可靠温度监测系统的 6 个重要组成部分

在过去几年中，医院、诊所、医疗保健和生命科学组织以及其他企业使用电子温度监控系统来保护其产品并满足监管要求已变得越来越普遍。您可能知道您需要一个可能具有报警功能的监控系统，但不确定如何选择最适合您的需求的系统。更复杂的是，实际上有数十种不同类型的温度监测系统，它们具有不同的功能和广泛的价格。

无论您的任务是推荐购买商品、采购代理还是最终用户，您都可以通过了解一些需要关注的最重要部分来确保您获得正确的系统。本基本教程涵盖了典型温度监测系统的六个部分，以帮助您了解要寻找的内容。

在指定/选择温度监控系统时，请考虑以下六个因素：

1. 温度探头或传感器 — 温度探头类型会影响测量精度和温度测量范围。常见的传感器类型包括热电偶、RTD、热敏电阻。

2. 热缓冲器 — 热缓冲器有助于平滑传感器由于压缩机循环、门打开或装载/移除产品而导致的快速温度波动。热缓冲器有尼龙块、装有乙二醇的瓶子和装有玻璃珠的瓶子的形式。

3. 温度测量装置 — 系统的核心，它连接到探头来测量并可能记录温度。其中有很多种，包括具有本地存储器来存储测量数据的独立监测设备、具有或不具有本地存储器的网络/LAN或WiFi测量设备，以及使用与基站或网关的专有通信协议（同样具有或不具有本地存储器）的无线测量设备。

4. 数据存储 — 虽然所有监控应用程序都需要某种类型的即时数据报告，但大多数还包括用于历史目的的记录值。内存的位置和容量决定了可用的历史数据量。内存可以是内部存储器、本地基站或网关、本地PC或基于云的服务。

5. 软件 ——当然，任何系统都需要一些软件来控制系统的运行。软件功能包括配置、图表、报警管理、数据检索和报告。

6. 令人震惊 — 大多数用户希望立即收到温度超出安全工作范围的通知。报警发送方式包括视觉指示器、声音报警、电子邮件、短信和电话。

1。温度探头

温度是食品、医疗和生命科学、制药、机器/设备监测、环境监测以及几乎所有其他领域等各种行业最常见的测量之一。温度监测系统通过热电偶探头等传感器捕获温度数据。由于温度传感器是为满足如此广泛的需求而设计的，因此决定要使用的传感器或输入的类型非常重要。

温度监控系统最常用的三种温度传感器是热电偶、热敏电阻和 RTD。热电偶是最常见的温度传感器。它们具有最宽的测量范围，通常最便宜，但精度也有限 - 通常为 ±1-2 °F (±1 °C)。 RTD 的精度比热电偶更高，约为 ±0.2 – 0.5 °F (±0.1 – 0.3 °C)。 RTD 的工作范围较窄，最高温度为 150 – 600 °C，具体取决于材料和结构。热敏电阻提供更精确的测量，± 0.1 °C 或更好，但具有非常非线性的响应，因此需要更先进的测量系统。它们的工作范围也比 RTD 或热电偶更有限。

值得注意的是，大多数传感器制造商可以将温度传感器嵌入各种探头类型中。从不锈钢探头到适合浸入液体的探头和磁性表面接触探头，您可以找到您的应用所需的内容。

热电偶 是使用最广泛的温度传感器，也是最便宜的传感器之一。它们广泛用于成本、简单性和宽工作范围至关重要且不需要极高精确度的场合。热电偶是由非常特殊的合金制成的两根不同的金属线在一点上熔合在一起。热电偶产生与温度成比例的输出电压（通常为毫伏级）。测量系统对热电偶结点产生的电压进行采样，然后应用校准方程将电压转换为温度。监控系统还包含一个冷端基准，以补偿热电偶线和测量设备本身之间的连接处出现的任何偏移电压。由于热电偶线的成分存在差异，典型的热电偶精度约为 1 至 2 °F，但也可提供误差较小的特殊成分线。

当您只想要一个易于使用的低成本设备时，请考虑热电偶。应注意记录温度的环境。由于其广泛的工作范围，热电偶几乎可用于任何温度监测应用，从液氮低温恒温器到金属热处理炉。由于热电偶的电压较低，在电噪声环境中可能会产生不利影响，特别是当传感器导线长度较长时。

RTD 传感器 提供与温度相关的电阻变化。它们提供比热电偶更准确的读数，但工作范围更窄。最常见的 RTD 由缠绕在圆柱体上的细铂丝组成 - 也使用镍丝和铜丝。电阻与温度曲线具有非常特定的斜率，RTD 的设计使其在 0 °C 时具有特定电阻，最常见的值为 100 Ω。

