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Los 6 Componentes Esenciales de un Sistema Confiable de Monitoreo de Temperatura

En los últimos años, se ha vuelto cada vez más común que hospitales, clínicas, organizaciones de salud y ciencias de la vida, y otras empresas usen un sistema electrónico de monitoreo de temperatura para salvaguardar sus productos y satisfacer demandas regulatorias. Puede que sepa que necesita un sistema de monitoreo, posiblemente con capacidades de alarma, pero no está seguro de cómo seleccionar el mejor para satisfacer sus necesidades. Para complicar las cosas, hay literalmente docenas de tipos diferentes de sistemas de monitoreo de temperatura con diferentes características y una amplia gama de precios.

Ya sea que esté encargado de recomendar qué comprar, un agente de compras o el usuario final, puede asegurarse de obtener el sistema correcto aprendiendo un poco sobre las partes más importantes en las que enfocarse. Este tutorial básico cubre las seis partes de un sistema típico de monitoreo de temperatura para ayudarle a saber qué buscar.

Considere cada uno de estos seis factores al especificar/seleccionar un sistema de monitoreo de temperatura:

  1. Sonda o Sensor de Temperatura — El tipo de sonda de temperatura afectará la precisión de medición y el rango de medición de temperatura. Tipos comunes de sensores incluyen termopar, RTD y termistor.

  2. Búfer Térmico — Un búfer térmico ayuda a suavizar fluctuaciones rápidas de temperatura en el sensor debido a ciclos de compresor, apertura de puertas o carga/descarga de productos. Los búferes térmicos vienen en forma de bloque de nailon, botella llena de glicol etileno y botella llena de cuentas de vidrio.

  3. Dispositivo de Medición de Temperatura — El corazón del sistema, se conecta a la sonda para medir y posiblemente registrar la temperatura. Hay muchos tipos incluyendo un dispositivo de monitoreo independiente con memoria local para almacenar datos medidos, un dispositivo de medición en red/LAN o WiFi con o sin memoria local, y un dispositivo de medición inalámbrico usando protocolo de comunicación propietario con estación base o gateway, de nuevo con o sin memoria local.

  4. Almacenamiento de Datos — Si bien todas las aplicaciones de monitoreo requieren algún tipo de reporte de datos inmediato, la mayoría también incluyen registro de valores para propósitos históricos. La ubicación y cantidad de memoria determina cuántos datos históricos estarán disponibles. La memoria puede ser memoria interna, estación base o gateway local, PC local, o servicio basado en nube.

  5. Software — Por supuesto, cualquier sistema requerirá algún software para controlar la operación del sistema. Funciones de software incluyen configuración, gráficos, gestión de alarmas, recuperación de datos y reportes.

  6. Alarmas — La mayoría de usuarios quieren notificación inmediata de excursiones de temperatura fuera del rango operativo seguro. Métodos de entrega de alarmas incluyen indicador visual, alarma audible, mensaje de email, mensaje SMS-texto y llamada telefónica.

1. Sondas de Temperatura

La temperatura es una de las mediciones más comunes en una amplia variedad de industrias incluyendo alimentos, médica y ciencias de la vida, farmacéutica, monitoreo de máquinas/equipos, monitoreo ambiental, y prácticamente cualquier otro campo. Los sistemas de monitoreo de temperatura capturan datos de temperatura vía un sensor como una sonda termopar. Dado que los sensores de temperatura están diseñados para una variedad tan amplia de necesidades, es importante que decida el tipo de sensores o entradas que usará.

Los tres sensores de temperatura más comunes usados con sistemas de monitoreo de temperatura son termopares, termistores y RTDs. Los termopares son los sensores de temperatura más comunes. Tienen el rango de medición más amplio y son típicamente los menos costosos pero también tienen precisión limitada —típicamente ±1-2 °F (±1 °C). Los RTDs tienen mayor precisión que un termopar, del orden de ±0.2 – 0.5 °F (±0.1 – 0.3 °C). Los RTDs tienen un rango operativo más estrecho, con temperatura máxima de 150 – 600 °C, dependiendo del material y construcción. Los termistores ofrecen mediciones aún más precisas, ± 0.1 °C o mejor, pero tienen una respuesta muy no lineal y por tanto requieren un sistema de medición más avanzado. También tienen un rango operativo más limitado que RTDs o termopares.

