信頼性の高い温度監視システムのトップ 6 の必須コンポーネント

ここ数年、病院、診療所、ヘルスケアおよびライフサイエンス組織、その他の企業が製品を保護し、規制の要求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きています。おそらく警報機能を備えた監視システムが必要であることはわかっていても、ニーズを満たす最適な監視システムを選択する方法がわからない場合があります。問題を複雑にしているのは、温度監視システムには文字通り何十もの種類があり、機能も価格もさまざまです。

何を購入するかを推奨する任務を負っている場合でも、購入エージェント、または最終的なエンド ユーザーであっても、焦点を当てるべき最も重要な部分について少し学ぶことで、適切なシステムを確実に入手できるようになります。この基本的なチュートリアルでは、何を確認すべきかを知るのに役立つ、一般的な温度監視システムの 6 つの部分について説明します。

温度監視システムを指定/選択するときは、次の 6 つの要素をそれぞれ考慮してください。

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温度プローブまたはセンサー — 温度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。一般的なセンサーの種類には、熱電対、RTD、サーミスターなどがあります。

サーマルバッファ — 熱バッファーは、コンプレッサーのサイクリング、ドアの開閉、または製品の積み込み/取り外しによるセンサーでの急激な温度変動を滑らかにするのに役立ちます。熱緩衝剤は、ナイロン ブロック、エチレン グリコールが充填されたボトル、およびガラス ビーズが充填されたボトルの形で提供されます。

温度測定装置 — システムの心臓部であり、温度を測定し、場合によっては記録するためにプローブに接続されます。これらには、測定データを保存するローカル メモリを備えたスタンドアロンのモニタリング デバイス、ローカル メモリの有無にかかわらずネットワーク/LAN または WiFi 測定デバイス、基地局またはゲートウェイとの独自の通信プロトコルを使用するワイヤレス測定デバイス (これもローカル メモリの有無にかかわらず) など、さまざまな種類があります。

データ ストレージ — すべての監視アプリケーションは何らかの即時データ レポートを必要としますが、ほとんどのアプリケーションには履歴目的で値を記録する機能も含まれています。メモリの場所と量によって、利用可能な履歴データの量が決まります。メモリには、内部メモリ、ローカル ベース ステーションまたはゲートウェイ、ローカル PC、またはクラウドベースのサービスを使用できます。

ソフトウェア — もちろん、どのシステムでも、システムの動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、構成、グラフ作成、アラーム管理、データ取得、レポート作成が含まれます。

憂慮すべき — ほとんどのユーザーは、安全な動作範囲を超えた温度の逸脱を即座に通知することを望んでいます。アラームの配信方法には、視覚的なインジケータ、可聴アラーム、電子メール メッセージ、SMS テキスト メッセージ、電話が含まれます。

1.温度プローブ

温度は、食品、医療およびライフサイエンス、製薬、機械/装置の監視、環境監視、その他あらゆる分野を含む幅広い業界で最も一般的な測定値の 1 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。温度センサーはさまざまなニーズに合わせて設計されているため、使用するセンサーまたは入力の種類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温度センサーは、熱電対、サーミスター、RTD の 3 つです。熱電対は最も一般的な温度センサーです。測定範囲が最も広く、通常は最も安価ですが、精度が制限されており、通常は ±1 ～ 2 °F (±1 °C) です。 RTD は熱電対よりも精度が高く、±0.2 ～ 0.5 °F (±0.1 ～ 0.3 °C) 程度です。 RTD の動作範囲は狭く、材質や構造にもよりますが、最高温度は 150 ～ 600 °C です。サーミスタは、± 0.1 °C 以上のさらに正確な測定を提供しますが、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が必要です。また、RTD や熱電対よりも動作範囲が制限されています。

ほとんどのセンサー メーカーは、さまざまな種類のプローブに温度センサーを組み込むことができることに注意してください。ステンレス鋼プローブから、液体への浸漬に適したプローブや磁性表面接触プローブまで、アプリケーションに必要なものが見つかります。

熱電対 は最も広く使用されている温度センサーであり、入手可能なセンサーの中でも最も安価なセンサーの 1 つです。これらは、コスト、シンプルさ、広い動作範囲が最優先され、非常に高い精度が要求されない場合に広く使用されています。熱電対は、非常に特殊な合金からなる 2 本の異なる金属線が 1 点で融合されたものです。熱電対は、温度に比例した出力電圧 (通常はミリボルトレベル) を生成します。測定システムは、熱電対接合部によって生成された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。この監視システムには、熱電対ワイヤと測定デバイス自体の間の接続で発生するオフセット電圧を補償する冷接点基準も組み込まれています。熱電対ワイヤの組成にはばらつきがあるため、一般的な熱電対の精度は 1 ～ 2 °F 程度ですが、誤差が低減された特殊な組成のワイヤも利用可能です。