为了测量温度，监控系统将通过 RTD 提供已知电流并测量产生的电压，从中可以使用欧姆定律计算电阻。最后，利用电阻与温度曲线的斜率和0°C电阻，可以计算出温度。 RTD 通常比热电偶更稳定、更准确，但其代价是工作范围更有限。当您需要在窄温度窗口内进行高精度测量时，请考虑 RTD 传感器。它们是冰柜和冰箱温度监控系统的理想选择。

热敏电阻 与 RTD 类似（它们是电阻随温度变化的传感器），但它们的电阻变化是高度非线性的。与 RTD 传感器一样，它们的读数比热电偶更准确。由于这一特性，热敏电阻可以提供非常精确的温度测量，精度低至 0.01 °C，但只能在非常有限的温度范围内（通常为 0 °C 至 100 °C）。与 RTD 一样，热敏电阻被设计为在 0 °C 时具有特定电阻（2252 Ω 是常用值），并且每个热敏电阻系列都具有测量系统必须能够适应的特定电阻与温度特性。当您需要以最高精度记录、测量范围有限并且正在使用可接受非线性电阻曲线的温度监控系统时，请考虑使用热敏电阻；例如，皮肤温度测量。

2.热缓冲器

热缓冲器是连接到温度探头的热质量（材料和液体），用于增加温度探头的时间常数（减慢响应时间），以便更紧密地匹配所存储材料的温度。这样做的主要好处是使报告的温度更接近地模拟冷藏产品的实际温度。乙二醇瓶、尼龙块和装满玻璃珠的小瓶是冷藏应用中使用的常见热缓冲器类型。

一个常见的例子是测量用于储存疫苗的冰箱温度的探针。这些探头的响应时间比老式水银温度计快得多。每当门打开时，房间内的暖空气就会取代腔内的冷空气。裸露的探头可以响应这种变化，并且监控系统将检测到温度的升高。如果门只打开一小段时间，温度会在一两分钟内降至腔体的标称温度；然而，在短暂的温度“峰值”期间，由于疫苗自身的热质量，疫苗的温度不会表现出相同的温度峰值。通过在温度探头周围使用热缓冲器，空气温度峰值将被“缓冲”，以便探头不会经历相同的温度跳跃。根据 CDC 的建议，热缓冲器正在成为医院、诊所、药房以及实验室甚至冷链环境的标准配置。通过使用缓冲区，您可以消除由于打开冰箱或冰柜门而引起的监控系统数据中的温度峰值。

图 1. 冷冻循环温度数据。

在实验中，裸露探针显示出的温度波动通过使用各种类型的热缓冲器而大大减少。即使存储单元的压缩机循环也可能导致误报，并带来很大的不便，并且温度数据变化很大，无法反映实际的产品温度。图 1 显示，与缓冲探针相比，裸探针的读数变化极大。事实上，如果这是一个实际的医疗监测应用，裸露的探头可能会因为制冷压缩机的正常循环而产生误报。如果限制设置得太紧，即使循环中的微小变化也会触发警报。由于稳定温度读数非常重要，因此您可以通过在所有探头上使用热缓冲器来避免烦人的警报并获得更准确的数据。

3.测量装置

该系统的核心是实际的温度测量装置。它们有多种形式，从带有 USB 接口的简单单通道设备到多通道智能数据记录系统。测量设备连接到温度传感器，将温度值数字化，执行任何本地警报评估，并记录读数的存储器或在基于网络的系统的情况下将其传输到服务器。测量设备可以由电池供电，也可以具有外部电源选项。它们可能具有固定的输入类型并包括传感器，或者它们可能具有带有螺钉端子连接的通用输入，以便用户连接他们选择的传感器。最便宜的测量设备具有单一输入类型（每个设备仅一种测量类型）和固定数量的输入，即无需扩展。无论测量设备的类型如何，都需要考虑一些特性来帮助您做出正确的选择。

采样率。 确定需要记录的温度范围以及需要记录的位置后，有助于确定需要温度监测系统进行测量的频率。您可能需要对工业过程进行秒级或亚秒级采样，或者您可能只需要每 30 分钟或每小时读取一次读数，以密切关注长期超冷存储环境。

大多数监控系统可以以高达约 1 Hz（每秒一次）的速率处理记录。如果您需要更快的采样率，请注意，随着系统速度的提高，价格也会随之提高。另外，请确保您指定的录制速率合适；例如，使用 K 型热电偶，传感器/样品可能需要几秒钟的时间来记录温度变化。以 5 Hz 记录这样的温度将提供冗余或无用的数据。

