Топ-6 основных компонентов надежной системы мониторинга температуры

За последние несколько годы стало все более распространенным для больниц, клиник, здравоохранения и лайф-сайенс организаций, и других бизнесов использовать электронную систему мониторинга температуры для защиты своих продуктов и удовлетворения регуляторных требований. Вы можете знать, что вам нужна система мониторинга, возможно, с возможностями тревоги, но не уверены, как выбрать лучшую для удовлетворения ваших потребностей. Усложняет дело то, что буквально десятки разных типов систем мониторинга температуры с разными функциями и широким диапазоном цен.

Будь вы поручены рекомендовать, что купить, закупочным агентом или конечным пользователем, вы можете убедиться, что получаете правильную систему, немного узнав о самых важных частях, на которые стоит фокусироваться. Это базовое руководство охватывает шесть частей типичной системы мониторинга температуры, чтобы помочь вам знать, что искать.

Рассмотрите каждый из этих шести факторов при спецификации/выборе системы мониторинга температуры:

1. Температурный зонд или сенсор — Тип температурного зонда повлияет на точность измерения и диапазон измерения температуры. Общие типы сенсоров включают термопару, РТД и термистор.

2. Тепловой буфер — Тепловой буфер помогает сглаживать быстрые температурные флуктуации на сенсоре из-за циклирования компрессора, открывания двери или загрузки/удаления продуктов. Тепловые буферы приходят в форме нейлонового блока, бутылки, заполненной этиленгликолем, и бутылки, заполненной стеклянными бусинами.

3. Устройство измерения температуры — Сердце системы, оно подключается к зонду для измерения и возможно записи температуры. Есть много видов этих, включая автономное устройство мониторинга с локальной памятью для хранения измеренных данных, сетевой/LAN или WiFi измерительный прибор с или без локальной памяти, и беспроводное измерительное устройство, использующее проприетарный протокол коммуникации с базовой станцией или шлюзом, снова с или без локальной памяти.

4. Хранение данных — Пока все приложения мониторинга требуют какого-то типа немедленного отчета данных, большинство также включают запись значений для исторических целей. Локация и объем памяти определяют, сколько исторических данных будет доступно. Память может быть внутренней памятью, локальной базовой станцией или шлюзом, локальным ПК или облачным сервисом.

5. Программное обеспечение — Конечно, любая система потребует некоторое ПО для управления операцией системы. Функции ПО включают конфигурацию, построение графиков, управление тревогами, извлечение данных и отчетность.

6. Тревога — Большинство пользователей хотят немедленного уведомления о температурных экскурсиях за пределами безопасного операционного диапазона. Методы доставки тревоги включают визуальный индикатор, звуковую тревогу, email сообщение, SMS-текстовое сообщение и телефонный звонок.

1. Температурные зонды

Температура — среди самых частых измерений по широкому спектру индустрий, включая пищевую, медицинскую и лайф-сайенс, фармацевтическую, мониторинг машины/оборудования, экологический мониторинг и практически любое другое поле. Системы мониторинга температуры захватывают температурные данные через сенсор, такой как термопару зонд. Поскольку температурные сенсоры спроектированы для такого широкого спектра потребностей, важно, чтобы вы решили на типе сенсоров или входов, которые вы будете использовать.

Три самых частых температурных сенсора, используемых с системами мониторинга температуры — термопары, термисторы и РТД. Термопары — самые частые температурные сенсоры. У них самый широкий диапазон измерений и они типично самые недорогие, но также имеют ограниченную точность — типично ±1-2 °F (±1 °C). РТД имеют более высокую точность, чем термопара, на порядок ±0,2 – 0,5 °F (±0,1 – 0,3 °C). РТД имеют более узкий операционный диапазон, с максимальной температурой 150 – 600 °C, зависящей от материала и конструкции. Термисторы предлагают даже более точные измерения, ± 0,1 °C или лучше, но имеют очень нелинейный отклик и поэтому требуют более продвинутой измерительной системы. Они также имеют более ограниченный операционный диапазон, чем РТД или термопары.