使いやすい低コストのデバイスが必要な場合は、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。熱電対は動作範囲が広いため、液体窒素クライオスタットから金属熱処理オーブンに至るまで、ほぼすべての温度監視アプリケーションで使用できます。熱電対の低レベル電圧のため、電気的にノイズの多い環境では、特にセンサー ワイヤの長さが長い場合に悪影響が生じる可能性があります。

RTD センサー 温度に関連した抵抗の変化を提供します。熱電対よりも正確な測定値が得られますが、動作範囲は狭くなります。最も一般的な RTD は、シリンダーの周りに巻かれた細いプラチナ線で構成されており、ニッケル線や銅線も使用されます。抵抗対温度の曲線には非常に特殊な傾きがあり、RTD は 0 °C での比抵抗が最も一般的な値である 100 Ω になるように作られています。

温度を測定するために、監視システムは RTD を介して既知の電流を供給し、その結果生じる電圧を測定し、そこからオームの法則を使用して抵抗を計算します。最後に、抵抗対温度曲線の傾きと 0 °C の抵抗を使用して、温度を計算できます。 RTD は通常、熱電対よりも安定していて正確ですが、動作範囲がより制限されます。狭い温度範囲で高精度の測定が必要な場合は、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。

サーミスター RTD (温度によって抵抗が変化するセンサー) に似ていますが、抵抗の変化は非常に非線形です。 RTD センサーと同様に、熱電対よりも正確な読み取り値を取得します。この特性により、サーミスタは、非常に限られた温度範囲 (通常 0 °C ～ 100 °C) でのみ、精度 0.01 °C までの非常に正確な温度測定を提供できます。 RTD と同様に、サーミスタは 0 °C で比抵抗 (2252 Ω が一般的な値) になるように設計されており、サーミスタの各ファミリには、測定システムが対応できる比抵抗対温度特性があります。最高の精度で記録する必要があり、測定範囲が限られており、非線形抵抗曲線を受け入れることができる温度監視システムを使用している場合は、サーミスターの使用を検討してください。たとえば、皮膚温度の測定など。

2.サーマルバッファ

サーマルバッファは、温度プローブに取り付けられる熱質量（材料および液体）で、保管されている材料の温度をより厳密に一致させるために、温度プローブの時定数を増加させる（応答時間を遅くする）ために使用されます。これには、報告される温度が冷蔵製品の実際の温度により近くなるという大きな利点があります。グリコールボトル、ナイロンブロック、ガラスビーズが入ったバイアルは、冷蔵保管用途で使用される一般的なタイプの熱緩衝剤です。

一般的な例は、ワクチンの保管に使用される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、旧式の水銀温度計よりも応答時間がはるかに高速です。ドアが開くたびに、部屋からの暖かい空気が空洞内の冷たい空気を追い出します。裸のプローブはこの変化に反応することができ、温度の上昇は監視システムによって検出されます。ドアが短時間しか開いていない場合、温度は 1 ～ 2 分以内にキャビティの公称温度に戻ります。ただし、短期間の温度の「スパイク」の間、ワクチンの温度は、それ自体の熱質量により、同じ温度のスパイクを示しません。温度プローブの周囲に熱バッファを使用することにより、気温のスパイクが「緩衝」され、プローブが同様の温度上昇を経験することがなくなります。 CDC の推奨により、サーマルバッファーは病院、診療所、薬局だけでなく研究室、さらにはコールドチェーン環境でも標準になりつつあります。バッファを使用すると、冷蔵庫または冷凍庫のドアを開けることによって引き起こされる監視システムからのデータの温度スパイクを排除できます。