Vale la pena notar que la mayoría de fabricantes de sensores pueden incrustar el sensor de temperatura en una variedad de tipos de sonda. Desde sondas de acero inoxidable hasta sondas adecuadas para inmersión en líquidos y sondas de contacto magnético superficial, puede encontrar lo que su aplicación requiere.

Termopares son el sensor de temperatura más ampliamente usado y también uno de los sensores menos costosos disponibles. Se usan ampliamente donde el costo, simplicidad y amplio rango operativo son primordiales y donde no se requiere precisión extremadamente alta. Un termopar son dos hilos de metal diferente de aleaciones muy específicas fusionados juntos en un solo punto. Un termopar produce un voltaje de salida (típicamente en nivel de milivoltios) proporcional a la temperatura. El sistema de medición muestrea el voltaje creado por la unión del termopar y luego aplica una ecuación de calibración para convertir el voltaje a temperatura. El sistema de monitoreo también incorpora una referencia de unión fría para compensar cualquier voltaje de offset que ocurra en las conexiones entre los hilos del termopar y el dispositivo de medición en sí. Debido a variaciones en la composición del hilo del termopar, las precisiones típicas de termopar son del orden de 1 a 2 °F, aunque hilos de composición especial con errores reducidos también están disponibles.

Considere termopares cuando solo quiera un dispositivo de bajo costo que sea fácil de usar. Se debe tener cuidado con el entorno en el que está registrando la temperatura. Debido a su amplio rango operativo, los termopares pueden usarse en casi cualquier aplicación de monitoreo de temperatura, desde criostatos de nitrógeno líquido hasta hornos de tratamiento térmico de metales. Debido al voltaje de bajo nivel de un termopar, puede haber efectos adversos en entornos eléctricamente ruidosos, especialmente cuando la longitud del hilo del sensor es larga.

Un sensor RTD proporciona un cambio en resistencia relacionado con la temperatura. Ofrecen lecturas más precisas que termopares pero tienen un rango operativo más estrecho. El RTD más común consiste en un fino hilo de platino enrollado alrededor de un cilindro —alambre de níquel y cobre también se usan. La curva resistencia vs. temperatura tiene una pendiente muy específica y el RTD se hace para que tenga una resistencia específica a 0 °C, siendo 100 Ω el valor más común.

Para medir temperatura, el sistema de monitoreo alimentará una corriente conocida a través del RTD y medirá el voltaje resultante, desde el cual puede calcular la resistencia usando la ley de Ohm. Finalmente, usando la pendiente de la curva resistencia vs. temperatura y la resistencia a 0 °C, puede calcular la temperatura. Los RTDs son típicamente más estables y precisos que termopares pero a expensas de un rango operativo más limitado. Considere sensores RTD cuando necesite mediciones de alta precisión para una ventana de temperatura estrecha. Son ideales para sistemas de monitoreo de temperatura para congeladores y refrigeradores.

Termistores son similares a RTDs (son sensores cuya resistencia cambia con temperatura) pero su cambio de resistencia es altamente no lineal. Como sensores RTD, toman lecturas más precisas que termopares. Debido a esta característica, los termistores pueden ofrecer mediciones de temperatura muy precisas, hasta una precisión de 0.01 °C pero solo sobre un rango de temperatura muy limitado (típicamente 0 °C a 100 °C). Como RTDs, los termistores están diseñados para tener una resistencia específica a 0 °C (2252 Ω es un valor común) y cada familia de termistores tiene una característica específica de resistencia vs. temperatura que el sistema de medición debe poder acomodar. Considere usar termistores cuando necesite registrar a la mayor precisión, tenga un rango de medición limitado y esté usando un sistema de monitoreo de temperatura que pueda aceptar la curva de resistencia no lineal; por ejemplo, mediciones de temperatura de piel.

2. Búferes Térmicos

Los búferes térmicos son masas térmicas (materiales y líquidos) que se unen a la sonda de temperatura para aumentar la constante de tiempo (ralentizar el tiempo de respuesta) de las sondas de temperatura para que se acerquen más a la temperatura del material almacenado. Esto tiene el beneficio principal de hacer que la temperatura reportada imite más de cerca la temperatura real de su producto refrigerado. Botellas de glicol, bloques de nailo y viales llenos de cuentas de vidrio son tipos comunes de búferes térmicos usados en aplicaciones de almacenamiento en frío.

