خطاهای اندازه‌گیری در ترموکوپل‌ها و روش‌های جبران آن

در سیستم‌های صنعتی، اندازه‌گیری دقیق دما یکی از عوامل کلیدی در کنترل کیفیت، ایمنی فرآیندها و بهینه‌سازی مصرف انرژی است. در میان تمام سنسورهای دما، ترموکوپل‌ها (Thermocouples) به دلیل طول عمر بالا، مقاومت در برابر حرارت زیاد، قیمت مناسب و واکنش سریع به تغییرات دما جایگاه ویژه‌ای دارند. با این حال، عملکرد این سنسور به‌شدت به نحوه‌ی نصب، جنس مواد، محیط کاری، طول کابل و نحوه‌ی کالیبراسیون وابسته است. کوچک‌ترین اشتباه در هر یک از این موارد می‌تواند منجر به بروز خطاهای اندازه‌گیری شود که در ظاهر ممکن است جزئی باشند، اما در عمل می‌توانند باعث خرابی تجهیزات، مصرف بی‌رویه انرژی، یا انحراف کنترل فرآیند شوند.

به‌طور مثال در کوره‌های صنعتی، اختلاف چند درجه‌ای ناشی از خطای ترموکوپل ممکن است باعث تغییر کیفیت ذوب فلز، آسیب به جداره نسوز یا کاهش راندمان احتراق شود. بنابراین شناخت منشأ خطاهای ترموکوپل و استفاده از روش‌های علمی برای جبران آن‌ها، برای هر مهندس و تکنسین ابزاردقیق ضروری است.

ما در این مقاله در رابطه با ترموکوپل چیست؟ و انواع ترموکوپل در ابزاردقیق صحبت کرده ایم.

انواع خطاهای اندازه‌گیری در ترموکوپل‌ها

ترموکوپل‌ها بر اساس پدیده سیبک (Seebeck Effect) کار می‌کنند؛ یعنی ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در اثر اختلاف دمای بین دو فلز ناهم‌جنس. از آنجا که این اختلاف پتانسیل در محدوده میلی‌ولت است، عوامل بسیار متنوعی می‌توانند باعث تغییر آن و ایجاد خطا در خروجی شوند. در ادامه، مهم‌ترین خطاهای اندازه‌گیری در ترموکوپل‌ها را با جزئیات بررسی می‌کنیم:

1. خطای اتصال سرد (Cold Junction Error)

هر ترموکوپل دارای دو نقطه‌ی کلیدی است:

• اتصال گرم (Hot Junction): نقطه‌ای که در معرض دمای مورد اندازه‌گیری قرار دارد.
• اتصال سرد (Cold Junction): نقطه‌ای که به مدار اندازه‌گیری یا ترانسمیتر متصل است.

در واقع ترموکوپل، اختلاف دمای بین این دو نقطه را اندازه‌گیری می‌کند نه دمای مطلق را. بنابراین اگر دمای اتصال سرد تغییر کند یا جبران نشود، خطای قابل‌توجهی در اندازه‌گیری ایجاد خواهد شد.

مثال کاربردی: فرض کنید ترموکوپل در دمای 600 درجه قرار دارد و اتصال سرد در دمای 40 درجه است. اگر دمای اتصال سرد به دلیل تغییر محیط یا تابش نور به 50 درجه برسد، قرائت خروجی تا چند درجه جابه‌جا خواهد شد.

راهکار فنی برای جبران:

• استفاده از مدارهای جبران اتصال سرد مانند آی‌سی‌های مخصوص (AD594، MAX6675 یا MAX31855).
• نصب سنسور دمای محیط (مانند RTD یا ترمیستور) در محل اتصال و انجام جبران نرم‌افزاری.
• حفظ دمای ثابت در محفظه اتصال سرد در تجهیزات دقیق آزمایشگاهی.

2. خطای ناشی از کابل جبران‌ساز یا سیم رابط

سیگنال تولیدی ترموکوپل معمولاً در حد چند میلی‌ولت است؛ بنابراین حتی تغییر کوچک در جنس یا طول سیم رابط می‌تواند ولتاژ خطا ایجاد کند. کابل‌هایی که از جنس مشابه آلیاژ ترموکوپل ساخته نشده‌اند یا در دمای بالا استفاده می‌شوند، ممکن است باعث اختلاف ولتاژ ناخواسته و خطای اندازه‌گیری دما شوند.

