zoeken naar "atomizer fog"

By Tweakers user naftebakje, Sunday 4 March 2018 07:51

Voor het ontvochtigen wil je lokaal een heatsink (flink) onder het dauwpunt, dan slaat de vochtigheid daar vanzelf neer. Een lagere airflow (geen fan op de heatsink) maakt het eenvoudiger. Je wil bij langdurige runs ook nu en dan even een on-ijs cyclus draaien.

Dat botst nogal hard met de main cooling/heating, die wil je maximale airflow geven, en iets boven/onder wenstemperatuur draaien.

Ik denk dat je met 2 peltiers, beide op een H-bridge, kan volstaan.
- een grote, maximale airflow, om de main cooling/heating te doen.
- een kleinere, waar lucht vrij langs stroomt, die ontvochtigd (en nu en dan ff opwarmt om ijs te verliezen).

In je sturing gebruik je een PI-regeling (D is niet nodig) op de main cooling/heating, eventueel laat je de kleinere meehelpen als je nog te ver van je gewenste temperatuur af zit.
Vochtigheidsregeling schijnt lastig te zijn, wellicht zal je hier en daar keuzes moeten maken (eens experimenteren, kan vb zijn dat je op 5 graden geen vocht in de lucht krijgt, en dan beter wat opwarmt, bevochtigd en weer koelt).

By Tweakers user Macsylver, Sunday 4 March 2018 13:09

@boombes

Jazeker! Thanks dit helpt me een stap verder, een trilling evaporator is een veel betere optie dan het uit elkaar halen van een humidifier. Compacter en kleiner en exact wat ik zocht.

Daar ik toch van plan ben om een externe unit te maken, is jou aangegeven manier zeker goed mogelijk. Komende dagen hoop ik hier een stuk verder mee te zijn qua initial schets ontwerp.

@aftebakje

Fijn dat je meedenkt! Na het een en ander aan research ben ik er achter gekomen dat voor het ontvochtigen juist een fan op de heatsink beter werkt (https://www.youtube.com/watch?v=f-a7iWbFtNg - vanaf 19:55). Dit zorgt er voor dat je meer warme lucht langs het koelblok trekt waardoor er meer lucht sneller wordt ontvochtigt en tegelijkertijd er minder of geen ijsvorming gaat plaatsvinden.

Als het dan gaat om cooling/heating dan heb je zeker en punt. Want hoe is het koel effect van de peltier(s) als er geen ijsvorming plaatsvind? zal hij dan naast het ontvochtigen ook nog genoeg capaciteit hebben om de lucht te koelen?

Denk ik dat het goed is om gewoon 4 gescheiden setups te maken voor ontvochtigen en koelen.

1.) Verwarmen is denk ik sneller en efficiënter met een air heater van 12V 150-250W
2.) Humiditeit verhogen door gebruik te maken van een ultrasone trilling evaporator.
3.) Koelen door een grote multi peltier setup van 2 of meer peltiers op een array van koelblok ribben.
4.) Ontvochtigen door een peltier setup te maken.

kosten voor de Peltiers en koelblokken is te verwaarlozen, zal alleen extra kosten meebrengen in de aanschaf van een voeding die het allemaal makkelijk aankan.

Thanks voor het delen van de H-bridge thanks! Dit gaat mij zeker helpen altijd fijn en goed om een de-ice functie te hebben op de setups van de peltiers. Daarnaast zou het ook fijn zijn om voor elke van de 4 setups power controllers te hebben om ze niet meteen volledig aan of uit te hebben staan.

By Tweakers user Point.Flare, Sunday 4 March 2018 14:02

Slim om je bestaande verlichting buiten de case te houden. Hou je wel rekening met de stralingswarmte vanaf de lampen? Daarmee zal je nog wat warmte in je object introduceren.

Ik zit te denken. Teveel airflow zal je klimaat tevens beïnvloeden. Wat je misschien zou kunnen doen is ergens een buffer creëren. Door de vochtigheid en warmte buiten je onderzoekskamer te genereren kan je het ideale klimaat misschien wel langer in stand houden. Immers een groter volume vergt meer energie om te beïnvloeden. Dan zou je de buffer ook stevig kunnen isoleren, waardoor het nog minder snel beïnvloedt wordt van buitenaf.. Dit zijn maar hersenspinsels hoor. :)

By Tweakers user Macsylver, Sunday 4 March 2018 16:50

@Point.Flare, Wederom dank!