図 1. 冷凍サイクル温度データ。

実験では、裸のプローブは温度変動を示し、さまざまなタイプの熱バッファを使用することで温度変動が大幅に低減されることが示されました。ストレージユニットのコンプレッサーのサイクルによっても誤警報が発生し、実際の製品温度を反映しない温度データの変動が大きくなり、大きな不便を引き起こす可能性があります。図 1 は、裸のプローブの読み取り値が、緩衝化されたプローブと比較して非常にばらついた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った場合、単に冷凍コンプレッサーの通常のサイクルが原因で、裸のプローブが誤警報を生成する可能性があります。制限が厳しすぎると、サイクリングのわずかな変動でもアラームがトリガーされる可能性があります。温度測定値を安定させることは非常に重要であるため、すべてのプローブに熱バッファーを使用することで、迷惑なアラームを回避し、より正確なデータを取得できます。

3.測定装置

システムの心臓部は実際の温度測定装置です。これらには、USB インターフェイ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 インテリジェント データ ロギング システムまで、さまざまな形式があります。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、測定値のメモリを記録するか、ネットワークベースのシステムの場合は測定値をサーバーに送信します。測定デバイスはバッテリー駆動であることも、外部電源のオプションを備えている場合もあります。固定入力タイプでセンサーが組み込まれている場合もあれば、ユーザーが任意のセンサーを取り付けられるようにネジ端子接続を備えたユニバーサル入力を備えている場合もあります。最も安価な測定デバイスは、単一の入力タイプ (デバイスごとに 1 つの測定タイプのみ) と固定数の入力、つまり拡張がないことを特徴としています。測定デバイスの種類に関係なく、正しい選択をするために考慮する必要があるいくつかの特性があります。

サンプリング レート。 どの温度範囲をログに記録する必要があるか、どこに記録する必要があるかを決定したら、温度監視システムによる測定の頻度を決定するのに役立ちます。工業プロセスでは 2 秒または 1 秒未満のサンプリングが必要な場合もありますし、長期の超低温保管環境を監視するために 30 分ごとまたは 1 時間ごとに 1 回測定するだけで十分な場合もあります。

ほとんどのモニタリング システムは、最大約 1 Hz (1 秒に 1 回) のレートで記録を処理できます。より高速なサンプル レートが必要な場合は、システムの速度が上がるにつれて価格も上がることに注意してください。また、指定している記録レートが適切であることを確認してください。たとえば、K タイプ熱電対を使用すると、センサー/サンプルが温度の変化を記録するのに数秒かかる場合があります。このような温度を 5 Hz で記録すると、冗長なデータまたは役に立たないデータが提供されてしまいます。

モニタリング デバイスは通常、ほとんど電力を消費しませんが、ユニットがバッテリーのみで動作する場合は、バッテリー寿命を確認する必要があります。バッテリー寿命は、メーカー、モデル、測定を行うように構成されている頻度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、一般的なアプリケーションをカバーできるほど正確です。たとえば、室温を監視する場合、精度が 1 ～ 2 度以内のシステムで十分です。ただし、ワクチンやその他の冷蔵サンプルをモニタリングしている場合は、0.5 度以内の精度の高精度モデルが必要になる場合があります。

異なるメーカーのデバイス間の最大の違いの 1 つは、温度モニターがスタンドアロンとして使用するように設計されているか、それとも PC またはネットワークに接続する必要があるか、また接続する場合は、温度モニター システムを PC またはネットワークに接続する通信インターフェイスが何であるかです。通信は、シリアルまたは RS-232 インターフェイス、USB インターフェイス、イーサネット インターフェイス、Wi-Fi や独自の RF リンクを含むワイヤレス接続、セルラー 3G または 4G/LTE など、さまざまな方法で行うことができます。

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 モードで動作できます。つまり、温度の記録やアラームの処理に PC やその他のデバイスは必要ありません。これらのデバイスには通常、現在の温度を表示する LCD ディスプレイがあり、温度が規格外の場合に警告するインジケーターまたは LED が付いています。スタンドアロン データ ロガーなどの一部のデバイスは耐久性が高く、何年も確実に動作し続けますが、コールド チェーン レコーダーなどの他のタイプは、低コストの使い捨てデバイスとして設計されています。

通常、スタンドアロン デバイスには内蔵バッテリーがあり、数か月から数年間動作しますが、サンプル レートはバッテリー寿命に反比例することに注意してください。通常、これらのデバイスには不揮発性メモリが内蔵されており、バッテリーが切れたり電源が失われたりした場合でも、記録されたデータは安全に保たれます。ディスプレイ付きのユニットには、バッテリーの残量が少なくなると警告するインジケーターが付いていることがよくあります。バッテリーには、充電式、ユーザーが交換可能な非充電式、および交換不可能な非充電式 (使い捨て) の 3 種類があります。

