Die Messung der Oberflächentemperatur in Laboratorien ist nicht so einfach, wie es klingt. Beheizte Oberflächen werden häufig zum Erwärmen von Proben (sogar von Embryonen) verwendet, aber kann man der angezeigten Temperatur einer beheizten Oberfläche wirklich vertrauen? Wenn Proben auf falsch eingestellten Oberflächen platziert werden, kann dies sehr nachteilige Auswirkungen auf die Proben haben und sogar die Lebensfähigkeit von Embryonen durch extreme Temperaturen schädigen.
1. Kalibrierung der Temperaturanzeige
Der häufigste Fehler bei der Messung der Oberflächentemperatur in einer Laborumgebung ist die Kalibrierung der Kombination aus Temperaturregler und Sensor. Man verlässt sich oft darauf, dass eine digitale Anzeige die richtige Temperatur anzeigt, auch wenn es dafür keinen Grund gibt. Ohne eine ordnungsgemäße Kalibrierung ist die digitale Anzeige einfach nicht vertrauenswürdig und kann sogar irreführend sein.
Stellen Sie sicher, dass Sie die Regler-Anzeige-Kombination regelmäßig (meist jährlich) kalibrieren. Wenn Sie keinen geeigneten rückführbaren Sensor als Standard haben, beauftragen Sie ein Kalibrierungsunternehmen mit dieser Aufgabe. Die Gewissheit, dass etwas tatsächlich korrekt ist, verbessert die Arbeitsqualität und die Genauigkeit der Versuchsergebnisse.
2. Genauigkeit des PID-Reglers
Ein weniger bekanntes Problem ist die Einstellung des PID-Reglers. Die Genauigkeit eines Sensors ist nicht der einzige wichtige Faktor für eine präzise Oberflächentemperatur; der regulierende PID-Regler ist ebenso wichtig. Der PID-Regler übernimmt die Messwerte des Sensors und berechnet, wie viel Wärme und wie lange diese zugeführt werden muss, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Bei einer zu nachgiebigen Einstellung erreicht die beheizte Oberfläche niemals die gewünschte Temperatur. Bei einer zu aggressiven Einstellung wird das System niemals stabil und wird kontinuierlich unter- und überschwingen.
Zunächst ist zu beachten, dass es keine „universelle Einstellung“ gibt, die für jedes Gerät korrekt ist. Wenn es nur so einfach wäre. Die Einstellung des PID-Reglers hängt von Sensor, Heizelement, Platzierung und Umgebungsbedingungen ab. Zweitens kann es bei starken Schwankungen der Umgebungsbedingungen eine ziemliche Herausforderung sein, die richtige Einstellung zu finden, die mit allen Bedingungen zurechtkommt.
3. Art des Kalibrierungstemperatursensors
Wenn Anwender einen Temperatursensor selbst kalibrieren, ist es wichtig, die Eigenschaften eines Sensortyps zu kennen. Die Verwendung einer winzigen NTC-Sonde kann vorteilhaft sein, um in einem kleinen Tropfen zu messen, aber der Sensor ist sehr anfällig für jede Veränderung. Eine Bewegung um wenige Millimeter oder allein das Atmen in seine Richtung verändert sofort den Messwert. Das macht ihn nicht zu einem schlechten Sensor; er ist nur nicht für den Zweck geeignet („fit for purpose“).
Abbildung 2: Beispiel für einen sehr kleinen NTC-Sensor zur Temperaturmessung in Tröpfchen.
Wenn man kalibrieren möchte, ist Stabilität sehr wichtig. Ist keine Stabilität vorhanden, muss sie entweder durch die Verwendung eines Sensors mit größerer thermischer Masse erreicht werden, oder die Stabilität muss durch eine Umgebung mit größerer thermischer Masse und thermischer Stabilität hinzugefügt werden. Die Verwendung von Aluminium-Pufferblöcken kann ein hilfreiches Werkzeug sein, um die Stabilität in einem Kalibrierungsprozess zu erhöhen.
4. Position des Sensors
Wenn die Temperatur einer beheizten Oberfläche verwendet wird, um lebende Zellen (wie zum Beispiel Embryonen) warm zu halten, liegt der gewünschte Temperaturbereich normalerweise zwischen 35,5 und 38 °C. Höhere oder niedrigere Temperaturen verursachen Schäden an der Lebensfähigkeit und müssen vermieden werden. Die Kalibrierung dieser beheizten Oberflächen erfolgt manchmal durch Messung in einer Schale mit einem winzigen NTC-Handmessfühler, was zu Messfehlern führen kann. Außerdem ist die Messung nur eine punktuelle Überprüfung und sagt nichts über die Bedingungen über einen längeren Zeitraum aus.
Abbildung 3: Beheizte Oberfläche in einer Laminar-Flow-Werkbank.
