Средства мониторинга температуры

Датчики Точность (погрешность)

Независимо от системы сбора или регистрации температур общими у них являются датчик или термочувствительная часть. Три основных типа широко применяемых дат­чиков — это термопары, платиновое сопротивление и полупроводниковый прибор (термистор). Выбор типа датчика зависит от требований к точности и инерционности, к диапазону температур, прочности и цене.

До недавнего времени большинство универсальных термометров и измерительных систем использовали в термочувствительной части системы термопару. Термопара — это пара различных металлов, соединенных с одной стороны спаем. Цепь замыкается другим соединением, которое поддерживается при известной температуре (иногда это соединение называют свободным или холодным спаем термопары). Для измерений, связанных с пищевыми продуктами, температуры которых относительно близки к окружающей, преобладают два вида термопар: термопары типа К, в которых исполь­зуется проволока из хромеля (хромоникелевый сплав) и алюмеля (никель-алюминиевый сплав), и термопары типа Т, использующие проволоку из меди и константана (медно-никелевый сплав). Преимуществами термопар являются их низкая стоимость, возможность изготовления вручную из проволоки и очень широкий диапазон измере­ния температуры (от-184 °Сдо 1600 °С).

В табл. 5.6 приведены возможные допустимые погрешности для трех типов датчи­ков, которые для термопар и платиновых датчиков сопротивления соответствуют стан­дартным требованиям.

Погрешности, °С	Тип К	Тип Т	Платиновые резистивные	Термистор
Датчика	±1,5*	±0,5**	+0 2***	±0,1
Прибора (инструментальная погрешность)*	±0,3	±0,3	±0,2	±0,2
Системы	±1,8	±0,8	±0,4	±0,3

* Стандарт Великобритании ВS 4937: Класс А24.** ВS 1904: Класс А25.*** Включает точность коррекции холодного спая [26].

Различие инструментальной погрешности возникает из-за того, что электронная схема должна компенсировать изменения температуры эталонного или холодного спая (обычно это температура окружающей среды). Эта температура измеряется встроен­ным полупроводниковым датчиком, и изменения в окружающей температуре автома­тически компенсируются.

Погрешность при использовании термопар возрастает, если температура окружаю­щей среды меняется значительно, например, при перемещении из холодной среды в теплую. Ошибки при измерении с помощью термопар возможны также из-за наведен­ных напряжений от двигателей, влаги и градиентов температуры в других спаях. Для повышения точности измерения и контроля следует ограничиться применением дат­чиков на основе термопар типа Т, что обычно позволяет удовлетворить основные тре­бования к контролю температуры воздуха [21].

Сопротивление термисторных датчиков меняется с температурой, но обычно мо­жет использоваться для измерения лишь в более узком диапазоне температур по срав­нению с термопарами (от — 40°С до 140°С). Применение таких датчиков для измерения температуры пищевых продуктов расширилось с введением требований к измеритель­ным системам для определения температуры пищевых продуктов давать погрешность ±1 °С, что подкреплено проектом стандарта СEN для термометров [22]. Эти датчики прочные, обеспечивают хорошую точность и воспроизводимость результатов, а также незначительно подвержены действию изменений окружающих температур.

Платиновые термометры сопротивления также дают точность системы, отвечаю­щую требованиям проекта стандарта СЕN[22]. Они могут использоваться в широком диапазоне температур (от -270 °С до 850 °С). Обычно их инерционность (табл. 5.7) больше, если их конструкции не защищены специальными мерами предосторожности. Должна выполняться коррекция сопротивления проводов и эффекта саморазогрева. Более высокая стоимость ограничила их применение случаями, когда требуется высо­кая точность в стационарных системах управления технологическим процессом.

Таблица 5.7. Типовая инерционность (с) в воздухе и воде [26]

	Неподвижный воздух	Принудительно подаваемый воздух	Вода*
Открытая термопара	20	5	—
Покрытая оболочкой термопара	150	40	6
Открытый термистор	45	20	—
Покрытый оболочкой термистор	260	50	12
Покрытая оболочкой платина	365	65	15

* Датчик типа зонда, установленный в кожух в воде; время для изменения на 20 °С до уровня 99%.

Калибрование и периодическая поверка

При изготовлении каждый датчик и прибор проверяется, чтобы удостовериться в его соответствии требованиям и обеспечении точности в пределах допуска, задаваемого изготовителем и в соответствии с 55 ЕЫ 12830:1999 [21] и ргЕЫ 13485:1999 [22]. Во многих случаях для измерений к системе подключаются разные датчики, которые обыч­но считаются взаимозаменяемыми, однако если необходимы более точные измерения, выполняется индивидуальная калибровка датчика вместе с прибором (в системе).

При этом определяют показания системы в диапазоне прилагаемых температур. Дол­жна иметься возможность проконтролировать эти температуры по государственному эталону (например, Государственной физической лабораторией). Полученная таблица или график в поверочном сертификате позволяет скорректировать результаты измере­ний с помощью системы до истинных значений (в пределах допусков калибровки).

Чтобы гарантировать правильную работу аппаратуры и ее соответствие тем же усло­виям, что и при ее покупке, как указано в [23], после установки системы мониторинга температуры необходимо выполнять периодические поверки. Частота поверок зависит от применения аппаратуры. Изготовителем (или правомочной лабораторией) должны проводиться текущие проверки функционирования аппаратуры. Проверки, выполняе­мые изготовителем, рекомендуется проводить не реже одного раза в год, а также после длительного периода бездействия или отказа. Аппаратура обычно проверяется по друго­му термометру, который был калиброван по стандарту. Обычно также проверяют точ­ность и работоспособность часов или продолжительность записи.

Оболочки датчиков и зонды

Для использования в контроле температуры чувствительный элемент (датчик) дол­жен быть защищен от повреждения или поломки. Для этого применяют различные способы — от покрытия эпоксидной смолой до помещения в кожух из нержавеющей стали. Если необходим быстрый отклик, тепловой поток должен быть как можно мень­ше. Важно, чтобы датчики для измерения температуры воздуха, устанавливаемые в камеры или транспортные средства, были защищены от повреждений во время загруз­ки и выгрузки продуктов, но так, чтобы не препятствовать движению воздуха.

Для мониторинга и измерений температуры пищевых продуктов часто требуются датчики, размещенные в ручных зондах. Конструкция зонда зависит от его примене­ния. Наиболее распространенный зонд служит для введения в пищевые продукты и поэтому заострен (рис. 5.10, а). Если требуются неразрушающие измерения темпера­туры, то нужен зонд, который может быть введен между упаковками или коробками с продуктами. Для сведения к минимуму погрешности таких измерений важны хоро­ший контакт между упаковкой и зондом, а также приемлемое время достижения уста­новившихся показаний. Примеры зондов для измерений между упаковками и короб­ками показаны на рис. 5.10 б и в.

Системы индикации и регистрации

Системы с одним показанием

Измерительная аппаратура от первых ртутных и спиртовых термометров в стеклянной трубочке, показывающих одно значение температуры, прошла большой путь. Создание

Рис. 5.10. Ручные температурные зонды: а) различные зонды для измерения

температуры воздуха и продуктов; б) зонд для измерения температуры между упаковками; в) зонд для измерения температуры между коробками

стрелочных и стержневых термометров с аналоговым или цифровым дисплеем устра­няет опасность поломки, но их применение может быть ограничено большой погрешно­стью (особенно это относится к термометрам на основе биметаллических пластин). Стрелочные термометры, применявшиеся для индикации температуры в витринах, заменены в основном цифровыми термометрами.

Термохромные жидкие кристаллы меняют ориентацию и прозрачность в зависи­мости от своего состава и температуры. Расположенные в виде полосок, они показыва­ют соответствующие температуры, напечатанные под ними. Их точность ограничена, но может достигать ±1 °С.

Более распространены электронные приборы с цифровой индикацией, питающиеся от аккумуляторов. Разрешение и интервалы отображаемой температуры меняются в зависимости от модели и типа датчика. Температуру можно запомнить и даже напеча­тать, а при выходе температуры за заданный предел может подаваться аварийный сигнал.

Диаграммные самописцы

Исторически запись на движущейся ленте была единственным существующим мето­дом фиксации истории изменения температуры. Использование диаграммных само­писцев в настоящее время распространено меньше, и они уступают место электронным приборам, но некоторые до сих пор присутствуют в таких системах, как холодильные камеры и транспортные средства. Диаграммы могут быть круговыми или установлен­ными на катушке (для получения прямоугольного графика), а записи оставляются чер­нилами (за счет давления) или на термочувствительной бумаге. Преимуществом са­мописцев с круговыми диаграммами является то, что видны температурная история и резкие изменения, а также то, что диаграмма может быть легко сохранена для исполь­зования в дальнейшем. Шкала времени диаграммы обычно более суток, недели или месяца, но некоторые морские самописцы могут работать 6-8 недель. Тактовый генера­тор и электронная схема могут работать от аккумулятора, что дает мобильность, или от электросети (для некоторых стационарных применений). Погрешность определения длительности записи в соответствии с BS ЕN12830:1999 [21] должна составлять 0,2% от времени записи, если оно меньше 31 дня, и 0,1% времени записи, если она превышает 31 день. Погрешность системы зависит от датчика, но более современные диаграммные самописцы имеют погрешность в диапазоне 0-25 °С ниже 0,5 °С. Зачастую ограниче­нием для них является степень разрешения на диаграммной бумаге и толщина записи. Некоторые системы записи диаграмм — это сложные приборы, позволяющие записы­вать 30 и более каналов различными цветами и видами печати.

Диаграммные самописцы, устанавливаемые на транспортные средства (чаще — на трейлеры), должны иметь более прочную конструкцию и выдерживать трудности до­роги в любой местности и в любых погодных условиях. Существуют самописцы, даю­щие две и более записей, которые могут быть дополнены указателями событий (напри­мер, отмечающими открывание дверей).

Стационарная система для холодильных камер

Сложность интерпретации большого числа различных записей и быстрое развитие микроэлектроники и компьютерной технологии способствовало замене диаграммных самописцев системами регистрации данных, которые позволяют не только хранить большие объемы данных, но и осуществлять их обработку и анализ, что дает возмож­ность использовать их в системах управления.

В холодильной камере, где каждый день в течение всего года выполняется множе­ство измерений температуры, все чаще устанавливают компьютеризированную систе­му обработки данных. На блоке управления рядом с холодильной системой может находиться цифровой индикатор температуры, но чаще информация может быть вы­ведена на дисплей, расположенный в диспетчерской. При выходе каких-либо контро­лируемых параметров за заданные пределы может быть подан сигнал системе сигнали­зации. Аварийный сигнал может быть передан по системе связи обслуживающему персоналу, располагающемуся на территории или вне ее.

Системы регистрации температуры на транспорте

Некоторые компании разработали специализированные системы для контроля темпе­ратуры (мониторинга) в средствах транспорта. Эти системы сконструированы так, что­бы выдерживать вибрацию и тяжелые условия, возникающие на транспорте и огово­ренные в BS ЕN12830:1999 [21]. Данные собираются в течение всего рейса от загрузки до разгрузки, а аварийные сигналы подаются, если температуры оказываются вне за­данных пределов. Это оборудование может быть установлено как в кабине транспорт­ного средства (зачастую оно имеет размер автомобильной радиосистемы), так и снару­жи (иногда рядом с блоком управления охлаждением).

Кроме того, клиенты, к которым доставляется груз, все чаще требуют записи «тем­пературной истории» получаемых ими пищевых продуктов. Для включения в доку­ментацию по доставке разработаны системы, дающие немедленную распечатку темпе­ратур до точки разгрузки. Другие возможные характеристики подобных систем — это способность регистрации в течение разных периодов времени, память с возможностью хранения данных до одного года, регистраторы событий для регистрации разморажи­ваний и открывания дверей, а также наличие каналов для мониторинга состояния разных отсеков. Совершенствуется выборка информации, и появилась возможность за­грузки данных, полученных по радио, инфракрасной или спутниковой связи, в память офисных персональных компьютеров.

Портативные системы регистрации данных

Миниатюризация электронных схем привела к созданию очень компактных и емких систем регистрации данных, некоторые из которых достаточно малы, чтобы «путеше­ствовать» с коробками продуктов или поддонами и постоянно регистрировать темпе­ратуру пищевых продуктов. Такие устройства могут также использоваться в системах, постоянно установленных в хранилищах и транспортных средствах. Это удобно, если положение закрепленных датчиков должно время от времени изменяться (например, во временных хранилищах охлажденных продуктов или при перемещении перегоро­док в транспортных средствах с несколькими отсеками). Выбор системы зависит от вида конкретного применения, удобства использования и цены. В работе [21] описа­ны два таких устройства, которые использовались в крупных системах общественно­го питания, и показана их полезность для регистрации в критических контрольных точках.

Другой тип регистратора данных полезен для мониторинга витрин. Регистратор помещается на полке и регистрирует температуры модели продукта, находящейся в регистраторе и имеющей те же теплофизические свойства, что и пищевой продукт, выставленный на полке. Такой регистратор снабжен аварийным световым индикато­ром, который позволяет легко выявить и устранить возникающие проблемы. Через инфракрасный порт данные регистратора передаются для отображения и анализа.