最後に、構成を変更したり保存されたデータをダウンロードしたりするために監視システムに接続する方法の問題があります。現在、USB 接続が最も一般的な選択肢ですが、シリアル (RS-232)、イーサネット、WiFi、Bluetooth などのオプションもあります。

スタンドアロンの温度監視デバイスとは対照的に、より高度なモデルには、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があります。イーサネットまたは WiFi インターフェイスを使用して LAN に接続し、データを自動的に送信できます。クラウドベースのシステムには、長距離からデータを管理できるという利点があります。たとえば、PC またはモバイル デバイスの標準 Web ブラウザを使用して、いつでもどこでも現在の温度を表示できます。メーカーによっては、クラウドベースのシステムは、値が安全な範囲を超えた場合に警告メール、テキスト メッセージ、または音声通知を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のアプリケーションは主要な市場です。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、保育器の温度監視と警報に非常に効果的です。ワイヤレス モニタリング システムの主な機能には、使用されるワイヤレス テクノロジーに基づくワイヤレス範囲、データ更新レート、コストが含まれます。

ワイヤレス システムは次の場合に最適です。

• 温度を測定する必要がある分散ポイントが多数あります。

• 測定ポイントから中央の場所まで配線するのは困難であったり、費用がかかったりします。

• 走行中のトラックやその他の車両からデータを収集して送信する必要があるため、有線センサーを使用できません。

• データやアラームは、アクセスが難しいサイト、または通常のインターネット接続を提供しないサイトから収集する必要があります。

現在、多くのメーカーは、リモート デバイスを使用して監視対象の温度測定値を収集し、測定値を無線通信リンクを介して基地局または無線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。ダウンロードされたデータは、ベースステーション/ゲートウェイから指定されたアドレスに電子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のサーバー (クラウドベースのサービスを含む) に送信したりできます。さらに、ベースステーションは、警告を監視し、アラームメッセージを送信するように設定できます。測定値を自動的に転送するシステムにより、データを取得したりステータスを確認したりするために各デバイスに移動する時間と手間が省けます。

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のワイヤレス システムなど、他にも多くのオプションがあります。これらのシステムは通常、932 MHz (米国) や 2.4 GHz などのライセンスのない周波数帯域の 1 つで動作します。デバイスと周波数に応じて、ワイヤレス範囲は 50 ～ 1,000 フィートになります。多くのシステムでは、ワイヤレスを拡張するためにワイヤレス リピータが提供されています。場合によっては、物理的なレイアウトによってワイヤレス システムの導入が困難になることがあります。ユニットがゲートウェイやリピーターまで見通しがきくかどうか、あるいはそれらの通信が壁や物体によって妨げられないかどう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、数分間のデータを取得するだけで済む場合もあれば、数年分の測定値を保存できる必要がある場合もあります。必要なデータ ストレージの量は、チャネル数にサンプル レートと記録期間を掛けることで決定できます。合計ポイント数 =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には、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ており、メモリ サイズにはさまざまなオプションがあります。デバイスによっては、内部メモリのサイズに基づいて、ある種の制限があります。一部の監視デバイスには内部メモリがないことに注意してください。データの保存には USB スティックや SD メモリ カードなどの外部メモリを利用します。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理解しています。

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。後で取得できるようにローカルにバッファリングしたり、PC、サーバー、またはオンライン ストレージ デバイスに送信したりできます。

ローカル PC。 PC は依然として人気があり、安価なデータ保存方法です。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 に保存でき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、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するメーカーが増えています。これらは無料または有料のサービスです。クラウド サーバーは通常、データを表示およびダウンロードする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、システム構成管理、レポート生成などがあります。これらのシステムは、監視が必要な場所が複数ある場合、または複数のユーザー全員が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 オプションを検討するときは、アプリケーションにとって実用的なサンプル レートを考慮することも重要です。多くのユーザーは、最初は 1 秒あたり 1 サンプル以上の速度でデータを記録したいと述べています。問題の 1 つは、使用可能なメモリがすぐにいっぱいになり、ダウンロードの頻度が高くなるということです。冷蔵庫または冷凍庫に保管されたサンプルの温度変化率を実際に観察すると、温度が 1 度以上変化するまでに数分かかる場合があることがすぐにわかります。さらに悪いことに、高速サンプリングを使用すると、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 レートが 10 Hz の場合、Excel では 1 日で 864,000 行が埋まってしまいます。