Un ejemplo común es una sonda que mide la temperatura de un refrigerador usado para almacenar vacunas. Estas sondas tienen un tiempo de respuesta mucho más rápido que los termómetros de mercurio anticuados. Siempre que se abre la puerta, el aire cálido de la habitación desplaza el aire frío en la cavidad. Una sonda desnuda puede responder a este cambio y un aumento de temperatura será detectado por el sistema de monitoreo. Si la puerta solo se abre un breve período, la temperatura disminuirá de vuelta a la temperatura nominal de la cavidad dentro de un minuto o dos; sin embargo, durante el breve "pico" de temperatura, las temperaturas de las vacunas no exhiben el mismo pico de temperatura debido a su propia masa térmica. Al usar un búfer térmico alrededor de la sonda de temperatura, el pico de temperatura del aire será "amortiguado" para que la sonda no experimente el mismo salto de temperatura. Debido a recomendaciones CDC, los búferes térmicos se están volviendo estándar en hospitales, clínicas y farmacias así como laboratorios e incluso entornos de cadena de frío. Al usar un búfer, puede eliminar los picos de temperatura en los datos del sistema de monitoreo causados por abrir la puerta del refrigerador o congelador.

Figura 1. Datos de temperatura de ciclo de congelador.

En un experimento, se mostró que las sondas desnudas mostraban fluctuaciones de temperatura que se reducen grandemente mediante el uso de varios tipos de búferes térmicos. Incluso el ciclo del compresor de su unidad de almacenamiento puede causar falsas alarmas y plantear una gran inconveniencia junto con datos de temperatura ampliamente variables que no reflejan la temperatura real del producto. La Figura 1 muestra que las lecturas de la sonda desnuda eran extremadamente variables comparadas con las sondas con búfer. De hecho, si esto hubiera sido una aplicación de monitoreo médico real, la sonda desnuda podría generar falsas alarmas simplemente debido al ciclo normal del compresor de refrigeración. Si los límites se establecen demasiado ajustados, incluso una pequeña variación en el ciclo puede disparar una alarma. Dado que estabilizar lecturas de temperatura es tan crítico, puede evitar alarmas molestas y obtener datos mucho más precisos usando búferes térmicos en todas sus sondas.

3. Dispositivo de Medición

El corazón del sistema es el dispositivo de medición de temperatura real. Estos vienen en muchas formas, desde dispositivos simples de un solo canal con interfaz USB hasta sistemas inteligentes de registro de datos multi-canal. El dispositivo de medición se conecta a sensores de temperatura, digitaliza el valor de temperatura, realiza cualquier evaluación de alarma local y registra la lectura en memoria o la transmite a un servidor en el caso de un sistema basado en red. El dispositivo de medición puede ser operado por batería o puede tener opciones para energía externa. Pueden tener tipos de entrada fijos e incluir los sensores o pueden tener entradas universales con conexiones de terminal de tornillo para dejar al usuario adjuntar su elección de sensores. Los dispositivos de medición menos costosos presentan un solo tipo de entrada (solo un tipo de medición por dispositivo) y un número fijo de entradas, es decir, sin expansión. No importa el tipo de dispositivo de medición, hay algunas características que necesitan considerarse para ayudarle a hacer la elección correcta.

Tasa de Muestreo. Después de determinar qué rango de temperatura necesita registrar y dónde necesita registrarlo, ayuda a decidir con qué frecuencia necesita el sistema de monitoreo de temperatura tomar una medición. Podría necesitar muestreo de segundo o sub-segundo para un proceso industrial o podría solo necesitar tomar una lectura una vez cada 30 minutos o cada hora solo para mantener pestañas en un entorno de almacenamiento ultra-frío a largo plazo.

La mayoría de sistemas de monitoreo pueden manejar grabación a tasas hasta aproximadamente 1 Hz (una vez por segundo). Si necesita una tasa de muestra más rápida, sea consciente de que a medida que aumenta la velocidad del sistema, el precio también lo hace. Además, asegúrese de que la tasa de grabación que está especificando es apropiada; por ejemplo, usando un termopar tipo K, el sensor/muestra puede tomar varios segundos para registrar un cambio en temperatura. Grabar tal temperatura a 5 Hz proporcionaría datos redundantes o inútiles.