Стоит отметить, что большинство производителей сенсоров могут встроить температурный сенсор в разнообразие типов зондов. От нержавеющих стальных зондов до зондов, подходящих для погружения в жидкости и магнитных поверхностно-контактных зондов, вы можете найти то, что требует ваше приложение.

Термопары — самые широко используемые температурные сенсоры и также один из наименее дорогих доступных сенсоров. Они широко используются там, где стоимость, простота и широкий операционный диапазон первостепенны и где экстремально высокая точность не требуется. Термопара — это два разных металлических провода очень специфических сплавов, сплавленные вместе в одной точке. Термопара производит выходное напряжение (типично в милливольтном уровне) пропорциональное температуре. Измерительная система сэмплирует напряжение, созданное термопарным стыком, и затем применяет калибровочное уравнение для конвертации напряжения в температуру. Мониторинговая система также включает холодную стыковую референцию для компенсации любого смещенного напряжения, происходящего на соединениях между термопарными проводами и самим измерительным устройством. Из-за вариаций в составе термопарного провода, типичные точности термопары на порядке 1-2 °F, хотя специальные составные провода с уменьшенными ошибками также доступны.

Рассмотрите термопары, когда вы просто хотите недорогое устройство, простое в использовании. Заботу следует принимать с средой, в которой вы записываете температуру. Из-за их широкого операционного диапазона термопары могут использоваться почти в любом приложении мониторинга температуры, от жидкого азота криостатов до металлических печей термической обработки. Из-за низковольтного напряжения термопары могут быть неблагоприятные эффекты в электрически шумных средах, особенно когда длина сенсорного провода длинная.

РТД сенсор предоставляет изменение сопротивления, связанное с температурой. Они предлагают более точные чтения, чем термопары, но имеют более узкий операционный диапазон. Самый частый РТД состоит из тонкой платиновой проволоки, наматываемой на цилиндр — никель и медь проволока также используются. Кривая сопротивления против температуры имеет очень специфический наклон и РТД сделан так, что у него специфическое сопротивление при 0 °C, с 100 Ом будучи самым частым значением.

Для измерения температуры мониторинговая система будет источить известный ток через РТД и измерит результирующее напряжение, из которого она может рассчитать сопротивление, используя закон Ома. Наконец, используя наклон кривой сопротивления против температуры и 0 °C сопротивление, она может рассчитать температуру. РТД типично более стабильны и точны, чем термопары, но за счет более ограниченного операционного диапазона. Рассмотрите РТД сенсоры, когда вам нужны высокоточные измерения для узкого температурного окна. Они идеальны для систем мониторинга температуры для морозильников и холодильников.

Термисторы похожи на РТД (они сенсоры, чье сопротивление меняется с температурой), но их изменение сопротивления сильно нелинейно. Как РТД сенсоры, они дают более точные чтения, чем термопары. Из-за этой характеристики термисторы могут предлагать очень точные температурные измерения, до точности 0,01 °C, но только по очень ограниченному температурному диапазону (типично 0 °C до 100 °C). Как РТД, термисторы спроектированы иметь специфическое сопротивление при 0 °C (2252 Ом — обычное значение) и каждое семейство термисторов имеет специфическую характеристику сопротивления против температуры, которую измерительная система должна уметь размещать. Рассмотрите использование термисторов, когда вам нужно записать на самой высокой точности, имеете ограниченный измерительный диапазон и используете систему мониторинга температуры, которая может принять нелинейную кривую сопротивления; например, измерения температуры кожи.

2. Тепловые буферы

Тепловые буферы — тепловые массы (материалы и жидкости), которые прикрепляются к температурному зонду для увеличения временной константы (замедления времени отклика) температурных зондов для более тесного соответствия температуре хранящегося материала. Это имеет главное преимущество заставлять репортируемую температуру более тесно имитировать фактическую температуру вашего рефрижерированного продукта. Бутылки гликоля, нейлоновые блоки и флаконы, полные стеклянных бусин, — частые типы тепловых буферов, используемых в приложениях холодного хранения.