虽然监测设备通常消耗很少的电量，但如果设备仅依靠电池运行，您将需要查看电池寿命，电池寿命根据制造商、型号以及配置进行测量的频率而有很大差异。

测量精度是另一个需要考虑的重要因素。大多数温度监测设备都足够准确，足以覆盖典型应用；例如，如果您正在监测室温，那么精确度在一两度之内的系统就足够了。但如果您正在监测疫苗或其他冷藏样本，您可能需要一个精确到半度或更好的高精度模型。

不同制造商的设备之间最大的区别之一是温度监测仪是设计为独立使用还是必须连接到 PC 或网络，如果是这样，将温度监测系统连接到 PC 或网络的通信接口是什么。通信可以通过多种不同方式完成，包括串行或 RS-232 接口、USB 接口、以太网接口、无线连接（包括 Wi-Fi 和专有 RF 链路）或蜂窝 3G 或 4G/LTE。

独立温度监控系统。 许多温度监测系统可以在独立模式下运行，这意味着它们不需要PC或其他设备来记录温度和过程警报。这些设备通常配有 LCD 显示屏，显示当前温度，并带有指示器或 LED，以便在温度超出规格时向您发出警报。一些设备（例如独立数据记录仪）非常耐用，可以持续可靠地运行多年，而其他类型（例如冷链记录仪）则被设计为低成本的一次性设备。

独立设备通常具有内部电池，可提供数月至数年的运行时间，但请注意，采样率与电池寿命成反比。这些设备通常具有内置非易失性存储器，可确保在电池故障或断电时记录的数据仍然安全。带显示屏的设备通常会有一个指示灯，在电池电量不足时向您发出警告。电池分为三种类型：可充电电池、不可充电用户可更换电池和不可充电不可更换电池（一次性使用）。

最后，还有如何连接到监控系统以进行配置更改或下载存储的数据的问题。如今，USB 连接是最流行的选择，但其他选项包括串行 (RS-232)、以太网、WiFi 和蓝牙。

与独立的温度监测设备相比，更先进的型号能够自动将数据发送到 PC、服务器或云。它们可以使用以太网或 WiFi 接口连接到 LAN 以自动发送数据。基于云的系统具有远距离管理数据的优势；例如，您可以使用 PC 或移动设备上的标准 Web 浏览器随时随地查看当前温度。根据制造商的不同，每当数值超出安全范围时，基于云的系统还可以发送警告电子邮件、短信或语音通知。

无线温度监控系统。 无线技术正在迅速成为许多应用的标准，包括温度监测；生命科学和医疗保健应用是主要市场。这些系统对于冰箱和冰柜、低温恒温器、存储区域和培养箱的温度监测和报警非常有效。无线监控系统的主要特点包括无线范围、数据更新率和基于所采用无线技术的成本。

无线系统在以下情况下是理想的选择：

• 您有许多分布式点需要测量温度。

• 将电线从测量点连接回中心位置会很困难或昂贵。

• 需要在卡车或其他车辆行驶时收集和传输数据，从而无法使用有线传感器。

• 需要从难以访问或不提供常规互联网连接的站点收集数据和/或警报。

许多制造商现在提供的系统使用远程设备来收集被监控点的温度测量结果，然后通过无线通信链路自动将读数发送到基站或无线网关。从基站/网关，下载的数据可以通过电子邮件发送到指定地址或通过网络发送到本地或远程服务器（包括基于云的服务）。此外，可以设置基站来监视警告并发送警报消息。自动传输读数的系统节省了前往每个设备检索数据或检查状态的时间和麻烦。

实际无线链路还有许多其他选项，包括 Zigbee 等标准协议和专有无线系统。这些系统通常在未经许可的频段之一上运行，例如 932 MHz（美国）和 2.4 GHz。根据设备和频率，无线范围可以是 50 到 1,000 英尺。许多系统提供无线中继器来扩展无线网络。在某些情况下，物理布局可能会使无线系统部署变得困难。考虑这些单元是否对网关或中继器有清晰的视线，或者它们的通信是否会被墙壁或物体阻挡。

4。数据存储

根据您的温度记录应用程序，您可能只需要捕获几分钟的数据，或者您可能需要能够存储数年的读数。您可以通过将通道数乘以采样率和记录持续时间来确定所需的数据存储量：总点数 =通道数 × 采样率 × 记录持续时间。

图 2. Accsense 无线监控系统。

当涉及到温度监测系统数据的半永久存储时，有一些选择（图 2）：

本地内存。 许多监控系统将记录的数据存储在其内部存储器上，并且存储器大小有许多不同的选项。根据设备的不同，根据内部存储器的大小，会有某种限制。请注意，某些监控设备没有内部存储器；它们利用 USB 记忆棒或 SD 存储卡等外部存储器来存储数据。一个好的监控系统解决方案提供商会清楚本地内存选项和限制。

