信頼性の高い温度監視システムに不可欠な6つの主要コンポーネント

ここ数年、病院、クリニック、ヘルスケア・ライフサイエンス組織、その他の企業が、製品を保護し規制要件を満たすために電子温度監視システムを使用することがますます一般的になっています。監視システム、おそらくアラーム機能付きが必要だとわかっていても、自分のニーズに最適なものをどう選べばよいかわからないかもしれません。状況を複雑にしているのは、機能や価格帯が異なる文字通り数十種類の温度監視システムが存在することです。

購入の推奨を任されている方、購買担当者、究極のエンドユーザーのいずれであっても、最も重要な部分に焦点を当てて学ぶことで、適切なシステムを確実に選択できます。この基本チュートリアルでは、典型的な温度監視システムの6つの構成要素を取り上げ、何を見るべきかを理解するのに役立ちます。

温度監視システムの仕様/選定時に、以下の6つの要素それぞれを検討してください：

1. 温度プローブまたはセンサー — プローブのタイプは測定精度と温度測定範囲に影響します。一般的なセンサータイプには、熱電対、RTD、サーミスタがあります。

2. 熱緩衝材（サーマルバッファ） — 圧縮機のサイクル、ドアの開閉、製品の出し入れによるセンサーでの急速な温度変動を緩和します。ナイロンブロック、エチレングリコール充填ボトル、ガラスビーズ充填ボトルの形で提供されます。

3. 温度測定デバイス — システムの心臓部で、プローブに接続して温度を測定・記録します。ローカルメモリを備えたスタンドアロン監視デバイス、ローカルメモリの有無にかかわらずLAN/WiFi対応のネットワーク測定デバイス、ベースステーションまたはゲートウェイと独自通信プロトコルを使用するワイヤレス測定デバイス（ローカルメモリの有無あり）など、多くの種類があります。

4. データストレージ — すべての監視アプリケーションで何らかの即時データ報告が必要ですが、ほとんどの場合、履歴目的で値の記録も含まれます。メモリの場所と容量によって、どれだけの履歴データを利用できるかが決まります。メモリは内部メモリ、ローカルベースステーション/ゲートウェイ、ローカルPC、クラウドベースサービスなどがあります。

5. ソフトウェア — 当然ながら、システム操作を制御するためのソフトウェアが必要です。ソフトウェア機能には、設定、グラフ化、アラーム管理、データ取得、レポート作成が含まれます。

6. アラーム — ほとんどのユーザーは、安全動作範囲外の温度逸脱を即座に通知してほしいと考えています。アラーム配信方法には、視覚インジケータ、可聴アラーム、Eメール、SMSテキストメッセージ、電話があります。

1. 温度プローブ

温度は、食品、医療・ライフサイエンス、製薬、機械/設備監視、環境監視、および実質的に他のすべての分野で、最も一般的な測定項目の一つです。温度監視システムは、熱電対プローブなどのセンサーを介して温度データを取得します。温度センサーは非常に多様なニーズ向けに設計されているため、使用するセンサーまたは入力のタイプを決定することが重要です。

温度監視システムで使用される最も一般的な3つの温度センサーは、熱電対、サーミスタ、RTDです。熱電対が最も一般的な温度センサーです。最も広い測定範囲を持ち、通常最も安価ですが、精度は限定的で、通常±1〜2°F（±1°C）です。RTDは熱電対より高精度で、±0.2〜0.5°F（±0.1〜0.3°C）程度です。RTDの動作範囲はより狭く、材料と構造により最大温度は150〜600°Cです。サーミスタはさらに精密な測定が可能で、±0.1°Cまたはそれ以上の精度ですが、応答が非常に非線形であるため、より高度な測定システムを必要とします。また、RTDや熱電対より動作範囲が限られています。

ほとんどのセンサーメーカーは、温度センサーをさまざまなプローブタイプに組み込むことができる点に注意してください。ステンレスプローブから液浸用プローブ、磁気表面接触プローブまで、用途に合ったものを見つけられます。

熱電対は、最も広く使用されている温度センサーであり、最も安価なセンサーの一つでもあります。コスト、シンプルさ、広い動作範囲が最優先で、極めて高い精度が要求されない場面で広く使用されます。熱電対は、特定の合金である2種類の異なる金属線が1点で溶接されたものです。熱電対は温度に比例した出力電圧（通常ミリボルトレベル）を生成します。測定システムは熱電対接点で生成される電圧をサンプリングし、校正方程式を適用して電圧を温度に変換します。また、熱電対線と測定デバイス間の接続で生じるオフセット電圧を補償するため、冷接点基準も組み込まれています。熱電対線の組成のばらつきにより、典型的な熱電対精度は1〜2°F程度ですが、誤差を減らした特殊組成線も利用可能です。