Частый пример — зонд, измеряющий температуру холодильника, используемого для хранения вакцин. Эти зонды имеют гораздо более быстрое время отклика, чем старомодные ртутные термометры. Всякий раз, когда дверь открывается, теплый воздух из комнаты вытесняет холодный воздух в полости. Голый зонд может отреагировать на это изменение и подъем температуры будет детектирован мониторинговой системой. Если дверь открыта только краткий период времени, температура уменьшится обратно к номинальной температуре полости в течение минуты или двух; однако, во время краткого температурного «пика», температуры вакцин не экспоненцируют тот же пик температуры из-за их собственной тепловой массы. Используя тепловой буфер, окружающий температурный зонд, воздушный температурный пик будет «забуферизован» так, что зонд не будет испытывать тот же скачок температуры. Из-за рекомендаций CDC тепловые буферы становятся стандартом в больницах, клиниках и аптеках, а также лабораториях и даже настройках холодной цепи. Используя буфер, вы можете устранить температурные пики в данных от мониторинговой системы, вызванные открыванием двери холодильника или морозильника.

Рисунок 1. Данные температуры цикла морозильника.

В эксперименте голые зонды показали температурные флуктуации, которые сильно снижены через использование различных типов тепловых буферов. Даже циклирование компрессора вашего хранилища может вызывать ложные тревоги и представлять главное неудобство вместе с широко варьирующими температурными данными, которые не отражают фактическую температуру продукта. Рисунок 1 показывает, что чтения голого зонда были экстремально вариабельны по сравнению с буферизованными зондами. Фактически, если бы это было фактическим медицинским приложением мониторинга, голый зонд мог генерировать ложные тревоги просто из-за нормального циклирования рефрижериационного компрессора. Если лимиты установлены слишком туго, даже малая вариация в циклировании может спровоцировать тревогу. Поскольку стабилизация температурных чтений так критична, вы можете избежать назойливых тревог и получить гораздо более точные данные, используя тепловые буферы на всех ваших зондах.

3. Измерительное устройство

Сердце системы — фактическое измерительное устройство температуры. Эти приходят во многих формах, от простых одно-канальных устройств с USB интерфейсом до многоканальных интеллектуальных систем логирования данных. Измерительное устройство подключается к температурным сенсорам, оцифровывает температурное значение, выполняет любую локальную оценку тревоги и записывает чтение в память или передает его на сервер в случае сетевой системы. Измерительное устройство может быть батарейно-оперируемым или может иметь опции для внешнего питания. Они могут иметь фиксированные типы входов и включать сенсоры или они могут иметь универсальные входы с винтовыми терминальными соединениями, позволяющими пользователю прикрепить их выбор сенсоров. Наименее дорогие измерительные устройства имеют одиночный тип входа (только один тип измерения на устройство) и фиксированное число входов, то есть нет расширения. Неважно тип измерительного устройства, есть несколько характеристик, которые нужно считать, чтобы помочь вам сделать правильный выбор.

Частота сэмплирования. После определения того, какой температурный диапазон вам нужно логировать и где вам нужно записывать, помогает решить, как часто вам нужно, чтобы система мониторинга температуры делала измерение. Вам может понадобиться секундное или суб-секундное сэмплирование для промышленного процесса или вам может понадобиться только сделать чтение раз в 30 минут или каждый час просто для того, чтобы держать вкладку на долгосрочной ультрахолодной среде хранения.

Большинство мониторинговых систем могут обрабатывать запись на скоростях до примерно 1 Гц (раз в секунду). Если вам нужна более быстрая скорость сэмплирования, знайте, что по мере увеличения скорости системы, цена тоже растет. Также убедитесь, что скорость записи, которую вы специфицируете, уместна; например, используя К-тип термопару, сенсор/образец может занять несколько секунд для регистрации изменения температуры. Запись такой температуры на 5 Гц дала бы избыточные или бесполезные данные.

Пока мониторинговые устройства обычно потребляют очень мало мощности, если блок работает исключительно на батареях, вы захотите посмотреть на жизнь батареи, которая варьирует значительно основанную на производителе, модели и как часто оно конфигурируется для измерения.