本地网关。 无线温度监测系统连接到网关，网关自动收集温度数据。他们可以在本地缓存以供以后检索或将其传输到 PC、服务器或在线存储设备。

本地电脑。 PC 仍然是一种流行且廉价的数据存储方法。许多温度监测系统都附带软件，可以自动下载数据并将其存储在本地 PC 上。

云。 云存储是一项相对较新的功能，但越来越多的制造商提供先进的温度监控系统，可自动将数据传输到供应商管理的服务器。这些可以是免费或付费服务。云服务器通常提供用于显示和下载数据的工具。基于云的系统的其他功能包括报警、系统配置管理和报告生成。当有多个位置需要监控或多个用户都需要访问数据时，这些系统提供了便捷的解决方案。

在考虑数据存储选项时，考虑适合您的应用程序的采样率也很重要。许多用户最初表示他们希望以每秒一个样本或更快的速度记录数据。一个问题是它会很快填满可用内存并导致更频繁的下载。当您真正观察冰箱或冰柜中存储的样品的温度变化率时，很快就会发现，温度变化可能需要几分钟才能超过一度。更糟糕的是，使用高速采样，分析所有数据变得不切实际 - 如果采样率为 10 Hz，一天将填满 Excel 中的 864,000 行。

5。软件

最终，您必须从监控系统检索数据，然后根据应用程序，您可以选择将其绘制图表、创建报告，或者简单地将数据存档以备将来某个时候需要。通常，监控系统配备有处理数据显示、配置/设置、报警等的软件。在某些情况下，该软件可能会随监控系统一起提供，或者需要额外付费，具体取决于制造商和型号。最新一代的设备提供基于 Web 的软件包，只需要标准 Web 浏览器（例如 Chrome）即可进行配置和数据检索。

正如 PC 软件一样，某些界面比其他界面更加用户友好，因此，如果您不熟悉数据记录或您的员工需要使用该软件，请务必向您的供应商询问以下特性/功能：

1. 配置——这是一个用户友好的界面真正带来回报的领域。您希望能够快速命名传感器并设置温度限制和采样率。

2. 警报管理 - 在这里，您可以选择谁将收到警报以及如何通知他们，无论是通过电子邮件、短信，还是某些型号的座机电话。

3. 数据检索 — 您会希望能够尽可能快速、轻松地检索数据，直观的软件在这方面确实很有帮助。

4. 图表 - 可用于识别和显示数据趋势，例如温度曲线或峰值。许多软件包还生成和打印报告。

5. 报告生成 - FDA 或其他监管机构可能需要轻松生成合规报告的能力。

6。闹钟

对于大多数温度监控应用来说，报警（每当达到编程限制时以某种方式向某人发出警报的能力）是一项核心要求。如上所述，警报可以是本地警报，您必须在系统附近才能收到警报，也可以是远程警报，无论您身在何处都能收到通知。另一个需要寻找的功能是看门狗警报，如果系统离线或断电，它会发送消息。当被监控的产品具有不可替代性时，此类功能至关重要。

本地警报可以包括从 LED 指示灯和蜂鸣器到用于连接警报器、喇叭等的外部警报继电器输出。更复杂的型号会自动向您的智能手机发送电子邮件或文本警报，以便您始终掌握产品或流程中潜在的关键变化。从历史上看，非常简单的监控系统使用电话自动拨号器来提供语音警报，但现代监控系统将您的数据直接发送到安全的云服务器，该服务器提供更高级的功能，例如带有确认验证的顺序呼叫列表。

可听见。 如果您知道附近有工作人员或者您没有丢失产品的危险，则声音警报可能足以满足您的目的。只要确保错过警报不会产生负面后果，例如过程延迟或食物变质。一个好的经验法则是假设闹钟响起时房间里可能没有人。

可见。 与声音警报一样，首先确保数据记录仪位于人流量大的地方，以便人员能够快速响应。

电子邮件。 电子邮件警报同样方便，但对于关键应用程序，您需要确保您知道何时收到电子邮件 - 许多用户使用移动设备在收到警报电子邮件时发出声音。

短信。 短信警报是一种即时提醒警报事件的流行方式。配置完成后，温度监控系统将自动向指定人员发出警报。

电话。 有些系统提供拨出功能，几乎可以在任何地方立即发出通知。有些系统支持批量和顺序调用列表以及可自定义列表，以允许每个探测器拥有自己的一组联系人。

摘要

通过对温度监测系统不同部分的基本了解，您现在已经掌握了足够的信息，可以考虑如何获取数据以及如何使用数据。这是开始联系解决方案提供商并查看产品和功能列表的好地方。

安装后，您应该开始看到减少产品损失、降低运营流程成本、提高供应商声誉或任何您的具体需求等形式的好处。

本文由俄亥俄州切斯特兰 CAS DataLoggers 贡献。如需了解更多信息，请访问此处。