دلایل اصلی بروز خطا:

• استفاده از کابل‌های مسی معمولی به‌جای کابل جبران‌ساز استاندارد.
• طول زیاد مسیر سیگنال (بیش از 15 متر بدون ترانسمیتر).
• وجود اتصالات متعدد یا سوکت‌های غیراستاندارد در مسیر سیم‌کشی.

روش جبران:

• استفاده از کابل‌های جبران‌ساز مخصوص با کد رنگ استاندارد (مطابق IEC 584 یا ANSI).
• نصب ترانسمیتر در نزدیکی ترموکوپل برای تبدیل سیگنال میلی‌ولت به 4-20 میلی‌آمپر جهت جلوگیری از افت ولتاژ در مسیر طولانی.
• اجتناب از لحیم‌کاری سیم‌های رابط با فلزات ناهم‌جنس و استفاده از ترمینال‌های نیکل یا آلیاژ مشابه.

کلیک کنید: خرید سیم ترموکوپل اصل با بهترین قیمت بازار

3. خطای ناشی از نویز الکترومغناطیسی (EMI/RFI)

در صنایع، به‌ویژه در محیط‌هایی که موتورهای بزرگ، اینورترها، کنتاکتورها یا منابع تغذیه سوئیچینگ وجود دارند، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی قوی می‌توانند بر سیگنال ضعیف ترموکوپل اثر بگذارند. این تداخل‌ها به‌صورت نویز یا نوسان ناگهانی در قرائت دما ظاهر می‌شوند.

دلایل فنی:

• عبور کابل ترموکوپل در نزدیکی کابل‌های قدرت.
• استفاده از کابل بدون شیلد یا زمین‌نشدن صحیح آن.
• حلقه‌های زمین ناخواسته (Ground Loop) در سیستم اندازه‌گیری.

روش‌های کاهش نویز:

• استفاده از کابل‌های شیلددار با اتصال زمین فقط در یک طرف.
• عبور کابل‌های سیگنال از مسیرهای جدا از کابل‌های قدرت و فرمان.
• استفاده از فیلترهای EMI در ورودی سیستم اندازه‌گیری.
• در محیط‌های شدیداً نویزی، استفاده از ترانسمیتر ترموکوپل با خروجی ایزوله‌شده 4-20mA.

4. خطای ناشی از اکسید شدن یا تغییر ساختار المنت ترموکوپل

در محیط‌های با دمای بالا یا در تماس با گازهای خورنده (مانند اکسیدهای فلزی یا بخارات شیمیایی)، المنت ترموکوپل به‌تدریج دچار اکسیداسیون، خوردگی یا تغییر در ترکیب فلزی می‌شود. این پدیده باعث تغییر در ضریب سیبک (Seebeck Coefficient) شده و خروجی ترموکوپل از مقدار واقعی منحرف می‌شود.

اثرات خطا:

• کاهش حساسیت سنسور.
• تغییر تدریجی دمای خوانده شده در طول زمان.
• در موارد شدید، قطع کامل مدار ترموکوپل.

روش جبران و پیشگیری:

• استفاده از ترموول‌های محافظ از جنس Inconel، Hastelloy یا SS316 برای جلوگیری از تماس مستقیم المنت با محیط.
• اجتناب از قرار دادن ترموکوپل در محل‌هایی با رطوبت یا بخارات اسیدی.
• بازرسی و تعویض دوره‌ای ترموکوپل‌ها طبق برنامه نگهداری پیشگیرانه (PM).

5. خطای ناشی از گرادیان حرارتی و نصب نادرست

اگر نوک ترموکوپل به‌طور کامل در نقطه‌ای با دمای یکنواخت قرار نگیرد، ممکن است گرادیان حرارتی در طول سنسور ایجاد شود. در چنین حالتی، خروجی ترموکوپل دمای میانگین دو نقطه را نشان می‌دهد نه دمای واقعی محل مورد نظر.

دلایل رایج:

• نصب در عمق ناکافی داخل سیال یا سطح فلز.
• تماس ناقص با سطح مورد اندازه‌گیری.
• وجود جریان هوا یا حرارت تشعشعی ناهمگن.

روش اصلاح:

• اطمینان از تماس کامل سنسور با نقطه داغ.
• استفاده از خمیر حرارتی یا عایق حرارتی در محل نصب.
• رعایت عمق حداقل 10 برابر قطر ترموول در محل جریان سیال.

