Post on 10-Nov-2015
02/06/2014
1
PENGUKURAN TEMPERATUR
Pendahuluan
Pengukuran temperatur Temperatur tubuh manusia Temperatur udara Temperatur ruang / kabin Temperatur fluida (liquid
atau gas) pada unit-unit proses
Temperatur mesin Dan sebagainya
2 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
2
Pendahuluan Temperatur adalah ukuran rasa panas atau dingin benda.
Kulit manusia mampu merasakannya, tetapi relatif terhadaptemperatur kulit itu sendiri, tidak teramati secara kuantitatif.
Temperatur adalah besaran relatif, tergantung acuannya. Beberapa sifat fisika benda digunakan sebagai acuantemperatur, misalnya sifat ekspansi termis, sifat termoelektrik, sifat termo-resistansi, dsb.
Harga koefisien ekspansi suatu bahan tidak selalu konstanuntuk seluruh daerah temperatur, maka sensitivitas alat perluuntuk dikalibrasi untuk seluruh range pengukuran.
Karena sifat benda tidak selalu konstan untuk berbagai range temperatur, maka ada batasan daerah range pengukuransuatu termometer tertentu.
Misal: Harga koefisien ekspansi bahan tidak selalu konstanuntukseluruh daerah temperatur, maka sensitivitas alat perluuntuk dikalibrasi untuk range pengukurannya, untukmemperoleh batas harga kesalahan yang sesuai
3 Pengukuran Temperatur
Pendahuluan Perubahan temperatur benda karena ada penambahan energi kalor
(ada selisih kalor masuk dan kalor keluar benda). Harga temperatur benda ada kaitan dengan energi dalam benda Persamaan keseimbangan energi benda:
Energi kalor masuk - Energi kalor keluar = Energi kalortersimpan dalam benda.
Energi tersimpan mengubah temperatur benda.Qmasuk Qkeluar = M Cv dT/dt
4 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
3
Skala Temperatur
5 Pengukuran Temperatur
Prinsip Pengukuran Temperatur Pengukuran temperatur berdasarkan perubahan sifat fisis
benda akibat perubahan temperatur. Efek Mekanikal (metoda ekspansitermal ) yaitu perubahan
dimensi benda, misalnya : termometer cairan dalam bulb (termometer air raksa),
berdasarkan prinsip perubahan volume cairan dalam bulb jika dihubungkan medium yang ingin diketahuitemperaturnya.
termometer bimetal, berdasarkan perbedaan koefisienekspansi dua buah pelat logam yang direkatkan.
perubahan tekanan cairan dalam bulb, misalnya pressure termometer
Efek Listrik Efek Termoelektrik yaitu perubahan tegangan listrik, karena
perbedaan sifat termoelektrik dua bahan, misal: termokopel. Perubahan tahanan listrik suatu benda.
Radiasi
6 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
4
Metode Ekspansi TermalBULB THERMOMETER Perubahan volume, Cairan dalam bulb akan
memuai jika temperatur naik. Kelebihan cairanakibat muai volume ditampung pipa kapiler yang dilengkapi skala. Cairan: air-raksa, alkohol dsb.
Pemuaian cairan mengakibatkan perubahantekanan, dideteksi oleh alat ukur tekanan, misalnya bellows atau tabung bourdon.
Batas range temperatur pengukuran adalah titikdidih dan titik beku fluida yang digunakan.
Tetapi koefisien ekspansi suatu fluida tidakkonstan di antara titik batas acuan tersebut, maka range temperatur pengukuran terbataspada sifat ekspansi konstan.
7 Pengukuran Temperatur
Metode Ekspansi Termal Termometer fluida dalam bulb
8 Pengukuran Temperatur
Pressure Termometer
02/06/2014
5
Bulb Thermometer
BulbThermometer Pada saat t = 0
Temperatur bulb ( T ) = Temperatur fluida di sekeliling (TF) Persamaan Kesetimbangan kalor
Laju aliran kalor masuk laju aliran kalor keluar = laju perubahankandungan kalor pada bulb
Pada saat TF > T, maka persamaan laju aliran kalor Q kedalam bulb adalah,
9 Pengukuran Temperatur
U = Koefisien perpindahan kalorA = Luas permukaan kontak
Bulb Thermometer
Laju pertambahan kandungan kalor pada sensor Q
10 Pengukuran Temperatur
M = Massa sensor (bulb)C = Kalor spesifik cairan bulb
Laju pertambahan kandungan kalor pada cairan= Lajualiran kalor ke cairan
Jika: , Konstanta waktu
02/06/2014
6
Contoh
Termometer termal ekspansi menggunakan cairanFreon (C=0,22 Btu/lbm.oF, = 85,2 lbm/ft3) dengantabung silinder tembaga (C=0,092, = 560) berdiameter 0,25 in dengan tebal dinding 0,032 in. Termometer digunakan pada aliran udara 400 oF, 15 psia dan kecepatan 20 ft/s. Tentukan konstantawaktu termometer.
