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温度验证技术参考资料

保证温度验证过程中的测量完整性

来源:未知 | 作者:admin | 发表于:2015-12-09

温度测量的完整性是热消毒过程验证中非常关键的部分。验证标准操作规程(SOP)反映了如何获得和维持温度验证的高精度温度测量的理论和实践方面的情况,这是很重要的。

通过进行热穿透研究,可以计算出负载中的累计杀死率F0。累计杀死率F0是杀死率函数的时间积分:      

             

当基础温度Tb121OCz值为10OC时,121OC测量温度的1OC误差,其影响会导致大约25%的杀死率计算误差。1

 

生产过程验证的FDA定义

生产过程验证是建立客观公正的证据,证实这一生产工序可以始终如一的生产出符合预定质量要求的产品或者结果。

 

根据规范和工业标准,腔室中所要求的温度一致性应当根据用途优于或者等于1OC0.5OC。对于用于温度验证的仪表包括温度传感器,其精度应当三倍于所测量的过程验证的变量。这意味着整个系统精度应当相应的优于或者等于±0.33OC或±0.17OC

 

规范要求

FDAGMP

根据推荐的cGMP1976),整个系统的精度应当优于±0.5OC。整个系统精度包括记录仪、传感器和校正参考和标准。

 

HTM 2010

检测设备的可重复性应当是±0.25OC或者更好,并且整个测量系统(包括传感器)的误差极限应当低于±0.5OC

 

EN 28526.4.5

0OC和150OC之间的故障极限(不包括温度传感器)应当不超过±0.25%(整个测量范围的±0.375OC)。

 

EN 5544.6.2

检测设备的精度应当不低于灭菌装置配备的仪表精度,并且应当超过用于判断灭菌装置性能所需要的测量精度的至少三倍。

 

EN 554 Annex Ainformative)-A.2.6

选择三倍的原因是它可以提供大约110的保证,即保证检测设备的不精确不会导致读数的记录误差。

误差源

几个易变的误差源会影响验证的温度测量精度。控制和管理这些误差源应当是负责执行验证的人员的责任。负责验证的人员应当有能力令人满意的执行验证工作。

首先,区分系统误差和偶然误差是很重要的。系统误差可以通过校正来消除,这在以后进行探讨。偶然误差则不能通过校正来消除,只能通过采用专业知识和合适的方法使其最小化。操作人员必须熟悉如何使温度测量的偶然误差的影响达到最小,以便可以始终如一的获得蒸汽消毒过程的温度验证所需的精度。收录在验证SOP中的这些方法以及对验证人员的单独培训对于保持验证团队的资格是非常必须的。

通过使用连接至电子记录仪的温度传感器可以获得用于验证的电子温度测量。

 

1  热电偶测量回路

注:上图中Overall System Accuracy-整个系统精度,AUTOCLAVE-高压灭菌装置,Feedthrough-进料,Process measurement-过程测量,Cold Junction-冷接点,Scanner-调节器,A/D conv.-模拟/数字转换器,CPU-中央处理器

 

对于涉及温度测量的所有部件(从每个传感器的端头,经过连接线、冷接点基准、信号接口、模拟/数字转换、电压信号/温度信号转换到测量数据的显示和打印),请参阅测量回路。图1显示了使用热电偶的测量回路。

测量回路中的各个部件可能会产生影响整个系统精度的系统误差或者偶然误差。图2显示了测量回路中最严重的偶然误差源。

l        传感器和电路

传感器的结构和位置

不均匀性

l        测量系统

在冷接点基准处的热量扩散

 

测量回路中的偶然误差和系统误差源

注:上图中AUTOCLAVE-高压灭菌装置,Cold Junction-冷接点,Scanner-调节器,A/D conv.-模拟/数字转换器,CPU-中央处理器,Thermal scatter at cold junction reference-冷接点基准处的热量扩散,Non homogeneity-非均匀性,Sensor design-传感器结构,Position-位置,Sensitivity-灵敏度,Long term drift-长期漂移,Temperature coefficient-温度系数,A/D conversion error-模拟/数字转换误差,Linearization-线性化

