Чек-лист для внедрения современной системы мониторинга температуры

В последнее время все большую популярность приобретают автоматизированные системы контроля температуры на складах, в больницах, аптеках и других помещениях.

Системы мониторинга микроклимата внедряются для защиты термолабильной продукции и для удовлетворения современным нормативным требованиям. Возможно, вы уже знаете, что вам нужна система мониторинга температуры, но не можете выбрать из большого количества различных типов систем с разными функциями и широким диапазоном цен.

Для того, чтобы убедиться, что вы получаете ровно такую систему, которая вам необходима, рекомендуем обратить внимание на несколько ключевых моментов, о которых пойдет речь в этой статье.

1. Обратите внимание на чувствительные элементы

Тип датчика влияет на точность измерения и диапазон измерения температуры.  Распространенные типы датчиков температуры:

• Термопары различных типов
• Термосопротивления типа RTD
• NTC Терморезисторы

2. Выберите ключевой элемент системы: Измерители — регистраторы (логгеры) температуры

Устройства измеряющие температуру - ключевой элемент системы мониторинга. Осуществляя съём сигнала с чувствительного элемента, регистраторы температуры записывают измеренные значения в память и передают накопленные данные. Есть несколько распространенных видов терморегистраторов:

• OFF-Line регистраторы с возможностью выгрузки данных на карту памяти или персональный компьютер.
• Проводные регистраторы с поддержкой интерфейсов Ethernet, RS485, CAN и других.
• Беспроводные устройства оснащенные радиопередатчиками стандартов WiFi, LoRaWAN, Bluetooth, NB IoT.

3. Подумайте о хранении данных

Несмотря на то, что основное назначение системы мониторинга - это оперативные реакции на текущие события, вопросы накопления и хранения архивных данных также весьма важны. Месторасположение в системе и объем архивной памяти, определяют глубину, доступность и надежность хранения архива. Архивные данные могут накапливаться:

• Во внутренней памяти регистраторов
• В памяти промежуточных узлов - шлюзов.
• На локальном компьютере - центре сбора данных.
• На удаленном компьютере (облачном сервисе).

4. Изучите возможности программного обеспечения

Конечно, любая автоматизированная система включает набор программного обеспечения. Чаще всего функции программы включают:

• Конфигурация и настройка.
• Создание мнемосхем.
• Управление сигнализацией.
• Получение и обработка данных.
• Составление отчетов.

5. Познакомьтесь с системой оповещения и формой отчётов

Система контроля температуры может обладать широким функционалом, включая анализ данных, построение мнемосхем и т.д. Но две функции всегда остаются ключевыми - это оповещения пользователей о выходе температуры за заданные пределы и формирование периодических отчётов.  Система оповещения может включать:

• Световая и звуковая сигнализация.
• Сообщение электронной почты.
• SMS сообщения.
• Telegram, WhatsApp и другие мессенджеры.
• Голосовой телефонный звонок.

Датчики температуры - чувствительные элементы

Температура является одним из самых распространенных параметров контроля в промышленности. Особенно актуален контроль температуры при производстве и хранении лекарств и продуктов питания. Непосредственно, измерение температуры происходит с помощью чувствительного элемента - датчика, электрический сигнал которого находится в зависимости от температуры окружающей среды. Преобразование температуры в электрический сигнал необходимо, поскольку именно электрические сигналы удобно измерять, обрабатывать, сохранять и передавать. При этом очевидно что основные метрологические параметры всей измерительной системы (такие как диапазон и погрешность измерения) будут определяться именно этим первичным преобразованием. Существуют чувствительные элементы различных принципов действия и различных механических конструкций.

В системах контроля температуры используются три наиболее распространенных чувствительных элемента различных по принципу действия первичного преобразователя: термопары, терморезисторы и резистивные датчики температуры.

Термопары - одни из самых распространенных типов первичных преобразователей температуры в промышленности. Принцип их действия основан на физическом эффекте - появлении электрического напряжения на стыке двух разнородных металлов. Особенность термопар - это широкий температурный диапазон (до нескольких тысяч градусов по Цельсию) и относительно низкая точность измерения - от ±1 °C и хуже.

Резистивные датчики температуры или RTD имеют гораздо более высокую точность, чем термопары: от ±0,2 °C, но и более узкий рабочий диапазон - максимально возможная температура применения как правило не превышает 200-300 °C (редкие модели могут иметь диапазон до 850 °C). Принцип работы RTD сенсоров основан на изменении электрического сопротивления такого металла как платина.

Термисторы или терморезисторы - изготавливаются из полупроводниковых материалов с высоким температурным коэффициентом. Так же как и RTD сенсоры, термисторы изменяют своё электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей среды, но обладают большой нелинейностью характеристики преобразования. У термисторов самих по себе не высокий диапазон измерения и не высокая точность, однако поскольку термистор является полупроводниковым прибором появляется возможность встраивать его непосредственно в измерительные микросхемы и получать таким образом цифровые датчики повышенной точности - до ±0,1 °C.

Давайте подробнее рассмотрим перечисленные типы чувствительных элементов.

Термопары

Термопары широко используются в промышленности, особенно там, где первостепенное значение имеют стоимость, широкий рабочий диапазон и не требуется высокая точность.

Термопара представляет собой две металлические проволоки изготовленные из разных металлов (сплавов), которые сварены вместе в одной точке. В месте сплава двух таких металлов возникает так называемый термоэлектрический эффект - появление электрического напряжения пропорционального температуре. Обычно уровень этого напряжения чрезвычайно мал и составляет тысячные доли вольта, поэтому это напряжение должно быть усилено измерительной системой и измерено с как можно более высокой точность.

Но мало просто измерить напряжение созданное термопарой - нужно еще вычислить какой именно температуре оно соответствует. Такое вычисление осуществляется на основе формул и таблиц составленных учеными метрологами для каждого типа термопар на основе эмпирических данных.

Но и это ещё не всё! Для измерения напряжения на термопаре измерительная система должна физически присоединиться к двум термопарным проволокам, а в месте этого присоединения возникает “паразитный” термоэлектрический эффект, который добавляет к полезному сигналу своё напряжение. Для компенсации этого “паразитного” эффекта измерительные системы измеряют так называемую “температуру холодного спая” - температуру в месте присоединения термопарных проводов к электронному блоку и  вычитая эту температуру из общей измеренной получают реальное значение измеряемой температуры.

Все эти сложности влияют на реальную точность измерительных систем с термопарами, которая составляет не более 1-2 °C, а при измерении высоких температур может доходить до 5-7 °C. При этом, термопары остаются единственным решением при измерении высоких температур от 1000 °C и выше.

Резистивный датчик температуры или RTD сенсор

RTD сенсор обладает гораздо более высокой точностью, но более узким диапазоном измерения чем термопара.

В промышленности существуют RTD сенсоры двух конструкций: проволочные и тонкоплёночные. Проволочные RTD сенсоры выполнены в виде тонкой платиновой или медной проволоки, намотанной вокруг основания. Тонкоплёночные RTD сенсоры обладают гораздо меньшими размерами и представляют собой микроустройство с напылением плёнки из платины или меди.  Зависимость электрического сопротивления платины от температуры обладает хорошей линейностью и долговременной стабильностью. 

Измерение сопротивления RTD сенсора можно выполнить с гораздо более высокой точностью, чем измерение напряжения на термопаре. Всё это делает RTD сенсоры наиболее популярными в применениях, где требуется повышенная точность измерений.

Термистор

Термисторы - это полупроводниковые приборы, сопротивление которых так же как у RTD сенсоров зависит от температуры. При этом зависимость может быть как прямо пропорциональная так и обратно пропорциональная, в связи с чем выделяют термисторы с отрицательным (NTC термисторы) и положительным (PTC термисторы) температурным коэффициентом.

Основным достоинством термисторов является миниатюрность и не высокая стоимость изготовления. Благодаря возможности встроить термисторный элемент непосредственно в измерительную микросхему, существуют датчики температуры высокой точности до  0,01 ° C. Однако, как правило, такая высокая точность достигается в узком температурном диапазоне  - например, при измерении температуры тела человека. 

При построении промышленных измерительных систем термисторы широко применяются в составе интегральных цифровых датчиков температуры, при этом как правило в ограниченном диапазоне применения - от - 50 ° C до 100 ° C.

Температурный буфер

Термобуферы - это не чувствительные элементы, но дополнительные приспособления, которые надеваются на чувствительный элемент с целью увеличения времени (то есть для торможения) термической реакции. Как правило, для таких целей используются емкости с гликолем или твердотельные нейлоновые колпачки. Назначение термического буфера в том, чтобы наиболее точно имитировать температуру реального продукта, например, в холодильной камере.

Простой пример - терморегистратор, который измеряет температуру в холодильнике при хранении лекарств и  вакцин. Когда дверь холодильной камеры открывается, теплый воздух из комнаты врывается в холодильник и вытесняет холодный. Регистратор может отреагировать на это изменение, и система мониторинга зафиксирует недопустимое превышение температуры.