Точность измерения — еще один важный фактор для рассмотрения. Большинство устройств мониторинга температуры достаточно точны для покрытия типичных приложений; например, если вы мониторите комнатную температуру, система, точная в пределах градуса или двух, должна быть достаточной. Но если вы мониторите вакцину или другой рефрижерированный образец, вам может понадобиться высокоточная модель, точная в пределах полуградуса или лучше.

Одна из самых больших различий между устройствами от разных производителей — то, разработан ли температурный монитор для использования как автономный или он должен быть подключен к ПК или сети и если так, какой коммуникационный интерфейс соединяет систему мониторинга температуры с ПК или сетью. Коммуникация может быть сделана множеством разных способов, включая сериал или RS-232 интерфейс, USB интерфейс, Ethernet интерфейс, беспроводное соединение включая Wi-Fi и проприетарные RF ссылки, или клеточное 3G или 4G/LTE.

Автономные системы мониторинга температуры. Многие системы мониторинга температуры могут работать в автономном режиме, означая, что они не требуют ПК или других устройств для записи температуры и обработки тревог. Эти устройства обычно имеют LCD дисплей, показывающий текущие температуры с индикатором или LED для алерта, когда температура вне спека. Некоторые устройства, такие как автономные даталоггеры, очень долговечны и будут продолжать надежно работать годами, в то время как другие типы вроде холодно-цепных рекордеров спроектированы как низкостоимостные, одноразовые устройства.

Автономные устройства типично имеют внутренние батареи, обеспечивающие месяцы до лет операции, но знайте, что скорость сэмплирования обратно связана с жизнью батареи. Эти устройства обычно имеют встроенную нелётную память, которая гарантирует, что записанные данные все еще безопасны, если батарея фейлит или питание потеряно. Блоки с дисплеем часто имеют индикатор для предупреждения вас, когда батарея становится низкой. Есть три типа батарей: перезаряжаемые, неперезаряжаемые пользователем-заменяемые и неперезаряжаемые непользователем-заменяемые (одноразовые).

Наконец, есть вопрос о том, как подключиться к мониторинговой системе для внесения конфигурационных изменений или скачивания сохраненных данных. Сегодня USB соединение — самый популярный выбор, но другие опции включают сериал (RS-232), Ethernet, WiFi и Bluetooth.

В контрасте к автономным устройствам мониторинга температуры, более продвинутые модели имеют способность автоматически отправлять свои данные на ПК, сервер или облако. Они могут подключиться к LAN используя Ethernet или WiFi интерфейс для автоматической отправки данных. Облачные системы предоставляют преимущество управления данными с больших расстояний; например, вы можете видеть текущие температуры где угодно, в любое время используя стандартный веб-браузер на ПК или мобильном устройстве. Зависимо от производителя, облачные системы также могут отправлять предупреждающие е-мейлы, текстовые сообщения или голосовые уведомления всякий раз, когда значения выходят за безопасные окна.

Беспроводные системы мониторинга температуры. Беспроводная технология быстро становится стандартом во многих приложениях включая мониторинг температуры; лайф-сайенс и здравоохранение приложения — главные рынки. Эти системы очень эффективны для мониторинга температуры и тревог в холодильниках и морозильниках, криостатах, складских зонах и инкубаторах. Ключевые особенности беспроводных мониторинговых систем включают беспроводной диапазон, скорость обновления данных и стоимость, основанные на используемой беспроводной технологии.

Беспроводные системы идеальны когда:

• У вас есть число распределенных точек, где вам нужно измерять температуру.

• Было бы трудно или дорого провести провода от ваших точек измерения обратно к центральной локации.

• Данные нужно собирать и передавать из грузовика или другого транспортного средства пока оно в движении, предотвращая использование проводных сенсоров.

• Данные и/или тревоги нужно собирать с сайта, который трудно доступен или не предлагает регулярное интернет-соединение.