温度传感器

用于控制和监控的温度传感器是:

l       热电偶

l       电阻温度计(RTDs

直接和间接液体膨胀温度计一般存在于老式的灭菌装置中,但是在新型的灭菌装置中已经采用了电子温度传感器。

通过采用先进的技术,热电偶和RTDs均可以提供同样精度的信号。然而,验证系统是便携式应用系统,其中的传感器会被恶劣的使用-垂落、缠绕、打结、踩踏和翻滚。由于RTDs对于机械冲击非常敏感,因此若在验证时使用这种传感器会很难维持精确的和可重复的输出结果。另外,RTDs通常采用四线式结构,其中两根导线用于传感器激励,两根导线用于测量电阻间的电压差以消除导线中的电阻变化。而热电偶除加工硬化之外是很坚固的,并且只需两根线而无需外部的激励。因此,热电偶是验证的理想传感器。RTDs则一般用作过程控制中的内置传感器。

 

精确的热电偶温度测量要求其具有合适的热电偶电路结构和配置。如果可能,应当在测量接合点和测量系统的端子之间使用连续长度的多芯同质电缆。当由于操作原因需要两段或者多段电缆时,各段间的接头必须位于电路中的温度不会随电缆长度显著变化的地方。理想的情况是所有的电缆段来自于同一生产批次。如果这是不实际的,则应当尽可能选择具有最优互换性的电缆。热电偶测量的精确度主要取决于如何较好的进行冷接点补偿。当标准的过程控制器缺乏验证所需的冷接点补偿精度时,验证系统可以提供高精度冷接点补偿。

T型热电偶(铜/康铜)因其高精度和低成本的特点而成为验证系统中用于温度测量的最常用的热电偶。

简化的热电原理

热电偶可以直接产生一个电压信号,用于测量温度。温度测量所使用的这个端子电压是由热电效应产生的。

热电动势(emf)是内部的电位差或者电动势,它从外部看来是热电偶端子间的电压。这个热电源emf实际上可以产生于任何不存在均一温度的导电材料中,即使该材料没有连接在一个电路中。热电源emf存在于热电偶的电极中。它不存在于热电偶的接合点处,这如同经常提到的观点那样,即由于接近了不同的材料,热电源emf不会产生(源自ASTM手册系列:MNL121993;温度测量中的热电偶使用手册)。

 

 

 

 

注:上图中,copper-铜,constantan-康铜,Seebeck coefficient-热电系数

 

单一材料的热电系数通常是与某些基准材料相对应的,标准的基准材料是铂-67。任一对导体的热电系数等同于每一导体相对于标准基准材料的热电系数的差值。

T型热电偶是由铜和康铜制成的。在0OC时,铜相对于铂-67的热电系数为+5.9uV/OC,康铜相对于铂-67的热电系数为-32.9uV/OC。因此,在0OC时,热电偶的T型热电系数为38.8uV/OC,见图3a

所有热电偶的emf与温度相关的对照表均是基于冷接点为0OC。见图3b

如果冷接点温度Tcj不是0OC而是其他温度值,那么热电偶电极中所产生的emf是由温度差所导致的。因此,显示仪表将显示错误的温度值,见图3c

为了得到冷接点在环境温度下的精确的温度测量,需要配备一个与实际温度Tcj成比例的冷接点补偿电压。现代测量仪表在端子上使用一个RTD来监控Tcj值。仪表计算出端子上的实际温度与0OC的差值然后将其与来自热电偶的电压值相加,这样便可以显示正确的温度值,见下图-图4

 

 

4

传感器结构

温度传感器应当按照其用途进行结构设计。用于在LVP包中测量温度的传感器不能用于测量一个1ml安瓶中的温度。在确定一个特殊用途的温度传感器的结构时,必须考虑多种因素。

 

不管在此呈现多少事实,也不管保留多少,所有的将是没有价值的,除非一个简单而重要的事实被牢记在心。即热电偶只记录它“感觉”到的情况。这可能是或者可能不是所感兴趣的温度值。它的整个环境都会影响热电偶并且它将趋向于与这个环境达到热平衡,而不仅仅是这个环境的一部分。那么,应当单独考虑各个热电偶装置的环境。如果不进行这种工作,设计人员很可能会忽略某些特殊的、意想不到的影响因素。