低コストで使いやすいデバイスを求める場合は熱電対を検討してください。温度を記録する環境には注意が必要です。広い動作範囲のため、液体窒素クライオスタットから金属熱処理炉まで、ほぼあらゆる温度監視アプリケーションで使用できます。熱電対は低レベル電圧のため、センサー線が長い場合、電気的にノイズの多い環境では悪影響を受ける可能性があります。

RTDセンサーは、温度に関連した抵抗変化を提供します。熱電対より正確な読み取りが可能ですが、動作範囲は狭くなります。最も一般的なRTDは、シリンダーに細い白金線を巻いたもので、ニッケル線や銅線も使用されます。抵抗-温度曲線は非常に特定の傾きを持ち、RTDは0°Cでの特定抵抗（100Ωが最も一般的）を持つように作られます。

温度を測定するには、監視システムが既知の電流をRTDに流し、生成される電圧を測定し、オームの法則から抵抗を計算します。最後に、抵抗-温度曲線の傾きと0°Cでの抵抗を用いて温度を計算します。RTDは一般的に熱電対より安定で正確ですが、動作範囲がより限定されます。狭い温度ウィンドウで高精度測定が必要な場合にRTDセンサーを検討してください。冷凍庫や冷蔵庫の温度監視システムに最適です。

サーミスタはRTDと同様に（温度に応じて抵抗が変化するセンサー）ですが、抵抗変化が高度に非線形です。RTDセンサーと同様に、熱電対より正確な読み取りが可能です。この特性により、サーミスタは非常に正確な温度測定（0.01°Cまたはそれ以上の精度）を提供できますが、非常に限定された温度範囲（通常0°C〜100°C）でのみです。RTDと同様に、サーミスタは0°Cでの特定抵抗（2252Ωが一般的）を持つように設計され、各サーミスタファミリーは特定の抵抗-温度特性を持ち、測定システムがそれに対応できる必要があります。最高精度で記録する必要があり、測定範囲が限定され、非線形抵抗曲線を受け入れられる温度監視システムを使用している場合（例：皮膚温度測定）にサーミスタの使用を検討してください。

2. 熱緩衝材（サーマルバッファ）

熱緩衝材は、温度プローブに取り付ける熱質量（材料や液体）で、温度プローブの時定数を増やし（応答時間を遅くし）、保存物質の温度により近づけます。これにより、報告される温度が冷蔵製品の実際の温度により近く模倣されるという大きなメリットがあります。グリコールボトル、ナイロンブロック、ガラスビーズ入りバイアルは、冷蔵用途で使用される一般的な熱緩衝材です。

一般的な例は、ワクチン保管用冷蔵庫の温度を測定するプローブです。これらのプローブは、古い水銀温度計よりもはるかに速い応答時間を持ちます。ドアが開かれると、室内の暖かい空気が庫内の冷気を置き換えます。裸のプローブはこの変化に反応し、監視システムが温度上昇を検知します。ドアが短時間しか開いていない場合、温度は1〜2分で庫内の公称温度に戻ります。しかし、この短い温度「スパイク」の間、ワクチン自体の温度は独自の熱質量により同じようなスパイクを示しません。温度プローブを熱緩衝材で囲むことで、空気温度のスパイクが「緩衝」され、プローブは同じ温度ジャンプを経験しません。CDCの推奨により、熱緩衝材は病院、クリニック、薬局、研究室、さらにはコールドチェーン設定でも標準化しつつあります。バッファを使用することで、冷蔵庫や冷凍庫のドア開閉による監視システムデータの温度スパイクを排除できます。

図1. フリーザーサイクル温度データ

実験では、裸プローブが示す温度変動が、さまざまなタイプの熱緩衝材の使用によって大幅に減少することが示されました。保存ユニットの圧縮機サイクルでさえ、誤報や大きな不便、実際の製品温度を反映しない大きく変動する温度データの原因となります。図1は、裸プローブの読み取り値がバッファ付きプローブと比較して極めて変動しやすいことを示しています。実際、これが実際の医療監視アプリケーションであれば、冷凍機圧縮機の正常なサイクルだけで裸プローブが誤報を生成する可能性があります。閾値を厳しく設定しすぎると、サイクルのわずかな変動でもアラームがトリガーされます。温度読み取りの安定化が非常に重要であるため、すべてのプローブに熱緩衝材を使用することで、迷惑アラームを防ぎ、はるかに正確なデータを得られます。