Het zal vooral als ik er naar kijk sinds het begin, mega veel trail on error worden.
Vandaar deze tweakblog, echter wellicht is het beter om er een topic post van te maken om zoveel mogelijk goede informatie en ideeën binnen te krijgen. Zelf heb ik namelijk 0 ervaring met het maken van een apparaat dat dit zou kunnen.

Het idee wat je oppert klinkt legit, geen idee in hoeverre dit de haalbaarheid, schaal en kosten verhoogt? Zeker iets wat ik nu op me lijstje heb gezet om te onderzoeken.

By Tweakers user JustM3, Sunday 4 March 2018 18:37

Ik denk dat je heel erg moet oppassen voor een eventuele airflow over je objectief. Deze airflow gaat mogelijk invloed hebben op de kristalvorming of nog erger je object contamineert.

Daarnaast weet ik niet bij welke vergroting je je object bekijkt/fotografeert, maar houd er rekening mee dat een ventilator altijd een trilling veroorzaakt. Bij een vergroting van 400x zou dat wel eens heel irritant kunnen zijn.

By Tweakers user Macsylver, Sunday 4 March 2018 18:59

@JustM3

Thanks! Hier is zeker rekening mee houden, net als ontwerp van Nikon zal de climate control unit zich ook buiten de climate chamber / microscoop bevinden. Dit zodat ik daardoor de climate chamber van microscoop zo klein mogelijk kan houden + dat ik buiten de microscoop zo veel ruimte kan gebruiken als gewenst. Daarnaast makkelijker te vervoeren en no clutter of andere dingen aan de climate chamber zelf.

Ik werk het meeste met de objectieven van 2x, 4x,10x, zo nu en dan 20x en afhankelijk van de situatie in ander projecten soms 40x, 60x of 100x.

Fotograferen van kristallen e.d. is in project geen probleem, daarvoor laat ik de kristalvorming plaats vinden buiten de microscoop. Dan wel met een verwarm plaat ingesteld op specifieke temperatuur dan wel in de make shift Incubator / Climate Chamber. Zodra dit proces klaar, zal het objectglas worden verplaatst onder de microscoop.

Echter voor het vastleggen van het kristallisatie process op microscopisch niveau heb ik juist deze setup nodig. Hiermee hoop ik in staat te zijn om hoofdzakelijk tranen in hun ideale omstandigheden te kunnen filmen tijdens het verdamping en kristallisatie proces

Voorbeelden van dit proces van een traan is hier terug te vinden:
https://vimeo.com/258505922

Andere content hier:
https://www.youtube.com/watch?v=m7EG62ISEHc
https://vimeo.com/172701702

[Comment edited on Sunday 4 March 2018 19:12]


By Tweakers user Point.Flare, Sunday 4 March 2018 21:05

Heb je een case om je Ultimaker heen gebouwd? Anders voorspel ik wat problemen met het printen van ABS.

Ik zie trouwens dat je de schroeven verzonken in het plexiglas wil verwerken. Heb je dit eerder gedaan? Plexiglas heeft de neiging te barsten, zeker zo dicht bij de rand. Mijn advies: Eerst verzinken, dan boren. Gebruik een verzinkboor met een puntkop: https://www.borencenter.nl/kelfort-verzinkboor-5-10-mm.html

By Tweakers user Macsylver, Sunday 4 March 2018 21:11

@Point.Flare

Jazeker, vorig jaar heb ik om de gehele Ultimaker 2+ een glazen kast gebouwd dik glas. Alle onderdelen die zijn geprint voor de DIY Scanning Stage zijn ook in ABS geprint.

Klopt, dacht dat is wel zo netjes, scheuren was ik al bang voor. Idee was om het ergens op de CNC of met laser cutter netjes allemaal build ready te maken. Uit ervaring wat is jou minimale afstand tot de rand of tot elkaar als het gaat om gaatjes in plexiglas 5mm? dan wel 3mm of andere diktes?

[Comment edited on Sunday 4 March 2018 21:23]


By Tweakers user Gilotto, Monday 5 March 2018 08:46

Ik heb laatst het boek Open Source Lab gelezen. Daar wordt een environmental chamber op basis van arduino gemaakt. De source staat op hier. Misschien kun je er wat mee.

Edit, NVM - alleen de software staat er. :(

[Comment edited on Monday 5 March 2018 08:47]


By Tweakers user Macsylver, Monday 5 March 2018 11:57

@Gilotto Thanks, alle beetjes zijn welkom ook een goede source code.

Daarnaast, super dank voor de tip naar dit boek. Nooit zelf tegen gekomen, daarom direct besteld.

Comments are closed