Характеристики выпускаемых систем с развитием микроэлектроники меняются, и очевидно, что миниатюризация регистраторов будет продолжаться. Современные си­стемы в основном еще слишком велики, чтобы их помещать в коробки с продуктами, не убирая из них одну упаковку; устройства, которые станут значительно меньше и тоньше, можно быть помещать между упаковками продуктов.

Дистанционные датчики — бесконтактные термометры

Все объекты при температуре выше абсолютного нуля излучают энергию в виде инф­ракрасного излучения. С ростом температуры интенсивность излучения увеличивает­ся, но уменьшается его длина волны. В диапазоне температур охлажденных продуктов инфракрасное излучение для определения температуры может быть измерено. С рос­том температуры его интенсивность растет, и пик энергии смещается в сторону более коротких длин волн. Поэтому большинство серийно выпускаемых низкотемператур­ных инфракрасных термометров фильтруют излучение в инфракрасной области спек­тра (в диапазоне 8-14 мкм) и измеряют его интенсивность. Использование такого ди­апазона уменьшает дистанционную чувствительность прибора за счет атмосферного поглощения (парами воды, углекислым газом). Для получения большей точности при очень высоких температурах можно использовать очень узкие диапазоны (2,2; 5,2 и 7,9 мкм), но сигналы очень малы и требуют дорогих усилителей с большим коэффици­ентом усиления.

Не все материалы излучают одинаковую энергию при одинаковых температурах. Соотношение энергии, излучаемой материалом и идеальным излучателем (абсолютно черным телом), известно как коэффициент излучения (излучательная способность). Коэффициенты излучения варьируются от 0 до 1,0, при этом у большинства органиче­ских веществ коэффициент излучения составляет около 0,95. Вещества отличаются по количеству энергии, которое они поглощают, отражают и излучают. Инфракрасные термометры имеют компенсаторы коэффициента излучения, которые для учета этих различий должны быть установлены на разные значения (0,1-1,0). Важен также раз­мер объекта. Прибор усредняет все температуры, попадающие в его поле зрения. Если объект не закрывает все поле зрения прибора, показания температуры будут являться средним температуры объекта и его окружения. Фокусное расстояние меняется в за­висимости от устройства, измерение возможно с очень близкого расстояния (до 50 м). Чем больше расстояние, тем сложнее точно нацелиться на объект, и во многих моделях используются лазерные прицелы (визиры).

Существует два основных типа аппаратуры для дистанционного измерения. Один тип — это прибор в форме пистолета, который нацеливают на объект; при этом показа­ния температуры считывают с цифрового индикатора в задней части прибора. Лазер­ный прицел может быть встроен в пистолет для сквозного прицеливания (через объек­тив) для определения цели, и приборы для измерения на большом расстоянии зачастую снабжают устройствами оптического визирования. Погрешность приборов такого типа составляет около ±1 °С.

Исследование девяти промышленно выпускаемых инфракрасных термометров, выполненное в Бристольском университете [28], показало, что к их показаниям следу­ет относиться осторожно. Температура поверхности может сильно отличаться от внут­ренней температуры продуктов. Эта проблема наиболее остра для замороженных про­дуктов, у которых различие между температурой поверхности и внутренней темпера­турой может быть весьма большим (особенно, когда продукт транспортируют при тем­пературе окружающей среды выше -18 °С). Датчик инфракрасного излучения изме­ряет не только излучение поверхности, зависящее от ее температуры, но и излучение за счет отражения от окружающих продукт предметов (например, освещения).

В зависимости от типа упаковки отраженное излучение может быть весьма значи­тельным и, следовательно, искажать результаты измерения температуры поверхности.

Работа этих девяти приборов при использовании их в серийной розничной витри­не в розничном магазине сильно отличалась. В табл. 5.8 показаны результаты использо­вания этих приборов для шести различных видов упаковки. Результаты измерений по инфракрйсному излучению сравнивали с полученными с помощью калиброванной термопары, помещенной под упаковку. Два из пяти приборов (Ь и g) давали ошибку менее 1 °С, пять приборов — менее 2,5 °С и еще два давали неприемлемые ошибки. Самые большие ошибки все приборы давали на упаковке из фольги с нанесенной на нее печатью, отраженное излучение которой было самым большим. Рекомендуется не проводить инфракрасные измерения на упаковках с ярко освещенными поверхнос­тями, расположенными под углом, а выбирать горизонтально и вертикально располо­женные упаковки в витрине — так, чтобы прибор был расположен вертикально к верхней поверхности. Для увеличения точности освещение должно быть как можно слабее, расстояние для измерений — как можно меньше, а продукт расположен мак­симально ровно.