3. 測定デバイス

システムの心臓部は、実際の温度測定デバイスです。これらは、USBインターフェースを備えたシンプルなシングルチャネルデバイスから、マルチチャネルのインテリジェントデータロギングシステムまで、多くの形態があります。測定デバイスは温度センサーに接続し、温度値をデジタル化し、ローカルアラーム評価を実行し、読み取り値をメモリに記録するか、ネットワークベースシステムの場合はサーバーに送信します。測定デバイスは電池駆動または外部電源オプションを備える場合があります。固定入力タイプでセンサーを含むものや、ユーザーが選択したセンサーを接続できるネジ端子付きユニバーサル入力を備えるものがあります。最も安価な測定デバイスは、シングル入力タイプ（デバイスごとに1種類の測定のみ）と固定入力数（拡張不可）を備えています。測定デバイスのタイプにかかわらず、適切な選択をするために考慮すべき特性がいくつかあります。

サンプリングレート。 記録する温度範囲と場所を決定した後、温度監視システムがどのくらいの頻度で測定を行う必要があるかを決めることが役立ちます。工業プロセスでは秒またはサブ秒サンプリングが必要な場合もあれば、長期超低温保存環境を監視するだけであれば、30分ごとや1時間ごとの読み取りで十分な場合もあります。

ほとんどの監視システムは、約1Hz（1秒に1回）までの記録レートを処理できます。より高速なサンプルレートが必要な場合、システム速度が上がると価格も上がることに注意してください。また、指定する記録レートが適切かどうか確認してください。例えば、Kタイプ熱電対を使用する場合、センサー/サンプルが温度変化を登録するのに数秒かかることがあります。そのような温度を5Hzで記録すると、冗長または無意味なデータになります。

監視デバイスは通常非常に少ない電力を消費しますが、電池のみで動作する場合、電池寿命を確認してください。メーカー、モデル、測定頻度の設定によって大きく異なります。

測定精度も考慮すべき重要な要素です。ほとんどの温度監視デバイスは典型的なアプリケーションをカバーするのに十分な精度です。例えば、室温を監視する場合、1〜2度以内の精度のシステムで十分です。しかし、ワクチンやその他の冷蔵サンプルを監視する場合、0.5度以上の精度を持つ高精度モデルが必要かもしれません。

異なるメーカーのデバイス間で最大の違いの一つは、温度モニターがスタンドアロンで使用するように設計されているか、PCやネットワークに接続する必要があるか、そしてその場合、温度監視システムをPCやネットワークに接続する通信インターフェースが何であるかです。通信は、シリアル/RS-232インターフェース、USBインターフェース、Ethernetインターフェース、Wi-Fiや独自RFリンクを含むワイヤレス接続、セルラー3Gや4G/LTEなど、多くの異なる方法で行えます。

スタンドアロン温度監視システム。 多くの温度監視システムはスタンドアロンモードで動作でき、温度記録とアラーム処理にPCや他のデバイスを必要としません。これらのデバイスは一般的に現在の温度を表示するLCDディスプレイと、温度が仕様外のときに警告するインジケータまたはLEDを備えています。スタンドアロンデータロガーのような一部のデバイスは非常に耐久性があり、数年間確実に動作し続けますが、コールドチェーンレコーダーのような他のタイプは、低コストの使い捨てデバイスとして設計されています。

スタンドアロンデバイスは通常、数か月から数年の動作を提供する内部電池を備えていますが、サンプルレートは電池寿命と逆相関することに注意してください。これらのデバイスは通常、電池故障や電源喪失時にも記録データが安全であることを保証する内蔵不揮発性メモリを備えています。ディスプレイ付きユニットでは、電池残量が少なくなると警告するインジケータを持つことがよくあります。電池には、充電式、ユーザー交換可能な非充電式、非充電式非交換式（使い捨て）の3タイプがあります。

最後に、設定変更や保存データのダウンロードのために監視システムに接続する方法の問題があります。今日ではUSB接続が最も一般的ですが、シリアル（RS-232）、Ethernet、WiFi、Bluetoothなどのオプションもあります。

スタンドアロン温度監視デバイスとは対照的に、より高度なモデルはデータをPC、サーバー、またはクラウドに自動的に送信する機能を備えています。EthernetまたはWiFiインターフェースを使用してLANに接続し、データを自動的に送信できます。クラウドベースシステムは、遠距離からのデータ管理という利点を提供します。例えば、標準のWebブラウザを使用して、PCやモバイルデバイスからいつでもどこでも現在の温度を確認できます。メーカーによっては、クラウドベースシステムが警告メール、テキストメッセージ、音声通知を値が安全ウィンドウ外に出たときに送信することもできます。