Si bien los dispositivos de monitoreo usualmente consumen muy poca energía, si la unidad opera solo con baterías, querrá ver la vida de la batería, que varía considerablemente basada en el fabricante, modelo y con qué frecuencia está configurado para hacer una medición.

La precisión de medición es otro factor importante a considerar. La mayoría de dispositivos de monitoreo de temperatura son lo suficientemente precisos para cubrir aplicaciones típicas; por ejemplo, si está monitoreando temperatura ambiente, un sistema preciso dentro de un grado o dos debería ser suficiente. Pero si está monitoreando una vacuna u otra muestra refrigerada, podría necesitar un modelo de alta precisión preciso dentro de medio grado o mejor.

Una de las mayores diferencias entre dispositivos de diferentes fabricantes es si el monitor de temperatura está diseñado para usarse como independiente o si tiene que conectarse a una PC o red y si es así, cuál es la interfaz de comunicaciones que conecta el sistema de monitoreo de temperatura a la PC o red. La comunicación puede hacerse de muchas formas diferentes incluyendo interfaz serial o RS-232, interfaz USB, interfaz Ethernet, conexión inalámbrica incluyendo Wi-Fi y enlaces RF propietarios, o celular 3G o 4G/LTE.

Sistemas de Monitoreo de Temperatura Independientes. Muchos sistemas de monitoreo de temperatura pueden operar en modo independiente, significando que no requieren una PC u otros dispositivos para registrar temperatura y procesar alarmas. Estos dispositivos comúnmente tienen una pantalla LCD mostrando temperaturas actuales con un indicador o LED para alertarle cuando la temperatura está fuera de especificación. Algunos dispositivos, como registradores de datos independientes, son muy duraderos y continuarán operando de forma fiable por años, mientras que otros tipos como registradores de cadena de frío están diseñados como dispositivos de bajo costo y un solo uso.

Los dispositivos independientes típicamente tienen baterías internas proporcionando meses a años de operación pero tenga en cuenta que la tasa de muestra está inversamente ligada a la vida de la batería. Estos dispositivos usualmente tienen memoria no volátil incorporada que asegura que los datos grabados sigan seguros si la batería falla o se pierde energía. Unidades con pantalla a menudo tienen un indicador para advertirle cuando la batería se está agotando. Hay tres tipos de baterías: recargables, no recargables reemplazables por usuario, y no recargables no reemplazables (un solo uso).

Finalmente, está la pregunta de cómo conectar al sistema de monitoreo para hacer cambios de configuración o descargar datos almacenados. Hoy, conexión USB es la opción más popular pero otras opciones incluyen serial (RS-232), Ethernet, WiFi y Bluetooth.

En contraste con dispositivos de monitoreo de temperatura independientes, modelos más avanzados tienen la capacidad de enviar automáticamente sus datos a una PC, servidor o la nube. Pueden conectarse a una LAN usando interfaz Ethernet o WiFi para enviar datos automáticamente. Los sistemas basados en nube proporcionan la ventaja de gestionar datos desde largas distancias; por ejemplo, puede ver temperaturas actuales en cualquier lugar, en cualquier momento usando un navegador web estándar en una PC o dispositivo móvil. Dependiendo del fabricante, los sistemas basados en nube también pueden enviar e-mails de advertencia, mensajes de texto o notificaciones de voz siempre que los valores salgan de ventanas seguras.

Sistemas de Monitoreo de Temperatura Inalámbricos. La tecnología inalámbrica se está volviendo rápidamente el estándar en muchas aplicaciones incluyendo monitoreo de temperatura; ciencias de la vida y aplicaciones de salud son mercados principales. Estos sistemas son muy efectivos para monitoreo de temperatura y alarmas en refrigeradores y congeladores, criostatos, áreas de almacenamiento e incubadoras. Características clave de sistemas de monitoreo inalámbricos incluyen rango inalámbrico, tasa de actualización de datos y costo basados en la tecnología inalámbrica empleada.