(摘自ASTM手册系列:MNL121993;温度测量中的热电偶使用手册)。

例如:

尺寸- 一个长的或者大的灵敏部件将记录沿着整个部件长度的平均温度。在热穿透研究过程中,小型传感器将可以提供一个更真实的冷端读数

形状- 用于测量表面温度的传感器应当是扁平的并且可以依附在表面上。

响应时间- 温度传感器的尺寸应当小于被测物体,以便使物体的热力学性质的影响达到最小。传感器的响应时间根据其尺寸和体积来确定。响应时间应当低于生产过程中最快变化速度的五分之一,以便提供生产过程动态情况的真实反映4。这在BIER容器中使用安瓶以确定D值和z值时是非常重要的。

热传导- T型热电偶中的铜线可以根据其横截面积和端头与环境之间的温度差,将热量传入或者传出温度传感器5

传感器位置- 温度传感器记录它所“感觉”到的温度。因此传感器必须就位于一个明确的温度环境内。

l        用于测量灭菌装置中的热分布的传感器必须自由悬挂在腔室中。如果传感器接触到了腔室壁,它将记录实际腔室温度与室壁温度之间的每个温度。

l        用于测量热穿透的传感器必须固定在相对于室壁的位置上和容器中的物料中。

热电偶特性

螺旋拧在一起的裸露电极可以增强导体之间的接触。仪表测量首个接触点的温度即离端头最远的点-如图5所示。
螺旋状热电耦

 

注:上图中,Instrument measures temperature here-仪表在此点测量温度

 

使用螺旋状热电偶测量蒸汽灭菌装置中的气体温度可能不会显著的影响测量精度,因为气体温度在端头和最近的接触点之间的差别可以忽略不记-如图6所示。

 

 

带有较大空间的腔室

注:上图中,In a chamber with relatively large volume, a twisted thermocouple

should not affect the result-在一个带有较大空间的腔室中,螺旋状热电耦可

能不会影响测量结果,Relatively short distance-相对短的距离

 

然而,当热电偶用于测量小瓶中的液体温度时,螺旋状导体可能会产生错误的数据。如果是如图7所示将热电偶插入小瓶中,可能会使仪表显示空气和液体温度之间的某个温度值。

 

 

当在一个小瓶中进行热穿透研究时,螺旋状热电耦可能会产生显著的误差,显示两个区域之间的每个温度值。

注:上图中,In small vial penetration studies a twisted T/C could generate significant error-在小瓶的热穿透研究中,一个螺旋状T/C热电耦可能会产生显著的误差,Actual measured region-实际的测量区,Desired measured region-希望的测量区

 

为了避免出现这种问题,可以将接点尽可能的减少至最小。使用一个氩弧焊机来生成一个热电偶接点,通过一个小焊珠将电极在端头处结合在一起-如图8所示。每个电极上的绝缘材料将未焊接的裸露电极部分隔离开。

 

 

一个带有焊接端头的热电耦可以妥善地在一个点上进行接触,这适用于许多不同的用途中。

注:上图中,Wire insulation-电极绝缘材料,Space between metal-金属导体之间的隔离材料,Welded tip-焊接端头

非均匀区

导体中的热电动力是材料中成分和结构作用的结果。接头、补偿导线和反复弯曲(加工硬化)将导致热电偶电路中出现非均匀区。如果非均匀区位于具有较大温度变化的区域如灭菌装置的壁,那么将会产生一个无法通过校正来消除的误差。由非均匀区所导致的偶然误差将会超过4OC。如果可能,应当在测量接合点和测量系统的端子之间使用连续长度的标准均质导线。当由于操作原因需要两段或者多段导线时,各段导线间的接头必须位于电路中的温度不会随电缆长度显著变化的地方。理想的情况是所有的导线段来自于同一生产批次的产品。另外不应当使用热电偶补偿导线。