ワイヤレス温度監視システム。 ワイヤレス技術は、温度監視を含む多くのアプリケーションで急速に標準になりつつあります。ライフサイエンスとヘルスケアアプリケーションは主要市場です。これらのシステムは、冷蔵庫、冷凍庫、クライオスタット、保管エリア、インキュベーターでの温度監視とアラームに非常に効果的です。ワイヤレス監視システムの主な特徴には、ワイヤレス範囲、データ更新レート、使用されるワイヤレス技術に基づくコストがあります。

ワイヤレスシステムが理想的なのは：

• 複数の分散したポイントで温度を測定する必要がある場合。

• 測定ポイントから中央の場所まで配線するのが困難または高価な場合。

• トラックやその他の車両が移動中にデータを収集・送信する必要があり、有線センサーが使用できない場合。

• アクセスが困難なサイトや、定期的なインターネット接続がないサイトからデータやアラームを収集する必要がある場合。

多くのメーカーが、監視対象ポイントで温度測定を収集するリモートデバイスを使用し、測定値をワイヤレス通信リンク経由でベースステーションまたはワイヤレスゲートウェイに自動的に送信するシステムを提供しています。ベースステーション/ゲートウェイから、ダウンロードされたデータを指定アドレスにメールで送信したり、ネットワーク経由でローカルまたはリモートサーバー（クラウドベースサービスを含む）に送信したりできます。さらに、ベースステーションを設定して警告を監視し、アラームメッセージを送信できます。測定値を自動的に転送するシステムは、各デバイスまでデータを取りに行ったりステータスを確認したりする時間と手間を省きます。

実際のワイヤレスリンクには、Zigbeeなどの標準プロトコルや独自ワイヤレスシステムなど、多くの他のオプションがあります。これらのシステムは通常、932MHz（米国）や2.4GHzなどの非ライセンス周波数帯で動作します。デバイスと周波数によって、ワイヤレス範囲は50〜1,000フィートになります。多くのシステムがワイヤレスリピーターを提供して範囲を拡張します。場合によっては、物理的なレイアウトがワイヤレスシステムの導入を困難にすることがあります。ユニットがゲートウェイやリピーターに対して明確な視線を持つか、壁や物体によって通信が遮断されないかを検討してください。

4. データストレージ

温度記録アプリケーションによっては、数分分のデータのみを取得する必要がある場合もあれば、数年分の読み取り値を保存する必要がある場合もあります。必要なデータストレージ量は、チャネル数 × サンプルレート × 記録期間で計算できます：総データポイント数 = チャネル数 × サンプルレート × 記録期間。

図2. Accsenseワイヤレス監視システム

温度監視システムからのデータを半永久的に保存する場合、いくつかのオプションがあります（図2）：

ローカルメモリ。 多くの監視システムは記録データを内部メモリに保存し、メモリサイズにはさまざまなオプションがあります。デバイスによって、内部メモリのサイズに基づく何らかの制限があります。一部の監視デバイスは内部メモリを持たず、USBメモリやSDメモリカードなどの外部メモリをデータストレージに利用します。優れた監視システムソリューションプロバイダーは、ローカルメモリのオプションと制限について明確に説明します。

ローカルゲートウェイ。 ワイヤレス温度監視システムはゲートウェイに接続し、温度データを自動的に収集します。それらは後で取得するためにローカルにバッファリングしたり、PC、サーバー、オンラインストレージデバイスに送信したりします。

ローカルPC。 PCは依然としてデータ保存の一般的で安価な方法です。多くの温度監視システムには、データを自動的にダウンロードしてローカルPCに保存するソフトウェアが付属しています。

クラウド。 クラウドストレージは比較的最近の機能ですが、ますます多くのメーカーが、ベンダーが管理するサーバーにデータを自動的に送信する高度な温度監視システムを提供しています。これらは無料または有料サービスです。クラウドサーバーは通常、データの表示とダウンロードのためのツールを提供します。クラウドベースシステムのその他の機能には、アラーム、システム設定管理、レポート生成があります。これらのシステムは、監視が必要な複数の場所がある場合や、複数のユーザーがすべてデータにアクセスする必要がある場合に便利なソリューションを提供します。

データストレージオプションを見るとき、アプリケーションにとって実用的なサンプルレートが何であるかを考慮することも重要です。多くのユーザーは最初、1サンプル/秒以上でデータを記録たいと述べます。問題の一つは、利用可能なメモリがすぐにいっぱいになり、より頻繁なダウンロードにつながることです。冷蔵庫や冷凍庫に保存されたサンプルの温度変化率を実際に見ると、温度が1度以上変化するのに数分かかることがすぐにわかります。さらに悪いことに、高速サンプリングではすべてのデータを分析するのが非現実的になります。サンプルレート10Hzでは、1日でExcelに864,000行が埋まります。