روش‌های جبران و کاهش خطاهای اندازه‌گیری

1. استفاده از مدار جبران اتصال سرد

در بیشتر ترانسمیترهای مدرن، جبران اتصال سرد به‌صورت خودکار انجام می‌شود. این مدار با اندازه‌گیری دمای محل اتصال و محاسبه‌ی اختلاف دما با نقطه مرجع، خروجی دقیق‌تری ارائه می‌دهد. در سیستم‌های دیجیتال، این جبران به‌صورت نرم‌افزاری در میکروکنترلر انجام می‌شود.

2. انتخاب کابل جبران‌ساز مناسب

هر نوع ترموکوپل کابل مخصوص خود را دارد؛ برای مثال، ترموکوپل نوع K از کابل با رنگ سبز و عایق PVC یا فایبرگلاس استفاده می‌کند. انتخاب نادرست کابل یا استفاده از کابل عمومی باعث ایجاد ولتاژهای ناخواسته می‌شود. همیشه باید دمای کاری کابل، جنس و رنگ‌بندی استاندارد را بررسی کرد.

3. نصب صحیح و رعایت اصول سیم‌کشی

یکی از مهم‌ترین روش‌های کاهش خطا، رعایت اصول نصب است. کابل‌ها نباید در مجاورت منابع گرما، برق سه‌فاز یا رطوبت قرار گیرند. همچنین استفاده از کانال‌های جداگانه برای سیگنال‌های ابزاردقیق، مقاومت سیستم را در برابر نویز افزایش می‌دهد.

4. کالیبراسیون و تنظیم دوره‌ای

حتی بهترین ترموکوپل‌ها نیز در طول زمان دچار خطا می‌شوند. کالیبراسیون با مقایسه‌ی ترموکوپل با یک مرجع استاندارد (مانند RTD دقیق یا دماسنج مرجع آزمایشگاهی) انجام می‌شود و منحنی جبران برای اصلاح خروجی ایجاد می‌شود.

ما در این مقاله به صورت دقیق به بررسی انواع روش های کالیبراسیون ترموکوپل پرداخته ایم.

5. استفاده از ترموول مناسب

ترموول (Thermowell) قطعه‌ای فلزی است که ترموکوپل را درون خود نگه می‌دارد و از تماس مستقیم آن با سیال جلوگیری می‌کند. انتخاب درست جنس ترموول (فولاد ضد زنگ، Inconel یا تیتانیوم) بر اساس نوع محیط، نقش مهمی در افزایش دقت و طول عمر سنسور دارد.

خطاهای انسانی و تاثیر آنها بر دقت اندازه‌گیری

علاوه بر خطاهای فنی، بسیاری از مشکلات در اندازه‌گیری دما به علت اشتباهات انسانی ایجاد می‌شود.
رایج‌ترین اشتباهات عبارتند از:

• اشتباه در انتخاب نوع ترموکوپل (مثلاً نصب نوع J در محیط با دمای 900 درجه).
• جابه‌جایی قطب‌های مثبت و منفی در هنگام نصب.
• استفاده از ترمینال‌های معمولی به‌جای ترمینال مخصوص ترموکوپل.
• نصب در مکان‌هایی که جریان هوای سرد یا تابش مستقیم حرارت وجود دارد.

راهکار: آموزش پرسنل فنی، استفاده از کد رنگ استاندارد و انجام تست عملکرد پیش از راه‌اندازی نهایی سیستم.

سؤالات متداول

۱. چرا ترموکوپل دمای نادرست نشان می‌دهد؟
به علت کابل نامناسب، خطای اتصال سرد، یا نویز الکترومغناطیسی. بررسی مسیر سیم‌کشی و مدار جبران معمولاً مشکل را رفع می‌کند.

۲. بهترین روش برای جبران خطای اتصال سرد چیست؟
استفاده از مدار الکترونیکی یا ماژول مخصوص جبران (مثل AD595) در نزدیکی محل اتصال.

۳. کابل جبران‌ساز چیست و چه کاربردی دارد؟
کابلی است از جنس مشابه ترموکوپل که مانع ایجاد اختلاف پتانسیل اضافی در مسیر سیگنال می‌شود.

۴. هر چند وقت باید ترموکوپل کالیبره شود؟
به‌صورت معمول هر شش تا دوازده ماه، بسته به شرایط محیطی و نوع کاربرد صنعتی.

۵. آیا جنس ترموول بر دقت اندازه‌گیری تأثیر دارد؟
بله، جنس نامناسب می‌تواند گرادیان حرارتی ایجاد کند یا باعث تأخیر در پاسخ دمایی شود.

مشاوره قبل از خرید

برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با خرید محصولات می‌توانید با شماره تلفن‌های زیر تماس بگیرید: