TUGAS MATA KULIAH SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA JENIS-JENIS SENSOR SUHU, KALIBRASI, CONTOH RANGKAIAN, CARA KERJA DAN FUNGSINYA Dosen: Bp. Iwan Hermawan, Ir.

Disusun oleh: Irfan Irawan: 11221718

S1 FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK TELEKOMUNIKASI ISTN CIKINI SEMESTER GANJIL 2011/2012

A. JENIS-JENIS SENSOR SUHU DAN FUNGSINYA Berfungsi untuk mengubah temperatur/suhu menjadi beda potensial listrik. Jenis-jenis sensor suhu: 1. Thermokopel Berfungsi sebagai sensor suhu rendah dan tinggi, yaitu suhu serendah 3000F sampai dengan suhu tinggi yang digunakan pada proses industri baja, gelas dan keramik yang lebih dari 30000F. Thermokopel dibentuk dari dua buah penghantar yang berbeda jenisnya (besi dan konstantan) dan dililit bersama.

Prinsip Kerja : Jika salah satu bagian pangkal lilitan dipanasi, maka pada kedua ujung penghantar yang lain akan muncul beda potensial (emf). Thermokopel ditemukan oleh Thomas Johan Seebeck tahun 1820 dan dikenal dengan Efek Seebeck.

Efek Seebeck: Sebuah rangkaian termokopel sederhana dibentuk oleh 2 buah penghantar yang berbeda jenis (besi dan konstantan), dililit bersama-sama. Salah satu ujung T merupakan measuring junction dan ujung yang lain sebagai reference junction. Reference junction dijaga pada suhu konstan 320F (00C atau 680F (200C). Bila ujung T dipanasi hingga terjadi perbedaan suhu terhadap ujung Tr, maka pada kedua ujung penghantar besi dan konstantan pada pangkal Tr terbangkit beda potensial (electro motive force/emf) sehingga mengalir arus listrik pada rangkaian tersebut.

Kombinasi jenis logam penghantar yang digunakan menentukan karakteristik linier suhu terhadap tegangan.

2

Tipe-tipe kombinasi logam penghantar thermokopel: 1. Tipe E (kromel-konstantan) 2. Tipe J (besi-konstantan) 3. Tipe K (kromel-alumel) 4. Tipe R-S (platinum-platinum rhodium) 5. Tipe T (tembaga-konstantan)

Tegangan keluaran emf (elektro motive force) thermokopel masih sangat rendah, hanya beberapa milivolt. Thermokopel bekerja berdasarkan perbedaan pengukuran. Oleh karena itu jika ukntuk mengukur suhu yang tidak diketahui, terlebih dulu harus diketahui tegangan Vc pada suhu referensi (reference temperature). Bila thermokopel digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi makaa akan muncul tegangan sebesar Vh. Tegangan sesungguhnya adalah selisih antara Vc dan Vh yang disebut net voltage (Vnet).

Besarnya Vnet ditentukan dengan rumus: Vnet = Vh - Vc Keterangan : Vnet = tegangan keluaran thermokopel Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi Vc = tegangan referensi Gambar grafik tegangan terhadap suhu pada thermokopel tipe E, J, K dan R :

3

Gambar di bawah ini menunjukkan beberapa thermokopel yang dihubungkan secara seri membentuk thermopile. Thermopile ini diletakkan di titik tengah pyrometer radiasi dan lensa yang digunakan untuk memfokuskan radiasi (pancaran panas) agar jatuh pada thermopile. Gambar Thermopile:

Gambar Pyrometer Radiasi:

Untuk masa sekarang thermokopel sudah dibuat dengan kemasan yang mempunyai unjuk kerja yang lebih peka yang disebut thermopile yang digunakan sebagai pyrometer radiasi. Grafik hubungan suhu terhadap arus keluaran:

4

2. Thermistor (Thermal Resistor/Thermal Sensitive Resistor) Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang berbanding terbalik dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin kecil resistansi. Simbol Thermistor dan Konstruksi Thermistor tipe GM102:

Thermistor dibentuk dari bahan oksida logam campuran, kromium, kobalt, tembaga, besi atau nikel.

