Bachelor's Thesis

Design and Implementation of a Laboratory Cooling Chamber

Final Thesis 13.15 MB Appendix 11.53 MB

Author of thesis: Josef Dvořák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Miroslav Kozumplík

Reviewer: Ing. Lukáš Otava, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis focuses on the design and implementation of a laboratory cooling chamber. This experimental setup is intended to illustrate selected system identification methods and to enhance practical skills in using the MATLAB/Simulink environment in real time.
The thesis comprises both theoretical and practical sections. The theoretical part provides a fundamental overview of the topics closely related to the assignment, specifically the thermoelectric effect, Peltier cells, and temperature measurement techniques.
The practical part details the parameters and capabilities of the NI DAQ USB-6001 data acquisition board and its integration with the MATLAB/Simulink environment. Further more, it describes the design of a printed circuit board (PCB) intended for interfacing the laboratory chamber with the measurement card, including appropriate signal conditioning. The thesis also includes a chapter summarizing the achieved results and measured waveforms obtained using the developed laboratory setup.
For future educational use of the designed apparatus, a laboratory exercise titled System parameter identification was created.

Keywords:

Thermoeletric effect, Peltier element, printed circuit board, temperature measurement, NI DAQ USB-6001, MATLAB, Simulink, parameter identification

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student obhájil bakalářskou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student odpověděl na dotazy oponenta. Navazující otázka komise směřovala k výkonu halogenové žárovky a peltierového článku. Byla při návrhu desky uvažována termální simulace? Co je příčinou, že se při online identifikace parametry soustavy neustálí na konstantní hodnotě? Student odpověděl na položené otázky komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

doc. Ing. Jan Mikulka, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Blaha, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ilona Janáková, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Kopečný, Ph.D. (člen)
Ing. Tomáš Macho, Ph.D. (člen)
Ing. Soňa Šedivá, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Miroslav Kozumplík

Bakalářská práce pana Josefa Dvořáka se zabývá návrhem a realizací laboratorní chladicí komory pro účely demonstrace úloh z oblasti identifikace parametrů soustav. Student laboratorní přípravek fyzicky realizoval a demonstroval jeho funkčnost.
Zadání práce obsahovalo celkem pět cílů, které byly splněny v plném rozsahu. Pan Dvořák nejprve ověřil měřicí kartu NI USB-6001 a její real-time propojení s MATLAB/Simulinkem pomocí Data Acquisition Toolboxu na nepájivém poli. Následně navrhl elektrické obvody pro spínání Peltierova článku, pro řízení ventilátoru a halogenové žárovky pomocí PWM a pro zpracování signálů z teplotních senzorů PT1000. Dále navrhl a vyrobil samotnou desku plošných spojů. Pan Dvořák poté fyzicky sestavil samotnou laboratorní komoru, naprogramoval řídicí software a demonstroval funkčnost chladicí komory pomocí jím vytvořené laboratorní úlohy.
Náročnost bakalářské práce považuji za nadprůměrnou zejména kvůli propojení několika odlišných technických oblastí. Časové úskalí spočívalo zejména v realizaci funkčního přípravku, kde by i menší chyba v návrhu desky plošných spojů znamenala zdržení několika týdnů. Pan Dvořák si však nechal dostatečnou časovou rezervu a díky provedeným simulacím jednotlivých elektrických obvodů fungoval již první prototyp DPS bez větších problémů. Dále oceňuji demonstraci vytvořeného přípravku pomocí navržené laboratorní úlohy z oblasti identifikace parametrů soustav. Identifikace parametrů není součástí bakalářského studia v tomto studijním programu. Student si však nastudoval základní offline i online identifikační metody nejmenších čtverců, což pro demonstraci funkčnosti přípravku bylo dostatečné. Vzniklá chladicí laboratorní komora je tak ihned použitelná na přednáškách nebo cvičení v předmětu Modelování a identifikace jako demonstrační přípravek k naměření reálných dat pro identifikační algoritmy.
Bakalářská práce obsahuje od úvodu po závěr 60 stran včetně obrázků. Součástí přílohy je zadání laboratorní úlohy včetně jejího řešení v rozsahu dalších 16 stran. Práce má logickou strukturu. První kapitola obsahuje rešeršní část o Peltierových článcích a termoelektrických jevech, další kapitoly pak odpovídají jednotlivým bodům zadání. Praktická část práce je věcná, doložená výpočty, schématy, simulacemi a naměřenými průběhy.
Formální stránka je na dobré úrovni. Celkový dojem z práce však kazí občasné překlepy a zbytečně dlouhá souvětí. Grafy naměřených průběhů by bylo vhodnější mít ve vektorovém formátu. Seznam literatury obsahuje celkem 22 zdrojů, které kombinují odbornou literaturu s katalogovými listy. Rešeršní část by však mohla obsahovat více zdrojů z kvalitních vědeckých časopisů nebo konferencí. Antiplagiátorský systém Thesis neodhalil významné shody s jinými pracemi. Pan Dvořák se účastnil pravidelných konzultací a byl v častém kontaktu i online formou. Na konzultace chodil připraven. Oceňoval jsem pravidelná shrnutí dosažených výsledků, díky nimž jsem měl trvalý přehled o tom, na čem právě pracuje.
Vzhledem ke všem uvedeným okolnostem doporučuji práci k obhajobě a navrhuji hodnocení 91 bodů, A. Points proposed by supervisor: 91