11 Pengukuran Temperatur
Termometer Bimetal (Bimetallic Thermometer) Termometer bimetal terdiri
dari dua logam dengankoefisien ekspansi termalberbeda saling dilekatkan.
Terjadi perbedaan panjangkedua batang jika temperaturberubah sehingga bimetal berdefleksi.
Defleksi batang menunjukkanukuran temperatur.
Batang bimetal digunakan pd kontrol on-off Temperatur.
12 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
7
Termometer Bimetal (Bimetallic Thermometer)Bagaimana termometer bi-metal bekerja ?(sebagai on-off controller)
13 Pengukuran Temperatur
Contoh : HoneywellRTH110 Digital Manual Thermostat
Model RTH110
Termometer Bimetal (Bimetallic Thermometer)Dua buah metal A dan B
14 Pengukuran Temperatur
= jari-jari kelengkungant = tebal totaln = rasio modulus elastisitas EA/EBm = rasio ketebalan tA/tB
Misal A > B
T1 < T2 T1 > T2
02/06/2014
8
Contoh Suatu bimetal dibentuk dari yellow brass dan Invar
dan dibuat (ditempel) pada suhu 300C. Tebal masing-masing-masing 0,3 mm. Tentukan jari-jari kelengkunganbimetal pada suhu 1000C ?
Bimetal pada contoh di atas digunakan sebagai on-off controller yang beroperasi pada temperatur nominal 200oF. Hitung defleksi ujung batang bimetal 4 in untukdeviasi +/-2 oF dari temperatur nominal
15 Pengukuran Temperatur
Pengukuran Temperatur dengan Efek ListrikElectrical Resistance Thermometer
Tahanan material tertentu berubah jika temperaturberubah.
Material yang digunakan untuk sensor temperatur ini: materialkonduktor (logam) materialsemi-konduktor.
Material konduktor ditemukan terlebih dahulu dandisebut 'resistance-termometer, saat ini disebut'resistance-temperature-detector' (RTD).
Tipe semikonduktor muncul lebih akhir dan diberi namathermistor. Sensor temperatur semacam inimemerlukan teknik untuk mendeteksi perubahantahanan, seperti rangkaian jembatan atau 'Ohmmeter'.
16 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
9
Pengukuran Temperatur dengan Efek Listrik Electrical Resistance Thermometer
Koefisien temperatur linier
17 Pengukuran Temperatur
Untuk rentang temperaturyang kecil:
Untuk rentang temperaturyang besar:
R1= resistansi pada T1R2= resistansi pada T2
a dan b adalah konstantaempirik
Contoh Termometer resistansi platinum digunakan pada
temperatur ruang. Asumsikan variasi temperatur linier terhadap resistansi dan hitung sensitivitas termometerdalam Ohm/oF
18 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
10
Electrical Resistance Thermometer
Hubungan R dengan temperatur (T) tidak linier.Contoh: RTD platinum linieritas
19 Pengukuran Temperatur
Linieritas RentangTemperatur (0F) 0,4% - 300 s/d -100
0,25% -300 s/d -200 0,3% 0 s/d 300 0,2% 0 s/d 200 1,2% 500 s/d 1500
Thermistor Thermistor dibuat dari
campuran nickel danCobalt-oxides padaperbandingan yang sesuai dihaluskan, dicampur, di-press dandibentuk, kemudian di-sintering.
Dibandingkan dengansensor tipe konduktif, koefisien temperaturthermistor jauh lebihbesar dan negatif.
Thermistor sangat tidaklinier
20 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
11
Persamaan Thermistor
RT = R termistor padatemperatur T,
Ro= R termistor padatemperatur To,
= konstantakarakteristik bahan, K
T & To= temperaturabsolut
21 Pengukuran Temperatur
Untuk pengukuran temperatur, thermistor ini memerlukan rangkaian linierisasi. Karena hubungan antara temperatur dan tahanan sangat tidak linier
Thermocouple Termokopel adalah dua kawat dari bahan berbeda yang
saling disambungkan. Titik sambungan kedua kawat disebut'junction'.
Jika temperatur kedua junction berbeda maka pada kawattersebut akan timbul arus listrik. Munculnya arus atautegangan listrik ini karena efek termoelektrik.
Ada empat macam sifat termoelektrik benda yang salingberkaitan,yaitu efek Seeback, efek Peltier, efek Joule danefek Thomson.
22 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
12
Efek Thermoelectric Efek Seebeck: Jika temperatur dua junction berbeda, maka akan
timbul arus listrik yang tergantung pada beda temperatur keduajunction.
Efek Peltier: Bila pada kawat termokopel mengalir arus listrik, makatemperatur junction berubah sesuai dengan arah aliran arus listrik. Temperatur junction yang satu lebih tinggi dari temperatur medium, dan junction lainnya lebih rendah.