Но в действительности из-за такого кратковременного скачка, температура лекарств и вакцин в упаковке не изменится. При использовании теплового буфера, скачок температуры воздуха окружающего непосредственно датчик будет сглажен и “ложная” тревога не произойдёт.

Объём ёмкости с гликолем определяет время термической реакции и может быть подобран для конкретных условий. 

Проблема подобных ложных срабатываний может быть решена также и электронными, алгоритмическими методами - когда условия определения аварийной ситуации усложняются, в них добавляются временные параметры учитывающие скорость нарастания температуры и время превышения заданного порога.

Преимущество алгоритмических методов заключается в гибкости и простоте изменения необходимых параметров под специфические условия вашего объекта мониторинга.

Измеритель-регистратор температуры (терморегистратор)

Основным компонентом системы мониторинга температуры является электронный прибор - измеритель (терморегистратор), который, выполняя измерение сигнала с первичного преобразователя температуры, обрабатывает его и передает измеренные значения на верхний уровень мониторинга.

Существует большое разнообразие терморегистраторов для систем мониторинга, отличающихся количеством каналов, объёмом памяти и набором интерфейсов связи.

Период регистрации и передачи данных

При проектировании системы мониторинга необходимо определить как часто будут выполняться измерения.

Измерения и, тем более, передача данных от регистраторов не могут осуществляться непрерывно, поскольку, во-первых, каждое отдельное преобразование занимает определенное  время, а, во-вторых, пропускная способность каналов связи ограничена.

В некоторых применениях для контроля быстропротекающих производственных процессов необходима периодичность измерений порядка нескольких секунд или меньше - это очень жёсткие требования и для их удовлетворения используется специализированное оборудование и выделенный канал связи.

Для большинства же стандартных задач связанных с контролем температуры в помещениях или холодильниках достаточно интервалов измерения кратных нескольким минутам или даже десяткам минут, поскольку в таких приложениях температура не может физически изменяться быстрее.

Не стоит предъявлять чрезмерные требования к системе мониторинга температуры и закладывать слишком маленькие интервалы измерения, особенно, если речь идет о системе с автономным питанием.

Чем больше измерений и циклов передачи данных устройство будет совершать в единицу времени, тем больше энергии будет израсходовано и тем меньше будет время непрерывной работы от элементов питания.

Провода или радиосвязь

Основным критерием при выборе и внедрении системы мониторинга температуры является выбор типа питания и среды передачи данных.

Каждое решение обладает своими преимуществами и недостатками и  мы постарались свести принципиальные отличия в этой таблице:

	Преимущества	Недостатки
Проводные системы RS-485, CAN, Ethernet и датчики с внешним питанием	Не нужно менять батарейки. Можно обеспечить высокую частоту опроса.	Требуется протянуть провода к каждому датчику. При обрыве провода, вся система выходит из строя. Низкая гибкость - проблематично перенести датчик в другое место или добавить новые.
Комбинированные системы Wi-Fi, LoRaWAN, Bluetooth и датчики с внешним или комбинированным питанием	Не нужно прокладывать провода связи. Не нужно менять батарейки. Можно обеспечить высокую частоту опроса. Средняя гибкость - для переноса или добавления новых датчиков нужна только сеть питания 220 В.	Необходимо подключение датчиков к сети питания 220 В. При аварийном отключении электроэнергии вся система выходит из строя (но можно использовать датчики с резервным питанием).
Беспроводные системы Wi-Fi, Bluetooth с автономным питанием	Не нужно прокладывать провода. Датчик можно установить где угодно. Максимальная гибкость - перенос или добавление датчика ничем не ограничены. При аварийном отключении питания система продолжает работать.	Необходимо менять батарейки. Высокая частота опроса будет быстро расходовать батарейку.

Заметим, что различные типы каналов передачи данных и типы питания датчиков можно комбинировать между собой и выбирать такие системы мониторинга, которые предлагают различные варианты и допускают возможность их комбинировать.

Например, если на объекте мониторинга есть склад и уличный рефрижератор находящийся в отдалении - можно использовать проводную или комбинированную систему на складе и подключить к системе уличный рефрижератор с помощью беспроводного решения.

В последнее время с появлением энергоемких батареек и энергоэффективных технологий радиопередачи, всё большую популярность приобретают именно беспроводные системы мониторинга с автономным питанием датчиков.

Основной недостаток систем этого типа - необходимость периодической замены батареек становится вполне приемлемым для пользователя, когда время непрерывной работы датчика от одного элемента питания достигает года и более.

Беспроводные системы контроля температуры получили особенно широкое распространение при мониторинге температуры в холодильниках, морозильниках, криостатах, складских помещениях и инкубаторах - там где, как правило, требуется значительное количество датчиков и не требуется слишком частого периода опроса.