5.ソフトウェア

最終的には、監視システムからデータを取得する必要があります。その後、アプリケーションに基づいて、将来必要になった場合に備えて、データをグラフ化するか、レポートを作成するか、単にデータをアーカイブするかを選択できます。通常、監視システムには、データ表示、構成/セットアップ、警報などを処理するソフトウェアが付属しています。メーカーやモデルによっては、ソフトウェアに監視システムが付属している場合や追加料金がかかる場合があります。最新世代のデバイスは、構成やデータの取得に Chrome などの標準的な 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ます。

PC ソフトウェアと同様に、一部のインターフェイスは他のインターフェイスよりも使いやすいため、データ ログを初めて使用する場合、またはスタッフがソフトウェアを使用する必要がある場合は、次の機能について必ずベンダーに問い合わせてください。

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構成 — これは、ユーザーフレンドリーなインターフェイスが本当に効果を発揮する領域です。センサーに名前を付けたり、温度制限やサンプル レートを設定したりできるようにしたいと考えています。

アラーム管理 - ここでは、アラームを受信するユーザーと、電子メール、テキスト メッセージ、一部のモデルでは固定電話での通知方法を選択します。

データの取得 — データをできるだけ早く簡単に取得できるようにしたいと考えますが、ここでは直感的なソフトウェアが非常に役に立ちます。

グラフ作成 — 温度プロファイルやスパイクなどのデータ傾向を特定して表示するのに役立ちます。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。

レポートの生成 — コンプライアンス レポートを簡単に生成する機能は、FDA やその他の規制機関にとって必要となる場合があります。

6.アラーム

ほとんどの温度監視アプリケーションでは、プログラムされた制限値に達するたびに、何らかの方法で誰かに警告する機能である警報機能が重要な要件となります。上で述べたように、アラームは、システムの近くにいる必要があるローカルな場合もあれば、どこにいても通知を受け取ることができるリモートな場合もあります。注目すべきもう 1 つの機能は、システムがオフラインになった場合や停電が発生した場合にメッセージを送信するウォッチドッグ アラームです。監視対象の製品がかけがえのないものである場合、このような機能は非常に重要です。

ローカル アラームは、LED インジケータやブザーから、サイレンやホーンなどに接続するための外部アラーム リレー出力まで、あらゆるもので構成できます。より高度なモデルでは、スマートフォンに電子メールまたはテキスト アラームが自動的に送信されるため、製品やプロセスの潜在的に重要な変更を常に把握できます。従来、非常に単純なモニタリング システムでは、音声アラームを提供するために電話の自動ダイヤラが使用されていましたが、最新のモニタリング システムはデータを安全なクラウド サーバーに直接送信し、確認応答検証付きの連続通話リストなどの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、または製品を紛失する危険がない場合は、音声アラームで十分な場合があります。アラームを見逃しても、プロセスの遅延や食品の腐敗などの悪影響が生じないように注意してください。経験則としては、アラームが鳴ったときに誰かが部屋にいない可能性があると想定することです。

表示されます。 可聴アラームと同様に、担当者が迅速に応答できるように、まずデータ レコーダーが交通量の多い場所に設置されていることを確認してください。

電子メール 電子メール アラートも同様に便利ですが、重要なアプリケーションの場合は、いつ電子メールが送信されているかを確実に認識できるようにする必要があります。多くのユーザーは、モバイル デバイスを使用して、アラーム電子メールの着信があるときに音を鳴らします。

SMS。 SMS テキスト アラートは、アラーム イベントに関する注意を即座に得る一般的な方法です。設定が完了すると、温度監視システムは指定された担当者に自動的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備えており、事実上どこにいても即時通知を可能にします。バッチ呼び出しリストと順次呼び出しリストの両方をサポートするシステムと、各プローブが独自の連絡先セットを持つことができるカスタマイズ可能なリストをサポートするシステムがあります。

概要

温度監視システムのさまざまな部分についての基本的な理解があれば、データを取得する方法とデータをどのように処理するかを考えるのに十分な情報が得られます。ここは、ソリューション プロバイダーに連絡し、製品と機能のリストを確認するのに最適な場所です。

インストール後は、製品損失の削減、運用プロセス コストの削減、ベンダーの評判の向上、または特定のニーズに応じた形でメリットが得られるはずです。

この記事は、オハイオ州チェスターランドの CAS DataLoggers によって寄稿されました。詳細については、 ここをご覧ください。