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Lukáš Otava, Ph.D.

Bakalářská práce pana Dvořáka se na 60 stranách zabývá vytvořením přípravku laboratorní chladící komory s Peltierovým článkem pro účely identifikace parametrů. Řízení je realizováno v počítači pomocí měřící karty a Simulinku.
Teoretický rozbor tvoří kapitola 1 a část kapitoly 2. Podkapitola 2.2 obsahuje základní testování měřící karty v prostředí Simulink a naplňuje tak první bod zadání. Kapitola 3 se zabývá návrhem potřebných obvodů pro desku plošných spojů užitím výpočtů a simulačních SW elektrických obvodů (bod zadání 2). Kapitoly 4 a 5 (body zadání 3 a 4) shrnují přípravu Simulink části, realizaci a otestování celého přípravku. Kladně hodnotím, že se studentovi podařilo realizovat přípravek včetně návrhu a oživení desky plošných spojů. Očekával bych však detailnější verifikaci měřícího subsystémů (měření teploty, měření proudu Peltierovým článkem).
Důležitou součástí práce je příloha popisující na 16 stranách navrženou laboratorní úlohu a její ukázkové vypracování (bod zadání 5). Jsou obsaženy výpočty parametrů soustavy a výsledky identifikace pomocí jednorázové a průběžné metody nejmenších čtverců. V této části bych ocenil detailnější zdůvodnění strategie identifikace parametrů, včetně odkazů na literaturu ohledně identifikace parametrů. Následuje realizace ON-OFF regulace, zde bych očekával i ověření odezvy systému na působící poruchu (halogenová žárovka).
Z práce je patrné, že body zadání byly splněny. Formální zpracování práce je v pořádku. V práci se vyskytuje malé množství překlepů (např. Obr 3.1). V celém textu bych doporučil věcnější a úspornější způsob vyjadřování. Chybí vysvětlení některých zkratek (např. PRBS). Práci lze považovat za původní, autor se v textu odkazuje na literaturu, převážně ale v teoretické části.
Předložená práce přes uvedené nedostatky svědčí o bakalářských schopnostech studenta. Doporučuji ji k obhajobě s hodnocením B/84 bodů. Topics for thesis defence:
  1. V naměřených průbězích teploty je patrné rušení (např. Obr 5.5), máte pro toto rušení vysvětlení?
  2. Zvažoval jste plynulou regulaci proudu Peltierovým článkem namísto binárního řízení? Jaká by mohla být realizace s použitým driverem?
Points proposed by reviewer: 84

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová