2023-08-16
如何选择温度验证传感器
1972年，世界上第一台真正意义上应用于制药行业的温度验证仪诞生。自此，热电偶作为其温度传感器被延用至今。然而，随着工艺要求的提高，药品生产中对测量数据的精准度和可靠性要求更趋严苛，于是，温度验证仪厂商开启了对更高性能传感器的探索。随后，薄膜铂电阻便成为“更”优解决方案，率先推动这一技术应用的代表性公司有深圳研工，行业领导者美国KAYE，也在其Validator系统中预留了对铂电阻传感器的兼容选项。
事实上，早在十几年前，国外的验证仪制造商在推出无线温度验证仪中，无一例外的全部以铂电阻作为温度传感元件，该方案也是目前所有无线温度验证产品的一致选择。显然，铂电阻的某些优势是热电偶所不及的，两者的互补性和科学选型在高精度和宽量程测量应用中将极具价值。因此，在选购温度验证仪时，选择更合适的传感器类型是提高温度测量数据精准度的重要前提。
根据IEC 60584-1-2013中常用热电偶分度号参数（见表1）。
表1（常用热电偶分度号参数）
制药行业温度验证用探头由于环境的特殊，探头损耗较大，含有铂、铑、钨、铼贵金属的热电偶成本过高，通常不在考虑之列，此外，电压信号太弱也会影响信号调理难度和分辨率。T型热电偶号在所有廉金属热电偶中精确度最高，更接近温度验证工作的使用条件。
响应时间快
隧道烘箱的热传导介质为空气，温度传感器需要在验证中随网带快速通过测温区，这两个条件对传感器的快速响应能力构成了较大挑战。热电偶的响应速度主要取决于偶丝直径和结点大小，与铂电阻的表面尺寸相比，它能获得更高的响应速度，有利于实时快速感测到变化中的热风温度。当然，不恰当的封装工艺也会减缓热电偶的响应速度。同理，科学而先进的封装工艺也可能使铂电阻的响应速度与热电偶传感器不相伯仲。
偶丝是热电偶的核心材料，它决定了热电偶的精度能否达到所需要的等级，以及所能测量的温度范围。
根据美国、中国、日本和德国的热电偶的最高精度标准，T型热电偶在121℃时的精度在±0.5℃左右；300℃时的精度均在±1.2℃左右（见表2）。
表2（T型热电偶偶丝参数）
热电偶的稳定性是指在一定的温度下，热电偶的热电特性随时间和使用条件的不同而发生变化的程度。热电偶的精度差值可以通过软件系统校正获得修正，但它的稳定性却很难通过软件方式获得补偿。
国标GB/T 2903-2015中提到，热电偶丝在190℃下稳定200小时，恒温过程中该温度点热电势变化得绝对值不超过下表的规定（见下面表3），相当于温度不超过±1.5℃即符合国家标准，按照此项标准，长期运行在100~140℃中的湿热灭菌验证，要实现精确与可靠的测量会是一个巨大的挑战。
传感器是测量仪器实现精确测量的基础，它的稳定性和精度的高低会影响整个测量系统的精度性能。
表3（GB/T 2903-2015 稳定性标准）
热电偶由两种不同材质的金属导线所组成。对热电偶的维修包括断点焊接和绝缘层维护。人们通常认为热电偶维修简便，修复后可以反复使用，却忽略了当绝缘层破损后，偶丝表层氧化将导致的精度下降。受热电偶的均质导体定律约束，当偶丝局部表层氧化，或偶线反复弯曲受压即破坏了材质的均匀性，这将导致其在灭菌温度段的测量偏差超出仪器固有的线性补偿范围。绝缘受损且表面严重氧化的热电偶，已不适合继续承担有着高精度要求的温度验证工作，否则将给验证数据的通过率和准确度带来不确定性。
根据国际温标中电动势的测量条件和热电偶测温原理，测量端温度需加上冷端温度（仪器内部温度），才是最终的实际被测温度。将仪器内部温度电信号叠加到测量端电信号的过程，被称作冷端补偿。由此可以理解，当室内环境温度或仪器内部温度产生波动，势必给冷端补偿精度带来偏差。
GMP要求验证前后必须对温度验证系统进行校验，药厂应配备高稳定性的干体炉和高精度的标准温度计。通常校准只是针对热电偶测量端进行补偿校验，而仪器端用作冷端补偿的测温传感器一直以来都是个监管死角，其中的客观原因之一在于该补偿用传感器通常在验证传感器的尾端，也就是仪器或温度采集模块的位置（见图2）。而这个位置的温度变化，将叠加进验证传感器的温度值。也就是说，假如验证传感器放入干井或油槽中的温度已经很稳定了，但是当空调冷气或室内空气流动吹到温度采集模块，造成冷端温度变化，这时验证传感器的温度值便会波动，如以下视频：
