Pomiar rozkładu temperatur

---

Andrzej Łobzowski, Jacek Rylski LAB-EL Elektronika Laboratoryjna S.J.

---

Sezon grypowy w pełni, więc nasza apteka na kryzys się nie uskarża, kaszlący i kichający klienci czyszczą zapasy farmaceutyków w tempie ekspresowym. Przydałby się większy ich zapas, więc dla lekarstw wymagających przechowywania w temperaturze 2 - 8°C kupiliśmy nową szafę chłodniczą, renomowanej firmy, a co! Do tego chiński termometr sprężynowy, który powiesiliśmy w środku i który po kilku próbach z pokrętłem termostatu stanął na 5-ciu stopniach Celsjusza i ani drgnie. Świetnie, możemy zamówić więcej lekarstw, już mamy gdzie je przechowywać w odpowiednich warunkach! Niestety, nasz dobry nastrój trwa do momentu wizyty Nadzoru Farmaceutycznego w osobie Groźnej Pani Z Termometrem. Groźna Pani, wetknąwszy swój instrument do naszej nowej superchłodziarki stwierdza ku naszemu osłupieniu, że nie trzyma ona założonych parametrów. Jak to, nasza renomowanej firmy lodówka i równie renomowany dalekowschodni termometr nas do tej pory oszukiwali? Jak to możliwe? Spisek?
Ano możliwe, gdyż w naszej pięknej lodówce grasują dwa żywioły: Amplituda i Gradient. Ten pierwszy szaleje na skutek zastosowania mechanicznego termostatu, o bardzo dużej histerezie działania prostego bimetalicznego regulatora temperatury. Dokładając do tego bezwładność termiczną elementów agregatu chłodniczego, otrzymujemy w komorze chłodziarki przebieg temperatury jak na wykresie 1: 

Wykres 1

Widzimy na nim, że temperatura w komorze chłodziarki waha się od 3 do niemal 8-miu stopni Celsjusza. W czym problem, mógłby ktoś zapytać, wszak amplituda mieści się w założonym zakresie 2-8°C? To prawda, ale tylko dla danego punktu w przestrzeni komory – w naszym przykładzie jest to punkt położony na środkowej półce chłodziarki. I tu wkracza na scenę drugi żywioł – gradient pionowy. Otóż w urządzeniach bez wymuszonego obiegu (a mało która chłodziarka takowy posiada) przepływ powietrza jest grawitacyjny. Wszyscy pamiętamy z lekcji fizyki doświadczenie z dwiema świeczkami, w wyniku którego można było stwierdzić, że ciepłe powietrze unosi się do góry a zimne zalega na dole pomieszczenia. Takie samo zjawisko można zaobserwować w komorze chłodziarki – na górnych półkach jest wyraźnie cieplej niż na dolnych, w skrajnych przypadkach różnica ta dochodzi do kilku stopni Celsjusza. Pełny obraz przebiegu temperatury w naszej chłodziarce wygląda zatem tak, jak na wykresie 2:

Wykres 2

Możemy na nim zaobserwować, że temperatura na górnej półce momentami przekracza nasze założone 8°C, a na dolnej spada poniżej założonych 2°C. W każdym cyklu (trwającym ok. półtorej godziny) jest to okres co najmniej kilkunastu minut, kiedy temperatura w jednym z punktów wykracza poza założony zakres. A zgodnie z prawem Murphy’ego właśnie wtedy Groźna Pani Z Termometrem dokona owego dyskwalifikującego pomiaru.
Co zatem należy uczynić? Jak walczyć z tymi żywiołami?
Po pierwsze, należy zdiagnozować pacjenta. Bo być może nasza nowa chłodziarka ma lepszej klasy lub lepiej wyregulowany fabrycznie termostat o większej precyzji i mniejszej bezwładności (histerezie) i spotka nas miła niespodzianka, taka jak na wykresie 3:

Wykres 3

Możemy na nim zaobserwować przebiegi temperatury, których amplituda nie przekracza półtora stopnia Celsjusza. Widać zatem, że jest możliwe takie wyregulowanie termostatu, aby zminimalizować wspomniany efekt bezwładności. Oczywiście nie dokonamy tego za pomocą zewnętrznego pokrętła dostępnego dla użytkownika, taką regulację może przeprowadzić serwis. Żeby jednak wiedzieć, czy i jakiej regulacji mamy od niego wymagać, niezbędna jest wiedza o rzeczywistych warunkach termicznych panujących w komorze chłodziarki, a takiej wiedzy nie wydobędziemy od naszego sprężynowego wskaźnika, którego bezwładność powoduje iż nie nadąża on za zmianami termicznymi w komorze i w zasadzie wskazuje on średnią temperaturę z dość swobodnym przybliżeniem. Konieczny jest do tego minimum kilkugodzinny monitoring (obejmujący kilka cykli pracy agregatu) w co najmniej trzech punktach przestrzeni komory za pomocą precyzyjnych przyrządów z funkcją rejestracji wyników w pamięci. Firma LAB-EL przeprowadza takie pomiary w ramach posiadanej akredytacji Polskiego Centrum Akredytacji nr AP067, obejmującej m.in. wzorcowanie komór klimatycznych i termostatycznych u Klienta. Od października br. na Świadectwach Wzorcowania, oprócz suchych wyników, umieszczany jest również wykres przebiegu temperatury w poszczególnych punktach chłodziarki, na podstawie którego można w łatwy sposób ocenić, czy i jaka regulacja jest potrzebna. Może też się zdarzyć, że przemyślana konstrukcja komory chłodziarki a zwłaszcza jej powoduje, że mimo braku wymuszonego obiegu powietrza, gradient temperatury - mimo dużej amplitudy - jest bardzo mały, tak jak na wykresie 4:

Wykres 4

Wynika z niego, że zmiany temperatury zachodzą równocześnie i w niemal tym samym zakresie na wszystkich półkach chłodziarki, co umożliwia regulację nawet tym niezbyt precyzyjnym pokrętłem dostępnym dla użytkownika, bez konieczności korzystania z usług serwisu. Po prostu przesuwamy sobie ów przebieg w górę lub dół i nie przejmujemy się stosunkowo dużą amplitudą – w każdym punkcie komory temperatura mieści się w założonym zakresie.
Po wtóre, należy mieć na względzie iż takie wyniki pomiarów dotyczą temperatury powietrza krążącego mniej lub bardziej leniwie w komorze chłodziarki. Nie oznacza to wcale, że taką temperaturę w danej chwili posiadają również przechowywane w chłodziarce farmaceutyki. Nikt nie trzyma przecież tabletek luzem na półce czy syropu w otwartej kuwecie. Opakowanie lekarstw stanowi element stabilizujący temperaturę preparatu, osłabiając wpływ zmian temperatury otaczającego go powietrza na zawartość. Na przykładzie wykresu 1 można, z duża dozą prawdopodobieństwa stwierdzić, że w czasie kiedy temperatura powietrza w komorze w szczycie okresu przekracza 8°C, temperatura farmaceutyku w fabrycznym opakowaniu nie zdąży się podnieść do tego poziomu. W zasadzie monitoring temperatury, prowadzony na bieżąco przez użytkownika, powinien być przeprowadzany za pomocą sondy temperaturowej, zanurzonej w kolbie wypełnionej wodą destylowaną. Wówczas wskazania takiego termometru byłyby bardziej zbliżone do warunków, na jakich przebywa zawartość fiolek i buteleczek. Firma LAB-EL posiada w swojej ofercie sondy temperaturowe niewrażliwe na długotrwałe przebywanie w wodzie.
Po trzecie – przekroczenie założonego zakresu na jednej z półek, nawet permanentne, nie dyskwalifikuje w całości naszej chłodziarki. Spójrzmy na wykres 5:

Wykres 5

Wynika z niego, że regulacja pokrętłem termostatu niewiele pomoże – podwyższenie temperatury spowoduje, że z kolei farmaceutyki z górnej półki znajdą się w temperaturze powyżej dopuszczalnego zakresu. Czy oznacza to, że w takiej chłodziarce nie można trzymać specyfików, dla których warunki przechowywania określono na 2 - 8°C i nasza nowa, piękna chłodziarka nadaje się tylko do trzymania kefiru na drugie śniadanie? Wcale nie, wszak temperatura od środkowej półki wzwyż mieści się w założonym zakresie, możemy zatem wyłączyć z eksploatacji dolną część chłodziarki a lekarstwa trzymać na środkowej półce i powyżej. Rozwiązanie to ma jednak swoje wady: po pierwsze - tracimy część „powierzchni magazynowej”, po wtóre – chłodziarka, w komorze której występują temperatury ujemne wymaga okresowego rozmrażania. Nowoczesne chłodziarki przeprowadzają taką operację automagicznie, bez ingerencji użytkownika, który często nawet o tym nie wie. Taką sytuację możemy zaobserwować na wykresie 6:

Wykres 6

Dlatego lepszym rozwiązaniem byłoby ustawienie termostatu tak, aby temperatura w komorze podniosła się średnio o 5 stopni. Wówczas na półkach dolnej i środkowej można by było przechowywać lekarstwa w temperaturze 2 - 8°C, natomiast górną część można przeznaczyć dla specyfików, dla których temperatura przechowywania wynosi 5 - 15°C. 
Jednak aby w ten sposób gospodarować przestrzenią chłodziarki, musimy dysponować odpowiednią wiedzą. A tę wiedzę daje nam w pierwszym rzędzie przeprowadzone wzorcowanie w minimum 3 punktach przestrzeni komory chłodziarki. Laboratorium LAB-EL zaleca wzorcowanie co najmniej w 5. punktach przestrzeni, tak aby można precyzyjnie wyznaczyć zakres tzw. „przestrzeni roboczej” komory, w której temperatura zawiera się w dopuszczalnych granicach. Dalszym źródłem owej wiedzy jest prowadzony systematyczny monitoring za pomocą wzorowanych przyrządów pomiarowych. Nikt bowiem nie jest w stanie dać gwarancji, że pokrętło termostatu ustawione w pozycji „6” po kilku latach nadal będzie zapewniać średnią temperaturę w centralnej części komory o wartości 5,4°C, tak jak wyliczone zostało to w trakcie wzorcowania. Firma LAB-EL oferuje zarówno usługi w zakresie akredytowanego wzorcowania komór klimatycznych i termostatycznych (a więc i chłodziarek), jak i cała gamę przyrządów posiadających Świadectwo Wzorcowania, mogących służyć do wiarygodnego monitorowania temperatury.