Los sistemas inalámbricos son ideales cuando:

Muchos fabricantes ahora proporcionan sistemas que usan dispositivos remotos para recolectar mediciones de temperatura en el punto monitoreado y luego enviar automáticamente sus lecturas vía un enlace de comunicaciones inalámbrico a una estación base o gateway inalámbrico. Desde la estación base/gateway, los datos descargados pueden ser enviados por e-mail a direcciones especificadas o sobre la red a un servidor local o remoto incluyendo servicios basados en nube. Además, la estación base puede configurarse para monitorear advertencias y enviar mensajes de alarma. Los sistemas que transfieren automáticamente sus lecturas ahorran el tiempo y la molestia de viajar a cada dispositivo para recuperar los datos o verificar el estado.

Hay muchas otras opciones para el enlace inalámbrico real incluyendo protocolos estándar como Zigbee y sistemas inalámbricos propietarios. Estos sistemas normalmente operan en una de las bandas de frecuencia sin licencia como 932 MHz (EE. UU.) y 2.4 GHz. Dependiendo del dispositivo y frecuencia, el rango inalámbrico puede ser de 50 a 1,000 pies. Muchos sistemas ofrecen repetidores inalámbricos para extender el inalámbrico. En algunos casos, el diseño físico puede hacer difícil el despliegue de sistemas inalámbricos. Considere si las unidades tendrían línea de vista clara a un gateway o repetidor o si su comunicación sería obstruida por paredes u objetos.

4. Almacenamiento de Datos

Dependiendo de su aplicación de registro de temperatura, puede necesitar capturar solo unos minutos de datos o puede necesitar poder almacenar años de lecturas. Puede determinar la cantidad de almacenamiento de datos requerida multiplicando el número de canales por la tasa de muestra y duración de grabación: Total de Puntos = Número de Canales × Tasa de Muestra × Duración de Grabación.

Figura 2. Sistema de monitoreo inalámbrico Accsense.

Cuando se trata de almacenamiento semi-permanente de datos de un sistema de monitoreo de temperatura, aquí hay algunas opciones (Figura 2):

Memoria local. Muchos sistemas de monitoreo almacenan datos grabados en su memoria interna y hay muchas opciones diferentes para tamaño de memoria. Dependiendo del dispositivo, habrá algún tipo de límite, basado en el tamaño de la memoria interna. Note que algunos dispositivos de monitoreo no tienen memoria interna; utilizan memoria externa como una memoria USB o tarjeta SD para almacenamiento de datos. Un buen proveedor de soluciones de monitoreo será claro sobre opciones y limitaciones de memoria local.

Gateway local. Los sistemas de monitoreo de temperatura inalámbricos se conectan a gateways, que recolectan automáticamente datos de temperatura. Pueden almacenarlos localmente para recuperación posterior o transmitirlos a una PC, servidor o dispositivo de almacenamiento en línea.

PC local. Las PCs siguen siendo un método popular e económico para almacenar datos. Muchos sistemas de monitoreo de temperatura vienen con software que permite descargar y almacenar datos automáticamente en una PC local.

Nube. El almacenamiento en nube es una capacidad relativamente reciente pero cada vez más fabricantes ofrecen sistemas avanzados de monitoreo de temperatura que transmiten automáticamente datos a un servidor gestionado por el proveedor. Estos pueden ser servicios gratuitos o de pago. El servidor en nube típicamente proporciona herramientas para mostrar y descargar datos. Otras características de sistemas basados en nube incluyen alarmas, gestión de configuración de sistema y generación de reportes. Estos sistemas ofrecen una solución conveniente cuando hay múltiples ubicaciones que requieren monitoreo o cuando múltiples usuarios necesitan acceso a los datos.

Al observar opciones de almacenamiento de datos, también es importante considerar qué tasa de muestra es práctica para su aplicación. Muchos usuarios inicialmente declaran que quieren grabar datos a una muestra por segundo o más rápido. Un problema es que llenaría rápidamente la memoria disponible y llevaría a descargas más frecuentes. Cuando realmente mira la tasa de cambio de temperatura de una muestra almacenada en un refrigerador o congelador, rápidamente se hace aparente que puede tomar minutos para que la temperatura cambie más de un grado. Incluso peor, con muestreo de alta velocidad, se vuelve impráctico analizar todos los datos —con una tasa de muestra de 10 Hz, un día llenaría 864,000 filas en Excel.