图2
因此，无论采取哪种冷端补偿方案，热电偶要想更加准确地测量温度依然是个艰巨的挑战。目前在温度验证领域，美国KAYE历经了半个多世纪的技术积累，获得了比较理想的解决方案。至于其他通用的数据采集产品，由于并非专业的成套验证系统，其拼凑的解决方案无法解决冷端补偿所带来的精度影响。
例1：FLUKE数据采集器2638A，其T型热电偶在0℃时的内部CJC精度是±0.65℃（见表4）。
想要解决这问题必须要额外购置FLUKE外部CJC设备，其补偿精度才能在0℃时达到±0.15℃。
表4（2638A技术参数表）
例2：Agilent数据采集器34970A，其T型热电偶在-100～400度时，精度为±1.0℃（见表5）。
热电偶受其固有特性的制约，在高精度测量中存在着不足。
那么在湿热验证领域，想要提高数据的精准和可靠性是否有更好的解决方案？
PT100薄膜铂电阻的最高精度远优于热电偶（见表6），热电偶精度（见表2）。
表6（常用的PT100薄膜铂电阻参数）
长时间测量或温度骤变都对传感器的精度和复现性产生负面影响 ，这将进一步影响到传感器的使用寿命，因此，长期稳定性是传感器最重要的指标。
铂金属是对各种物质的作用最稳定的金属之一，它的抗氧化性能要远胜于T型热电偶中的铜和镍金属。从大量的验证数据样本可以看出，就稳定性而言，采用铂电阻传感器的验证仪，即便频繁使用并间隔15～30天做一次前校准或后校验，其精度变化极小。若验证仪带有保存多组不同温度段前校准补偿数据的功能，则可为验证人员节约大量校准的时间。
铂电阻是通过阻值随温度变化的原理实现测温的，冷端温度的波动对测量数据不会产生任何影响。因此，采用铂电阻测温的仪器，彻底规避了冷端补偿这一不确定因素。
在温度验证中，“现场校准”的意义对热电偶是不可或缺的，原因在于：由于空间磁场环境和物理因素的改变，以及热电偶的弯折、受压和表面氧化，在“均质导体定律”的约束下，电压信号会随之变化。在A环境做的前校准补偿，若移到B环境使用，原有的补偿基础可能漂移。仅就稳定性而言，铂电阻对“现场校准”的依赖度，就不那么重要。
在机械强度方面，陶瓷的绕线式铂电阻与热电偶没有可比性，有些观点认为铂电阻不耐用，在撞击时较易损伤，这都是基于陶瓷的绕线式铂电阻的狭隘理解。得益于新材料和新技术的突破，体积小巧且坚固耐用的薄膜铂电阻则具有非常出色的抗冲击性能。
典型的薄膜铂电阻抗冲击等级通常能达到100g加速度（波动8.5mS后）以上。用于湿热灭菌验证的铂电阻传感器还会增加一道防水封装，通常为软硬适中的特氟龙材料，液态状的特氟龙将截面小至约1.5mm×0.8mm的薄膜铂电阻包裹并固化后，便有了更加出色的防水性能及抗冲击能力。(见视频2）
视频2（深圳研工的湿热型铂电阻传感器抗摔测试视频）
铂电阻凭借高精度、高稳定性和抗干扰性强等优势，非常适合湿热灭菌设备的验证。另一方面，灭菌设备自身的温控探头已普遍使用铂电阻PT100，若温度验证系统仍以通用型的数据采集器配以热电偶组合，其精度甚至不及灭菌设备的控温传感器精度，因此更有必要采用铂电阻传感器对其进行验证或校准。
推荐防水工艺：特氟龙导线，头部全特氟龙密封方案。
对于隧道烘箱等干热灭菌设备，其在验证中对温度波动容差较大，且要求热响应迅速。所以，热电偶是首选，其次是封装工艺达到接近于热电偶响应时间的铂电阻传感器。由于需要在高温下反复活动使用，除了必须合理的头部封装，还需要兼顾其配套的保护层材质、绝缘材质、外保护管等的性能。因此，需要选择专门为温度验证设计的干热传感器才能出色的持续完成隧道烘箱的验证工作。
推荐防护工艺：导线外层带不锈钢网，抗拉强度高，使用寿命更长。
热电偶传感器和铂电阻传感器在温度验证中的是持续互补与并存的关系。因此，在选购温度验证仪时，能够同时兼容热电偶与铂电阻两种传感器就显得十分必要。所以，从传感器和采集模块到验证仪主机的每个单元都应当有专业的设计和配件应用优化，这正是具备整套解决方案验证系统的价值所在。