Если термометр перемещают из среды с одной температурой в среду с другой (например, из помещения с комнатной температурой в холодильную камеру), для достижения наилучшей воспроизводимости измерений рекомендуется выдержать прибор при новой температуре окружающей среды не менее 30 мин. Термометр сле­дует также регулярно проверять на поверхности с известной температурой. Можно сделать относительно дешевую камеру для калибровки по абсолютно черному телу с

Таблица 5.8. Средняя погрешность в °С со стандартным отклонением (в скобках) для разных упаковочных материалов

Прибор	Прозрачная упаковка в РГС*	Глянцевый картон	Полиэти­ леновый пакет	Ламинированная фольга с нанесенной печатью	Упаковка в РГС* с нанесенной печатью	Вакуумная упаковка с нанесенной печатью	Средний модуль
а	0,6 (0,1)	1,7 (0,1)	1,1 (0,6)	6,6 (0,6)	1,9 (0,5)	1,3 (0,1)	2,2
b	-0,3 (0,0)	0,7 (0,0)	0,8 (0,6)	5,3 (0,6)	0,6 (0,1)	1,4 (0,1)	1,5
с	0,7 (0,1)	0,6 (0,0)	0,5 (0,0)	6,0 (0,1)	0,4 (0,6)	0,4 (0,0)	1,4
d	-3,3 (0,3)	-4,5 (0,5)	-5,1 (0,4)	7,0 (0,2)	-9,1 (1,0)	-7,2 (0,2)	6,0
е	-1,9 (0,6)	-2,3 (0,1)	-2,5 (0,0)	4,1 (0,0)	1,8 (0,1)	-0,6 (0,1)	2,2
f	0,8 (0,1)	0,9 (0,4)	1,0 (0,5)	4,2 (3,0)	2,9 (0,3)	2,3 (0,1)	2,2
g	-0,1 (0,1)	-0,5 (0,6)	0,4 (0,6)	6,2 (0,5)	0,2 (0,2)	0,6 (0,1)	1,3
h	0,5 (0,4)	3,8 (0,3)	6,4 (0,7)	10,4 (0,9)	6,1 (0,8)	4,0 (1,4)	5,5
i	-2,2 (0,0)	-1,2 (0,0)	-0,8 (0,6)	3,2 (0,0)	-0,9 (0,6)	-1,0 (0,6)	1,5
Средний модуль	1,4	1,3	2,1	5,9	2,7	2,1

* РГС — упаковка в регулируемой газовой среде.

помощью трубы из черного поливинилхлорида и медной болванки. Существуют так­же промышленно выпускаемые устройства.

Другой тип приборов основан на устройствах, подобных инфракрасной видеокаме­ре. Тепловые изображения отображаются на цветном или монохромном дисплее, тем­пературная шкала которого дает температуру, соответствующую определенному цвету или оттенку. Приборы могут быть различными — от устройств с низким разрешением, используемых зачастую для обнаружения заваленных в разрушенных зданиях постра­давших, до сложных систем с высоким разрешением, позволяющих вести компьюте­ризованную обработку данных. Было обнаружено, что инфракрасные системы очень полезны для промышленного контроля и контроля эффективности энергопотребле­ния, поскольку они могут выявить перегретые компоненты и тепловые потери. Кроме того, для непрерывной работы в пищевой промышленности все шире применяют руч­ные или специальные модели. Например, можно вести мониторинг герметизирующих роликов для пластиковых лотков, подвергаемых микроволновой обработке для обес­печения равномерности нагрева; можно также проверять равномерность нагрева или охлаждения пищевых продуктов, выходящих из туннельных сушилок или холодиль­ных камер. В этих случаях объект постоянен и более важны относительные температу­ры, чем точные. Результаты выдаются мгновенно, и информация может быть передана непосредственно в системы регулирования.

Измерения температуры по инфракрасному излучению никогда не заменит электри­ческие измерения температуры для точных определений в соответствии с требования­ми законодательства о регулировании температуры. Тем не менее имеются прекрасные возможности для использования таких измерений в повседневном мониторинге и кон­троле температуры, где очень важны относительные изменения температуры и необхо­дима осторожность в интерпретации результатов. Ручные устройства могут быть ис­пользованы для мониторинга температуры поверхности коробок, выгружаемых с транспортного средства для принятия груза или отказа от него, или для сканирования витрины для обнаружения в ней более теплых участков.