5. Software

En última instancia, tiene que recuperar los datos del sistema de monitoreo y luego, basado en la aplicación, puede elegir graficarlos, crear un reporte, o simplemente archivar los datos en caso de que los necesite en algún punto futuro. Típicamente, el sistema de monitoreo se suministra con software que maneja visualización de datos, configuración/instalación, alarmas y más. En algunos casos, el software puede venir con el sistema de monitoreo o costar extra, dependiendo del fabricante y modelo. La última generación de dispositivos ofrece paquetes de software basados en web que solo requieren un navegador web estándar como Chrome para configuración y recuperación de datos.

Al igual que con software de PC, algunas interfaces son más amigables que otras, así que si es nuevo en registro de datos o su personal debe trabajar con el software, asegúrese de preguntar a su proveedor sobre las siguientes características/capacidades:

  1. Configuración — Esta es un área donde una interfaz amigable realmente paga. Quiere poder moverse rápidamente nombrando sensores y estableciendo límites de temperatura y tasas de muestra.

  2. Gestión de alarmas — Aquí elige quién recibirá alarmas y cómo serán notificados, ya sea por email, mensaje de texto, o incluso llamadas telefónicas fijas con algunos modelos.

  3. Recuperación de datos — Querrá poder recuperar sus datos tan rápido y fácil como sea posible y un software intuitivo realmente ayuda aquí.

  4. Gráficos — Útil para identificar y mostrar tendencias de datos como perfiles de temperatura o picos. Muchos paquetes de software también generan e imprimen reportes.

  5. Generación de reportes — La capacidad de generar fácilmente reportes de cumplimiento puede ser necesaria para FDA u otros cuerpos regulatorios.

6. Alarmas

Para la mayoría de aplicaciones de monitoreo de temperatura, alarmas —la capacidad de alertar a alguien, de alguna manera, siempre que se alcancen los límites programados— es un requisito central. Como se señaló arriba, las alarmas pueden ser locales, donde tiene que estar cerca del sistema para ser alertado o pueden ser remotas, permitiéndole ser notificado dondequiera que esté. Otra característica a buscar es una alarma watchdog para enviar un mensaje si el sistema alguna vez se desconecta o si hay un corte de energía. Funciones como esta son críticas cuando el producto monitoreado es irremplazable.

Audibles. Si sabe que el personal estará en las inmediaciones o si no hay peligro de perder producto, una alarma audible podría ser suficiente para sus propósitos. Solo asegúrese de que no hay consecuencias negativas por perder una alarma como retrasos de proceso o comida echada a perder. Una buena regla general es asumir que alguien podría no estar en la habitación cuando suene la alarma.

Visibles. Al igual que con alarmas audibles, primero asegúrese de que el registrador de datos esté ubicado en algún lugar con alto tráfico, para que el personal tenga tiempo de respuesta rápido.

Email. Las alertas por email son igualmente convenientes, aunque para aplicaciones críticas, querrá asegurarse de que está al tanto de cuando le envían email —muchos usuarios usan sus dispositivos móviles para darles un audible cuando tienen un email de alarma entrante.

SMS. Las alertas de texto SMS son una forma popular de obtener una alerta instantánea en eventos de alarma. Una vez configurado, el sistema de monitoreo de temperatura enviará automáticamente alarmas al personal especificado.

Teléfono. Algunos sistemas proporcionan capacidad de marcado saliente, permitiendo notificación inmediata virtualmente en cualquier lugar. Hay sistemas que soportan tanto listas de llamadas por lotes como secuenciales y listas personalizables para permitir que cada sonda tenga su propio conjunto de contactos.

Resumen

Con esta comprensión básica de las diferentes partes de un sistema de monitoreo de temperatura, ahora está lo suficientemente informado para pensar en cómo quiere obtener sus datos y cómo quiere trabajar con ellos. Este es un gran lugar para comenzar a contactar proveedores de soluciones y ver productos y listas de características.

Post-instalación, debería empezar a ver beneficios en forma de reducción de pérdida de producto, menores costos de proceso operativo, mayor reputación de proveedor, o cualesquiera que sean sus necesidades específicas.

Este artículo fue contribuido por CAS DataLoggers, Chesterland, OH. Para más información, visite aquí.

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