Многие производители теперь предоставляют системы, использующие удаленные устройства для сбора температурных измерений в точке мониторинга и затем автоматически отправляющих их чтения через беспроводной коммуникационный линк к базовой станции или беспроводному шлюзу. От базовой станции/шлюза скачанные данные могут быть отправлены по е-мейлу на специфицированные адреса или по сети к локальному или удаленному серверу включая облачные сервисы. Более того, базовая станция может быть настроена для мониторинга предупреждений и отправки тревожных сообщений. Системы, автоматически передающие свои чтения, экономят время и хлопоты поездок к каждому устройству для извлечения данных или проверки статуса.

Есть многие другие опции для фактического беспроводного линка включая стандартные протоколы такие как Zigbee и проприетарные беспроводные системы. Эти системы обычно работают на одной из нелицензированных частотных полос таких как 932 МГц (США) и 2,4 ГГц. Завися от устройства и частоты, беспроводной диапазон может быть от 50 до 1000 футов. Многие системы предлагают беспроводные повторители для расширения беспроводного. В некоторых случаях физическая раскладка может сделать развертывание беспроводной системы трудной. Рассмотрите, будут ли блоки иметь чистую линию зрения к шлюзу или повторителю или их коммуникация будет обструктирована стенами или объектами.

4. Хранение данных

Завися от вашего температурного записывающего приложения, вам может понадобиться только захватить несколько минут данных или вам может понадобиться уметь хранить годы чтений. Вы можете определить количество требуемого хранения данных, умножив число каналов на скорость сэмплирования и длительность записи: Общее число точек = Число каналов × Скорость сэмплирования × Длительность записи.

Рисунок 2. Беспроводная мониторинговая система Accsense.

Когда речь идет о полупостоянном хранении данных от системы мониторинга температуры, вот некоторые опции (Рисунок 2):

Локальная память. Многие мониторинговые системы хранят записанные данные на своей внутренней памяти и есть много разных опций для размера памяти. Завися от устройства, будет какой-то лимит, основанный на размере внутренней памяти. Заметьте, что некоторые мониторинговые устройства не имеют внутренней памяти; они используют внешнюю память такую как USB флешка или SD карта памяти для хранения данных. Хороший провайдер решений мониторинга будет ясен о локальных опциях памяти и ограничениях.

Локальный шлюз. Беспроводные системы мониторинга температуры подключаются к шлюзам, которые автоматически собирают температурные данные. Они могут буферизовать его локально для позднего извлечения или передать на ПК, сервер или онлайн устройство хранения.

Локальный ПК. ПК остаются популярным и недорогим методом для хранения данных. Многие системы мониторинга температуры приходят с ПО, позволяющим данные автоматически скачивать и хранить на локальном ПК.

Облако. Облачное хранение — относительно недавняя способность, но все больше производителей предлагают передовые системы мониторинга температуры, автоматически передающие данные на сервер, управляемый вендором. Эти могут быть бесплатными или платными сервисами. Облачный сервер типично предоставляет инструменты для отображения и скачивания данных. Другие особенности облачных систем включают тревогу, управление конфигурацией системы и генерацию отчетов. Эти системы предлагают удобное решение, когда есть множественные локации, требующие мониторинга или когда множественные пользователи все нуждаются в доступе к данным.

Когда смотрите на опции хранения данных, также важно считать, какая скорость сэмплирования практична для вашего приложения. Многие пользователи изначально заявляют, что хотят записывать данные на один сэмпл в секунду или быстрее. Одна проблема — это быстро заполнит доступную память и приведет к более частым скачиваниям. Когда вы действительно смотрите на скорость изменения температуры образца, хранящегося в холодильнике или морозильнике, быстро становится очевидным, что это может занять минуты для изменения температуры более чем на градус. Еще хуже, с высокоскоростным сэмплированием становится непрактичным анализировать все данные — со скоростью сэмплирования 10 Гц, один день заполнит 864 000 строк в Excel.