5. ソフトウェア

最終的に、監視システムからデータを取得し、アプリケーションに基づいてグラフ化、レポート作成、または将来必要になる場合に備えて単にアーカイブすることになります。通常、監視システムにはデータ表示、設定/セットアップ、アラームなどを処理するソフトウェアが付属しています。場合によっては、ソフトウェアが監視システムに付属するか、メーカーとモデルによっては別途費用がかかることがあります。最新世代のデバイスは、Chromeなどの標準Webブラウザのみを必要とするWebベースのソフトウェアパッケージを提供しています。

PCソフトウェアと同様に、インターフェースの使いやすさは様々です。データロギングが初めての場合や、スタッフがソフトウェアを操作する必要がある場合は、ベンダーに以下の機能/能力について問い合わせてください：

1. 設定 — ユーザーフレンドリーなインターフェースが真価を発揮する領域です。センサーの命名、温度制限、サンプルレートの設定を素早く行えることが望まれます。

2. アラーム管理 — ここで、誰がアラームを受け取り、どう通知されるか（メール、テキストメッセージ、一部モデルでは固定電話への音声通話など）を選択します。

3. データ取得 — データをできるだけ迅速かつ容易に取得したいものです。直感的なソフトウェアがここで大いに役立ちます。

4. グラフ化 — 温度プロファイルやスパイクなどのデータ傾向の特定と表示に有用です。多くのソフトウェアパッケージはレポートの生成と印刷も行います。

5. レポート生成 — FDAやその他の規制機関向けのコンプライアンスレポートを簡単に生成できる機能が必要な場合があります。

6. アラーム

ほとんどの温度監視アプリケーションでは、アラーム（プログラムされた制限に達したときに、何らかの方法で誰かに警告する機能）は核心的な要件です。前述のように、アラームはローカル（システムの近くにいなければ警告を受け取れない）またはリモート（どこにいても通知を受け取れる）のいずれかです。もう一つ注目すべき機能は、システムがオフラインになったり停電が発生したりしたときにメッセージを送信するウォッチドッグアラームです。監視対象の製品が代替不可能な場合、このような機能は不可欠です。

ローカルアラームは、LEDインジケータやブザーから、サイレン、ホーンなどへの接続用外部アラームリレー出力まで多岐にわたります。より高度なモデルでは、スマートフォンに自動的にメールやテキストアラームを送信し、製品やプロセスの潜在的に重大な変化を常に把握できます。歴史的には、非常にシンプルな監視システムが電話オートダイヤルを使用して音声アラームを提供していましたが、現代の監視システムはデータを直接セキュアなクラウドサーバーに送信し、確認応答付きの順次コールリストなど、より高度な機能を提供します。

可聴。 担当者が近くにいることがわかっている場合や、製品を失う危険がない場合は、可聴アラームで十分かもしれません。アラームを見逃してもプロセス遅延や食品腐敗などの悪影響がないことを確認してください。誰も部屋にいないときにアラームが鳴る可能性があると想定するのが良い経験則です。

可視。 可聴アラームと同様に、まずデータレコーダーが人通りの多い場所にあり、担当者が迅速に対応できることを確認してください。

Eメール。 メールアラートも同様に便利ですが、重要なアプリケーションでは、メールを受信したときに気づけることを確認してください。多くのユーザーは、着信アラームメールでモバイルデバイスに可聴通知を出すようにしています。

SMS。 SMSテキストアラートは、アラームイベントを即座に把握する一般的な方法です。設定すると、温度監視システムが自動的に指定担当者にアラームを送信します。

電話。 一部のシステムはダイヤルアウト機能を提供し、事実上どこへでも即座に通知できます。一括および順次コールリストをサポートし、各プローブごとに独自の連絡先セットを許可するカスタマイズ可能なリストを備えたシステムもあります。

まとめ

温度監視システムのさまざまな部分について基本的な理解が得られた今、データをどう取得し、どう扱いたいかを考えるのに十分な情報が揃いました。これはソリューションプロバイダーに連絡し、製品と機能リストを見るための良い出発点です。

導入後は、製品損失の削減、運用プロセスコストの低減、ベンダー評判の向上、または固有のニーズに応じたメリットが見えてくるはずです。

本記事は、CAS DataLoggers（オハイオ州チェスターランド）によって寄稿されました。詳細についてはこちらをご覧ください。