Efek Thomson: Jika arus listrik mengalir pada kawat termokopeldengan gradien temperatur sepanjang kawat (ada aliran kalor), maka kalor dibangkitkan pada titik di mana arah arus listrik samadengan arah aliran kalor, dan kalor diserap pada arah sebaliknya.
Efek Joule: Jika suatu kawat dialiri arus listrik maka didisipasikankalor yang sebanding dengan arus kuadrat.
23 Pengukuran Temperatur
Efek Seebeck
24 Pengukuran Temperatur
Contoh :Tentukan Seebeck voltage suatu material dengan= 50 V/0C, jika temperatur junction adalah 200C dan 1000C.
02/06/2014
13
Efek Peltier
25 Pengukuran Temperatur
Pengukuran Temperatur26
Efek Thomson
Setiap material konduktor pembawa muatan (kecuali material superkonduktor), dengan perbedaan temperatur pada kedua ujungnya, akan dapat menyerap atau memancarkan kalor (bergantung pada jenismaterialnya).
Jika kerapatan arus J mengalir melalui kawat konduktor homogen, kaloryang dihasilkan per satuan volume adalah:
Dari keempat efek yang terdapat pada termokopel, maka hanya efekSeebeck yang mendukung termokopel sebagai sensor temperatur. Ketiga efek lainnya merupakan gangguan pada hasil pengukuran temperatur, di mana terjadi sedikit penyimpangan antara temperatur yang terukur dan temperatur medium yang sebenarnya.
= resistivitas materialdT/dx = gradien temperatur di sepanjang kawat = Thomson coefficient.
02/06/2014
14
Tabel Thermocouple
27 Pengukuran Temperatur
Kurva Thermocouple (ref. 00C)
28 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
15
Tabel Thermocouple Contoh:
Tegangan thermocouple tipe J pada 210oC denganreference junction 0oC, adalah 11,34 mV
Dengan cara yang sama, jika tegangan pengukuran 4,768 mV untuk tipe S dengan reference junction 0oC, maka daritabel diketahui temperatur junction lainnya adalah 555oC
29 Pengukuran Temperatur
Sensitivitas dan Perataan Termokopel n termokopel seri
memberikan output n kali lebih besar.
n termokopel paralel, dimana junction acuan pd temperatur sama & sensor termokopel padalokasi yg sedikit berbeda, memberikan temperaturrata-rata medium/bendayang diukur.
30 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
16
Keuntungan sensor termokopel: Respons cepat, karena luas kontak dengan medium
kecil. Daerah pengukuran temperatur relatif lebih luas. Sensitivitas diperbesar dengan memasang termokopel
serie. Dapat digunakan untuk mengukur temperatur rata-rata
medium/benda dengan pemasangan paralel. Kerugian sensor termokopel:
Sensitivitasnya rendah, dalam orde mV/oC. Untuk mendeteksi temperatur junction sensor,
temperatur junction acuan perlu diketahui.
31 Pengukuran Temperatur
Pyrometer
Pyrometer bekerja berdasar radiasi yang di-pancarkan sumber kalor yg diukur. Pyrometer adalah alat ukur temperatur metoda nonkontak. Benda memancarkan kalor & cahaya ke sekeliling. Makin tinggi temperatur benda, makin besarintensitas kalor dan cahaya yang dipancarkan. Jikajumlah pancaran/radiasi kalor atau cahaya dapatdiukur, temperatur benda dapat diketahui.
Pyrometer menentukan temperatur benda denganjalan mengukur besar radiasi total atau radiasi salah satu panjang gelombang.
32 Pengukuran Temperatur
02/06/2014
17
Pyrometer
Atas dasar tersebut dikenal dua macam pyrometer:
33 Pengukuran Temperatur
Pengukuran Temperatur34
Pyrometer memungkinkan pengguna untuk mengukurtemperatur pada aplikasi di mana sensor konvensionaltidak dapat digunakan.
Khususnya, dalam kasus-kasus yang berhubungandengan objek bergerak (misalnya, roller, bergerakmesin, atau ban berjalan), atau di mana pengukurannonkontak diperlukan karena kontaminasi atau alasanberbahaya (misalnya tegangan tinggi), di mana jarakterlalu besar, atau di mana temperatur yang akandiukur terlalu tinggi untuk termokopel atau sensor kotak yang lain.
Pyrometer
02/06/2014
18
Pengukuran Temperatur35
Pyrometer terdiri dari sistem optik dan detektor. Sistem optik memfokuskan radiasi termal terhadapdetektor. Sinyal output detektor (temperatur T) berkaitan dengan radiasi termal atau iradiasi j dariobjek target melalui hukum Stefan-Boltzmann, konstanta Boltzmann , dan emisivitas objek .
Pyrometer