5. Программное обеспечение

В конечном счете, вы должны извлечь данные из мониторинговой системы и затем, основанные на приложении, вы можете выбрать построить график, создать отчет или просто архивировать данные в случае, если вам понадобятся они в какой-то точке в будущем. Типично мониторинговая система поставляется с ПО, которое обрабатывает отображение данных, конфигурацию/установку, тревогу и более. В некоторых случаях ПО может прийти с мониторинговой системой или стоить дополнительно, завися от производителя и модели. Последняя генерация устройств предлагает веб-базированные пакеты ПО, которые требуют только стандартный веб-браузер такой как Chrome для конфигурации и извлечения данных.

Как и с ПК ПО, некоторые интерфейсы более пользователь-дружелюбны, чем другие, так что если вы новичок в даталогинге или ваш персонал требуется работать с ПО, убедитесь, что спросите вашего вендора о следующих особенностях/возможностях:

1. Конфигурация — Это область, где пользователь-дружелюбный интерфейс действительно окупается. Вы хотите уметь быстро двигаться через именование сенсоров и установку температурных лимитов и скоростей сэмплирования.

2. Управление тревогами — Здесь вы выбираете, кто получит тревоги и как они будут уведомлены, будь то по е-мейлу, текстовому сообщению или даже стационарным телефонным звонкам с некоторыми моделями.

3. Извлечение данных — Вы захотите уметь извлекать ваши данные так быстро и легко, как возможно и интуитивное ПО действительно помогает здесь.

4. Построение графиков — Полезно для идентификации и отображения трендов данных таких как температурные профили или пики. Многие ПО пакеты также генерируют и печатают отчеты.

5. Генерация отчетов — Способность легко генерировать отчеты соответствия может быть необходима для FDA или других регуляторных тел.

6. Тревоги

Для большинства приложений мониторинга температуры, тревога — способность алертить кого-то, как-то, всякий раз, когда запрограммированные лимиты достигнуты — является основным требованием. Как отмечено выше, тревоги могут быть локальными, где вы должны быть в близости системы, чтобы быть алерченным или они могут быть удаленными, позволяя вам быть уведомленным где угодно вы есть. Другая особенность для поиска — сторожевая тревога, чтобы послать сообщение, если система когда-либо уходит оффлайн или если есть отключение питания. Функции как это критичны, когда продукт, мониторинговый, не заменим.

Звуковая. Если вы знаете, что персонал будет в окрестностях или если вы не в опасности потерять продукт, звуковая тревога может быть достаточной для ваших целей. Просто будьте уверены, что нет негативных последствий пропустить тревогу, такие как задержки процесса или испорченная еда. Хорошее эмпирическое правило — предполагать, что кто-то может не быть в комнате, когда тревога срабатывает.

Видимая. Как с звуковыми тревогами, сначала убедитесь, что даталоггер расположен где-то с высоким трафиком, так что персонал имеет быстрое время отклика.

Е-мейл. Е-мейл алерты одинаково удобны, хотя для критических приложений вы захотите убедиться, что вы осведомлены о том, когда вам е-мейлят — многие пользователи используют свои мобильные устройства для того, чтобы дать им звуковой когда у них входящий тревожный е-мейл.

SMS. SMS текстовые алерты популярный способ получить мгновенную головную тревогу на тревожных событиях. Однажды сконфигурированная, система мониторинга температуры автоматически пошлет тревоги на специфицированный персонал.

Телефон. Некоторые системы предоставляют dial-out способность, обеспечивая немедленное уведомление практически где угодно. Есть системы, поддерживающие и batch и sequential списки звонков и кастомизируемые списки, позволяющие каждому зонду иметь свой собственный набор контактов.

Резюме

С этим базовым пониманием разных частей системы мониторинга температуры, вы теперь достаточно информированы, чтобы думать о том, как вы хотите получить ваши данные и как вы хотите работать с ними. Это отличное место для начала контакта с провайдерами решений и просмотра продуктов и списков функций.

Пост-установка, вы должны начать видеть выгоды в форме сниженных потерь продукта, более низких операционных процессных затрат, более высокой репутации вендора или чего бы ваши специфические потребности ни были.

Эта статья предоставлена CAS DataLoggers, Честерленд, ОХ. Для получения дополнительной информации посетите здесь .