在温度变化区域中由非均匀区产生的误差的原理如图9和图10所示。在校正过程中如T1T2非均匀区不会产生误差。(图9

 

 

校正过程的非均匀区

注:上图中,Autoclave wall-高压灭菌装置的室壁,Error calculation-误差计算

 

在验证过程中(图10),则在灭菌装置的室壁之间存在温度变化区域。由于热电偶电极和接头之间的热电系数不同,将会产生一个误差。不能通过校正来消除该误差。例如温度变化T2T175 OC,将会在验证过程中产生一个3.8 OC的误差。

 

绝缘

带有合适的密封端头的聚四氟乙烯绝缘温度传感器适用于测量蒸汽灭菌装置中的温度。聚四氟乙烯不会在灭菌装置中遗留下颗粒。聚四氟乙烯导线在连续使用的条件下其额定值可升至200 OC,其峰值为260 OC。在高温下使用它会融化绝缘材料并且产生有毒气体。

 

 

10 验证过程的非均匀区

注:上图中,Autoclave wall-高压灭菌装置的室壁,Error calculation-误差计算

 

聚酰亚胺绝缘温度传感器适用于范围从150375 OC的干热用途。聚酰亚胺绝缘材料缠绕在热电偶电极周围然后粘贴就位。温度越高,粘贴剂退化的越快,因此聚酰亚胺绝缘材料将会散开。例如将聚酰亚胺绝缘温度传感器在300OC时的寿命与在375OC时的寿命进行比较,其在300OC时为几个月,而在375OC时为6天。聚酰亚胺不会在灭菌装置中遗留颗粒,这就像玻璃纤维和陶瓷绝缘材料一样。

 

 

11

注:上图中,AUTOCLAVE-高压灭菌装置,Cold Junction-冷接点,Scanner-调节器,A/D conv.-模拟/数字转换器,CPU-中央处理器,Thermal scatter at cold junction reference-冷接点基准处的热量扩散,Non homogeneity-非均匀性,Sensor design-传感器结构,Position-位置,Linearization-线性化

环境温度的变化是热电偶测量系统中最显著的误差源,尤其对于带内部冷节点基准的多通道系统。所有热电偶温度测量的现代仪表均具有一个电子电路,用来确定热电偶所连接的端子处温度和冷接点基准温度(见图12)。冷接点基准温度只有在所有热电偶处在稳定状态环境下和一个被完全加热的系统中才是正确的。环境温度的突然变化例如出现气流将导致冷接点端子处的热量扩散。这种热量扩散将产生一个误差,该误差等于基准点与每个热电偶端子之间的相应温度变化值。在验证过程中,使冷接点端子保持覆盖并且维持环境温度状态。

 

 

12 冷接点处的热扩散。在一个多点热电偶系统中,基准温度是基于一个单一

测量值。

注:In multi-channel systems the reference temperature is based on a single reference measurement-在一个多点热电偶系统中,基准温度是基于一个单一测量值,A good reference has an error < 0.1OC under stable ambient conditions-一个好的基准应当在稳定环境条件下具有小于0.1OC的误差,Changes in ambient are not compensated by calibration-环境的变化不能通过校正来补偿

 

精度

区分出相对精度和绝对精度的不同是很重要的。在某些生产过程中相对精度是足够的,而在热消毒过程中绝对精度却是必不可少的。

相对精度

相对精度是指整个系统所具有的重现一个测量结果或者对比几个测量结果的能力。相对精度主要取决于所使用的传感器和测量系统的质量和系统的安装方法。

绝对精度

绝对精度是指确定一个与标准的公认的数值相对应的参数数值的能力。绝对精度只有通过对应公认的和可接受的标准进行系统校正才可以获得。绝对精度不仅取决于传感器和安装方法,还取决于校正标准和校正技术。

 

校正

用于在验证过程中测量温度的热电偶系统应当在此之前进行校正,然后在每次使用完之后进行检验证实。一般来说,测量系统和热电偶都不会在校正之间改变它们的特性,但是校正步骤会保证整个系统的正确运行。由于应用在每个热电偶上的调整也包括测量系统的误差,因此每个热电偶必须连接至校正系统中的同一通道上如验证过程一样。在可能的条件下,整个系统应当在与其运行过程所处环境温度和状况相同的条件下进行校正。理想的情况是,如果验证系统的结构可行,校正应当与被验证灭菌装置相邻的温度基准一起来进行。

当靠近灭菌装置进行校正时,可以使用两个用于校正的移动式传导标准装置。这可以降低风险。使用两个用于校正的传导标准装置是一种保障措施,如果仪表超出了容许极限则拒绝整个研究过程。两个标准装置不太可能同时以同一方式被损坏。如果一个移动传导标准装置停止了校正,它将不会与另一个标准装置相一致并且警告操作人员校正故障。移动传导标准装置必须按照固定的传导标准和校正SOP中所规定的时间周期内进行鉴定。度量学上的常规是有两个固定的传导标准,每个移动传导标准装置必须按照这两个标准进行鉴定。

 

校正基本原则

在任何校正过程中,操作人员应当遵守以下几个基本原则。

怀疑所有的结果。没有单一的测量结果可以作为正确结果被接受,除非它已经被其他结果所验证。

耐心。校正仪表中的一个频繁错误应当在状态稳定之前进行测量并且进行调整。使系统完全稳定下来将花费超出预想的时间,因为热平衡是以指数化来出现的并且输出值好像稳定下来其实它可能仍然在缓慢的变化。

传导标准装置的精度必须好于被校正仪表的精度。这应当是显而易见的,但是却可以经常看到使用一个误差大于被校正系统的电压校正装置来进行校正。另外还应当认识到,校正的精度不应当好于所使用的标准并且如果测量系统已经比标准更精确就不应该改变测量系统的调整,这是很重要的。

温度传导标准的特性必须通过一个程序来确定,该程序可以追溯至被认可的原始标准。在美国,国家标准和技术研究院(NIST)是原始标准的认可源泉。传导标准可以由NIST按照他们的原始标准进行校正或者由合格的标准实验室按照由NIST校正过的标准进行校正。在任何一种情况下,都应当知道检测结果和检测编号,那么校正程序便可以追溯至原始标准。

传导标准必须独立于测量系统。因为热电偶的输出取决于整个电路,它因此不是一个理想的传导标准。电阻温度计(RTD)是一种通过电阻变化来指示温度的变化的装置。由于一个RTD的电阻只是它的温度的一个函数,并且电阻可以独立于被校正的系统来测量,因此RTD是理想的温度传导标准。

传导标准装置必须在运输过程中保持状态稳定并且应当能够允许进行其他搬运处理。如同它的名字所暗示的那样,传导标准的目的是从一个实验室向另一个实验室传送所测
量的特性。当从NIST接受到标准时,标准的特性必须在与按照NIST的标准对其进行校正时的特性一致。在运输过程中,玻璃温度计中的液体可能被损坏或者液体中出现小气孔,由此便不是可靠的温度传导标准。RTD是敏感装置,只有小心的进行搬运和运输才可以保持其特性。

 

ISO 1001211992测量设备的度量证实系统,第4.3节证实系统所述由校正所导致的误差应当尽可能的小。在测量的多数区域中,它不应当超过所使用设备的允许误差的三分之一或者最好是十分之一

 

温度基准

发生在干井式温度基准中的显著偶然校正误差有:

l        传导校正

l        杆传导

l        不稳定的热传导

l        浸入深度

l        没有使用井衬

l        稳定性

l        稳定所需的时间

使用热电偶时的基准误差

当通过一个RTD传导标准T2校正一个热电偶T1时,误差的主要组成部分是当将这些装置放入基准中时这些装置之间的温度差-所图13所示。这个温度差便称作传导校正误差并且它可能是干井式基准中的潜在最大校正误差。传导校正误差包含两部分:

l        杆传导误差,它使热电偶端头温度下降-如图14所示。

l        基准井相对于标准井的一致性。

 

 