Fragen Sie sich zunächst, wo Sie den gewünschten Temperaturwert benötigen. Wenn dies in einer Kunststoffschale ist, die auf einer beheizten Oberfläche steht, macht es keinen Sinn, direkt auf der beheizten Oberfläche zu kalibrieren, ohne das Kunststoffmaterial und den Luftspalt zwischen der beheizten Oberfläche und der Schale zu kompensieren. Außerdem ist es wichtig, über einen längeren Zeitraum zu messen, um Fehler durch punktuelle Messungen oder PID-Regelung zu vermeiden.
Ein Beispiel für eine vertrauenswürdigere Messlösung ist das Einbringen eines Pt100-Sensors in eine Kunststoffschale. Der Pt100-Sensor hat eine relativ große Oberfläche, die sowohl als größere thermische Masse als auch als Material zur Befestigung des Sensors an der Kunststoffoberfläche genutzt werden kann. Diese Befestigung macht Flüssigkeit in der Schale überflüssig und schafft eine Umgebung, die über einen längeren Zeitraum genutzt werden kann. Messungen, die mit diesem Messaufbau gewonnen werden, liefern ein besser lesbares Diagramm mit Trendwerten.
5. Auswirkungen der Umgebungsbedingungen auf die Messungen
Das Schwierigste bei der Erzeugung und Messung korrekter Oberflächentemperaturen ist der Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die beheizte Oberfläche und die erzeugte Temperatur. Man könnte meinen, dass ein klimatisierter Laborbereich alle Probleme löst, aber nichts ist weiter von der Wahrheit entfernt. Die Bedingungen Ihrer Laborumgebungen nicht zu kennen, ist ein nicht gemindertes Risiko.
Die Temperaturen in einem Labor können sich im Laufe des Jahres und sogar im Laufe des Tages unterscheiden. Der Wechsel von einem beheizten Bereich (leichter zu kontrollieren) zu einem gekühlten Bereich (mit Hilfe einer Klimaanlage) kann große Auswirkungen auf die Temperaturstabilität einer beheizten Oberfläche haben. Wenn die beheizte Oberfläche in einer Laminar-Flow-Werkbank platziert wird, hat der Luftstrom eine kühlende Wirkung auf die beheizte Oberfläche, die kompensiert werden muss. Dies gilt auch für die Lüftungsschlitze, die Luft in den Raum blasen. Wenn ein solcher Lüftungsschlitz direkt auf eine beheizte Oberfläche gerichtet ist, kann dies die Stabilität des gesamten Systems erheblich beeinträchtigen.
Abbildung 4: Beispiel einer instabilen beheizten Oberfläche, gemessen und visualisiert mit einem XiltriX Pt100-Temperatursensor.
Schließlich kann Wärmestrahlung, zum Beispiel von der Sonne, bestimmte Bereiche periodisch erheblich aufheizen und das Verhalten einer Klimaanlage verändern. Wenn Kalibrierungen (Stichproben) morgens durchgeführt werden, kann dieser Effekt dem Anwender völlig unbekannt sein, einfach weil es keine nachvollziehbare Aufzeichnung des Verhaltens der beheizten Oberfläche gibt.
Die Behebung dieser Fehler ist nicht einfach und erfordert die Zusammenarbeit mehrerer Parteien. Zunächst muss der Anwender das eigentliche Problem aufzeigen und mit der Abteilung für Gebäudetechnik zusammenarbeiten, um es zu beheben. Ohne eine vertrauenswürdige Messung über einen längeren Zeitraum wird dies sehr schwer zu erreichen sein. Die Verwendung einer Überwachungslösung, die sowohl genau, schnell als auch über einen längeren Zeitraum überwachen kann, ist ein nützliches Werkzeug, um eine größere Genauigkeit bei Oberflächentemperaturmessungen zu erzielen.
Ein solches System ist das XiltriX Echtzeit-Überwachungssystem. Diese Lösung ermöglicht die Überwachung einer Vielzahl von Parametern über ein drahtloses, ein Netzwerk- und ein festverdrahtetes System und sorgt rund um die Uhr für Sicherheit in Laboratorien. Neben der Überwachung der Temperatur und der Möglichkeit, über einen sehr langen Zeitraum Grafiken und Berichte zu erstellen, bietet das System auch Echtzeit-Alarme per SMS, E-Mail, Sprachanruf und lokale Alarme wie Blitzlichter und Signalleuchten.
Abbildung 5: Beispiel einer drahtlosen Überwachungsstation für Oberflächentemperatursensoren.
Wenn Sie Hilfe bei der Verbesserung der Stabilität Ihrer Oberflächentemperatur benötigen, kontaktieren Sie XiltriX bitte über unsere Website oder über sales@xiltrix.com. Dort finden Sie viele Beispiele von Fallstudien, die sehr praktische Lösungen für Probleme aufzeigen, die heute in Laboratorien auftreten.