Шлюзы и концентраторы данных

Архитектура большинства систем мониторинга температуры предполагает использование дополнительного оборудования - шлюзов или концентраторов данных.

Шлюзы и концентраторы данных являются промежуточным звеном между измерителями-регистраторами температуры и системой верхнего уровня. Эти устройства обеспечивают так называемую “связь последней мили” - они собирают данные с датчиков по локальным интерфейсам связи (RS485, CAN, Bluetooth, Wi-Fi, LoRaWAN и другим) и отправляют  данные в локальную сеть или сеть Интернет.

В системах построенных на технологиях GPRS или NB IoT такие промежуточные звенья не требуются, поскольку данные с измерителей-регистраторов отправляются напрямую в сеть Интернет через операторов сотовой связи. Однако, в настоящий момент технологии NB IoT являются менее энергоэффективными при использовании в системах с автономным питанием, а также требуют постоянных затрат на услуги операторов связи. Эти два фактора делают стандарт NB IoT менее популярным для мониторинга стационарных объектов.

Хранение данных

В зависимости от ваших задач, вам может потребоваться хранить архивные данные за несколько минут, или за несколько лет. Примерный объем необходимых ресурсов для хранения архивов можно определить по простой формуле:

Объём АРХИВА = количество датчиков X размер одного измерения X частота опроса X глубина архива

Часто хранение данных осуществляется не только в виде базы данных, но и в виде систематически формируемых файлов-отчетов в удобном для восприятия человеком формате.

Как правило, такие файлы-отчёты имеют специальный формат PDF/A предназначенный для долговременного хранения данных. Если ваш файл полностью соответствует формату PDF/A, можете быть уверены в том, что вы без проблем откроете и распечатаете его через много лет - вне зависимости от изменений операционных систем, шрифтов, программ просмотра PDF и т.п.

Хранение данных на измерителе (датчике)

Многие измерители-регистраторы температуры хранят записанные данные в собственной внутренней памяти.

Обратите внимание, что некоторые устройства не имеют внутренней памяти и используют внешнюю, такую ​​как USB-накопитель или карту памяти SD.

На первый взгляд кажется, что хранение данных в собственной памяти регистраторов излишне для автоматизированных систем мониторинга. Однако, как показывает практика, дублирование данных локально на самом измерительном устройстве существенно повышает автономность и работоспособность системы мониторинга в случае аварийных ситуаций.

Если ваши датчики дублируют переданные измерения во внутренней памяти, вы можете быть уверены что ни одно измерение не потеряется.

Центральный узел локальной системы

Большинство систем мониторинга температуры, используют промежуточные шлюзы или концентраторы для передачи данных. Иногда, в случае небольших по масштабу локальных систем, такие концентраторы объединяются с персональным компьютером-сервером, на котором работает система верхнего уровня. Как правило, именно на таких компьютерах-серверах и осуществляется накопление собранных данных, их анализ и формирование отчетов.

Облачное хранилище

Облачные сервисы - это относительно новое решение, которое предлагают современные производители систем мониторинга температуры и которое становится всё более популярным во всём мире.

Использование облачных решений освобождает пользователя от необходимости обслуживать собственный сервер мониторинга и архивное хранилище.

Как правило, облачные сервисы предлагают дополнительные возможности такие как автоматическая рассылка отчетов и экстренные уведомления в случае аварийных ситуаций.

Подключение к облаку и хранение большого объема данных может быть платным.  

При выборе вариантов хранения данных ещё раз обратите внимание на корректность выбора частоты опроса датчиков. Многие пользователи предпочитают решение “с запасом” и заявляют, что они хотят записывать данные с частотой один раз в секунду или быстрее.

Но проблема заключается в том, что такой большой поток данных быстро заполняет доступную память, особенно если датчиков много. Обработка такого объема данных так же затруднительна.

В действительности, для того чтобы температура продукта, хранящегося в холодильнике, изменилась хотя бы на один-два градуса, потребуется несколько минут - даже в случае если полностью открыть холодильник.

Программное обеспечение

Если за точность и надежность измерений в системе мониторинга отвечает оборудование - измерители-регистраторы температуры, то удобство использования и функциональность системы определяется, прежде всего, программным обеспечением верхнего уровня.

Программное обеспечение системы мониторинга может поставляться как вместе с оборудованием, так и приобретаться отдельно.

Как уже упоминалось выше, в настоящий момент существует два принципиально разных подхода к использованию ПО верхнего уровня: локальный и облачный.

В случае локальной системы, программное обеспечение устанавливается на персональный компьютер, размещенный непосредственно на объекте мониторинга или сервер, к которому могут подключаться удаленные пользователи.