13 传导校正误差是热电偶端头(T1)与测量标准(T2)的温度差

注:上图中,Temperature Measurement Standard-温度测量标准,Thermocouple-热电偶,Temperature Reference-温度基准

 

杆传导误差受下列参数的影响。某些参数是基准结构中所固有的,而其他参数可以被用户减少。

l        井中的传感器深度

l        介质和传感器导线之间的侧面热传导

l        导线线规和热电偶电极的材料

l        介质和环境之间的温度差

 

 

 14 杆传导将导致热量损失并且产生校正误差

注:上图中,Heat loss through copper wire-贯穿铜导线的热量损失,Sensor under calibration-校正下的传感器,Transfer standard-传导标准,Air gap between sensor and well-传感器和井之间的空气间隙

减少杆传导误差

为了最小化干井式温度基准中的杆传导误差:

l        使用细的热电偶电极(27线规或者更少),这是因为它具有较小的吸引端头热量的热截面积。

l        具有足够长的井深度,使传感器端头远离周围环境。杆传导误差可以以指数级减少。传感器端头应当处于井的底部。

l        使用井衬,使传感器导线靠近干井以获得较好的侧面热传导。通过减少传感器导线周围的空气间隙可以改善井壁的热传导性-如图1516所示。

 

 

15 带有一个井、无井衬的干井图

注:上图中,Top View-顶视图,Side View-侧视图

干井的结构可以显著的影响传导校正误差。带有大直径井的干井不会均匀的将热量传递至每个传感器上。捆扎的热电偶会相互屏蔽热量,这样将增加杆传导误差的影响-如图15所示。

带有小直径井和井衬的干井可以在井壁与传感器之间提供紧密的热量结合-最小化杆传导误差和传导校正误差的影响-如图16所示。

 

 

16 带有用于最小化传感器周围空隙的井衬的干井视图

注:上图中,Top View-顶视图,Side View-侧视图,Transfer standard-传导标准,Well with insert for three T/Cs-带有井衬的井,有3T/CWell with insert for three thermocouple-带有井衬的井,有3个热电偶,Well with no insert and one T/Cs-无井衬的井,有1T/C

 

校正程序

通过在灭菌装置进料和出料处使用连接至数据记录仪和安装在灭菌装置中的传感器来进行测量回路(见图1)的校正。传感器应当插入灭菌装置外面的温度基准通道中或者干井中。校正应当在验证之前进行,并且在验证结束之后进行校正检查。

 

验证之前的校正

在被验证生产工艺的灭菌温度之间的校正点上使用两点校正,例如100OC130OC,那么应当在这两个校正点之间选择校正检查点如121OC来证实校正。

 

验证之后的证实

应当在温度标准和温度传感器之间进行两点对照以证实测量回路的校正是完整无缺的。

校正应当形成文件,以证明基准、传导标准和传感器的温度在确定校正修正数值之前是稳定的。校正文件应当包括校正前、后在温度标准和每个温度传感器之间的偏差数据。为了确保可追溯性,文件必须列出校正参数和含有序列号和上次校正日期的设备。

 

误差预算

不同的厂家以不同的方式来说明他们热电偶测量系统的精度。某些厂家提供了误差源的详细分类,某些厂家则只是简单的说明了在环境温度的有限范围内操作时的总误
差。无论如何,系统总误差必须包含测量回路中的所有误差的和。

 

 

如下是一个详细的误差预算的例子:

测量回路误差预算@121OC

验证记录仪

一致性误差             0.04OC

A/D转换误差           0.01OC

冷端基准总误差         0.10OC

验证记录仪总误差       0.15 OC

校正装置

可追溯温度标准误差     0.025OC

温度基准传导校正误差   0.10OC

校正装置总误差         0.125 OC

测量回路总误差             0.28 OC

(最严重误差的和)

RSS                        0.15OC

这种详细的误差预算规范对于确定用于验证热灭菌过程的测量系统是否合适是非常必须的。

 

结论

热灭菌过程的验证需要使用精确的温度测量系统以便提供准确的结果。为了保证测量的完整性,验证人员必须经过适当的培训并且必须具有可遵循的良好的详细操作步骤。

 


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