Облачное решение имеет централизованный сервер расположенный в дата-центре и предоставляет пользователям доступ к нему через сеть Интернет.

У каждого из этих двух подходов есть свои плюсы и минусы.

Основным минусом облачных решений остается настороженное отношение пользователей к интеграции в их локальную IT структуру стороннего сервиса. Однако, следует понимать, что создание и обслуживание собственного локального сервера мониторинга - серьезная задача, требующая оборудования, специалистов и постоянных финансовых затрат.

Эти затраты оправданы в случае построения крупных систем, но могут быть несоразмерны для небольших объектов мониторинга. При этом, облачные решения как правило предлагают очень широкий и полезный функционал такой как: формирование аварийных уведомлений, ведение базы данных, контроль связи с датчиками, автоматическое формирование и рассылка отчетов и т.д.

Основные функции программного обеспечения системы мониторинга температуры:

1. Конфигурация и настройка - позволяет оперативно изменять алгоритмы работы измерителей-регистраторов температуры, добавлять в систему новые датчики и формировать логическую структуру.
   Обратите внимание на наличие этих возможностей, в том числе не возможности конфигурации пользователей.
2. Аварийные уведомления - одна из важнейших функций программного обеспечения верхнего уровня.
   Уведомления в современных системах мониторинга можно не только формировать, но и гибко настраивать, указывая кому и по каким каналам связи их отправлять.
3. Анализ и выгрузка накопленных данных - обратите внимание на возможность ПО по созданию диаграмм, сравнения трендов и выгрузки накопленных данных за заданный период времени.
4. Мнемосхемы и карты - полезны для удобного представления текущих показаний датчиков на плане здания или карте местности.
   Современные системы мониторинга позволяют создавать рабочие места оператора - интерфейсы оптимизированные для непрерывного или периодического наблюдения за температурой на объектах мониторинга.
5. Создание отчетов - важнейшая функция любой системы мониторинга.
   Рекомендуем выбирать системы мониторинга с программным обеспечением позволяющим минимизировать человеческий фактор и автоматически генерировать документы с отчетами для надзорных органов - в этом случае вы всегда будите уверены что готовы к любым проверкам.

Сигнализация об авариях

Одним из главных требований при внедрении системы мониторинга температуры является возможность оповещения сотрудников компании о превышении температурой заданных порогов.

Однако не забывайте, что кроме непосредственного слежения за температурой, уведомления полезно и даже необходимо получать в любых нештатных ситуациях: при аварийном отключении электроснабжения, при выходе из строя измерителя или потери связи с ним.

Подобные функции относятся к системе самодиагностики и имеют решающее значение для обеспечения реальной надёжности и качества работы автоматизированной системы мониторинга.

Можно выделить следующие типы сигнализации об авариях в современных системах мониторинга:

1. Светозвуковая сигнализация на объекте.
   Представляет собой отдельное устройство или может быть интегрирована в центральный шкаф системы мониторинга. Локальное звуковое оповещение позволяет персоналу находящемуся непосредственно на объекте принять оперативные меры немедленно.
2. Электронная почта.
   Уведомления по электронной почте удобны, однако для критически важных применений вы должны быть уверены, что получатель прочтёт электронное письмо вовремя. Рекомендуем использовать для получения аварийных уведомлений служебные мобильные устройства с настройкой звукового уведомления при получении электронного письма.
3. SMS-оповещения.
   SMS - это популярный способ мгновенного оповещения о тревожных событиях при контроле температуры. Минусом этого способа в последнее время стало большое количесвто рекламных и информационных SMS сообщений из различных источников - в потоке таких рекламных сообщений легко пропустить важное уведомление.
4. Телефонный звонок.
   Пожалуй, самый надёжный способ извещения - автоматический звонок с записанным голосовым сообщением.
5. Мессенджеры.
   На данный момент самый современный способ получения уведомлений - с использование популярных мессенджеров Telegram, WatsApp, Wiber и т.д.
   Мессенджер позволяет гибко настроить параметры уведомлений при получении сообщения на мобильном устройстве и не потерять важное в информационном потоке. Минусом этого способа доставки тревог является, как и в случае с электронной почтой, необходимость интернет связи на мобильном устройстве.

Заключение

В этой статье мы попытались максимально широко охватить вопросы связанные с построением современных систем мониторинга температуры и облегчить вам выбор и внедрение.

Однако, если у вас остались вопросы или нужны рекомендации в соответствии со спецификой именно вашего применения, наши специалисты будут рады помочь вам и предоставят дополнительную информацию и консультации.