Bentuk Thermistor : a. Butiran Digunakan pada suhu > 7000C dan memiliki nilai resistansi 100 hingga 1 M. b. Keping Digunakan dengan cara direkatkan langsung pada benda yang diukur panasnya. c. Batang Digunakan untuk memantau perubahan panas pada peralatan elektronik, mempunyai resistansi tinggi dan disipasi dayanya sedang. Thermistor dibuat sekecil-kecilnya agar mencapai kecepatan tanggapan (respon time) yang baik. Pemakaian thermistor didasarkan pada tiga karakteristik dasar, yaitu: 1. Karakteristik R (resistansi) terhadap T (suhu) 2. Karakteristik R (resistansi) terhadap t (waktu) 3. Karakteristik V (tegangan) terhadap I (arus)

5

Grafik hubungan antara resistansi terhadap suhu thermistor Cara kerja rangkaian: Saat temperatur masih dingin hambatan thermistor sangat besar dibandingkan dengan R2, sehingga transistor dalam kondisi menghantar lalu rele kontak (terhubung) dan heater (pemanas) menghasilkan panas. Akan tetapi, ketika ruangan menjadi panas, thermistor juga ikut panas sehingga hambatannya turun. Hambatan paralel thermistor dengan R2 menjadi kecil, sehingga tegangan bias Tr juga kecil, mengakibatkan Tr dalam kondisi cut off, rele tidak kontak dan heater tidak bekerja. Akibatnya, suhu ruangan turun. Demikian seterusnya proses akan berulang dari awal dan suhu ruangan menjadi konstan.

3. RTD (Resistance Temperature Detectors) Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar. RTD terbuat dari sebuah kumparan kawat platinum pada papan pembentuk dari bahan isolator. RTD dapat digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0,03 0C dibawah 5000C dan 0,1 0C diatas 10000C.

6

Konstruksi RTD bahan platinum:

RTD terpasang pada permukaan logam:

Hubungan antara resistansi dan suhu penghantar logam merupakan perbandingan linear. Resistansi bertambah sebanding dengan perubahan suhu padanya. Besar resistansinya dapat ditentukan berdasarkan rumus :

7

Besar resistansi pada suhu tertentu dapat diketahui dengan rumus :

Keterangan : R1 = resistansi pada suhu awal, R2 = resistansi pada suhu tertentu Untuk menghasilkan tegangan keluaran dapat diperoleh dengan mengalirkan arus konstan melalui RTD atau dengan memasangnya pada salah satu lengan jembatan wheatstone.

Gambar rangkaian jembatan wheatstone dengan RTD

Persamaan rangkaian jembatan wheatstone

Prinsip kerja rangkaian: Bila RTD berada pada suhu kamar maka beda potensial jembatan adalah 0 Volt. Keadaan ini disebut keadaan setimbang. Bila suhu RTD berubah maka resistansinya juga berubah sehingga jembatan tidak dalam kondisi setimbang. Hal ini menyebabkan adanya beda potensial antara titik A dan B. Begitu juga yang berlaku pada keluaran penguat diferensial.

Amplifier diferensial (penguat diferensial) menggunakan IC op-amp yang berfungsi untuk menguatkan tegangan keluaran dari rangkaian jembatan menjadi tegangan yang lebih besar. Jika rangkaian jembatan pada posisi setimbang maka pada titik A dan B mempunyai tegangan dan arus yang sama.

8

4. IC LM 35 Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi tegangan tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu.

Gambar rangkaian dan persamaan dasar IC LM 35

Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/0C. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, sesor ini mampu bekerja pada rentang suhu -550C 1500C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 V pada suhu 00C dan ketelitian sensor ini adalah 10C.

B.

PENGERTIAN KALIBRASI

Menurut ISO/IEC Guide 17025:2005 dan Vocabulary of International Metrology (VIM), kalibrasi adalah kegiatan yang menghubungkan nilai yang ditunjukkan oleh instrumen ukur atau nilai yang diwakili oleh bahan ukur dengan nilai-nilai yang sudah diketahui tingkat kebenarannya (yang berkaitan dengan besaran yang diukur).

Fungsi Kalibrasi Nilai yang sudah diketahui ini biasanya merujuk ke suatu nilai dari kalibrator atau standar, yang tentunya harus memiliki akurasi yang lebih tinggi daripada alat ukur yang di uji (biasa disebut unit under test atau UUT). Ini sesuai dengan salah satu tujuan kalibrasi adalah untuk mencapai ketertelusuran pengukuran atau menjaga agar traceability link ini tidak putus.

9

Atau secara singkatnya fungsi dan manfaat dari kalibrasi adalah sebagai berikut: a. Menentukan deviasi kebenaran kenvensiaonal nilai penunjukan suatu instrument ukur, atau deviasi dimensi rasional yang seharusnya untuk suatu bahan ukur b. Menjamin hasil-hasil pengukuran sesuai dengan standar nasional maupun internasional c. Mencapai ketertelusuran pengukuran, hasil pengukuran dapat dikaitkan sampai ke standar yang lebih tinggi (internasional) melalui rangkaian perbandingan yang tidak terputus

Sedangkan manfaatnya adalah: a. Menjaga kondisi onstrumen ukur dan bahan ukur agar tetap sesuai dengan spesifikasinya b. Untuk mendukung system mutu yang diteraplan di berbagai industri pada peralatan laboratorium dan produksi yang dimiliki c. Dengan melakukan kalibrasi bisa diketahui seberapa jauh perbedaan antara harga benar dengan harga yang ditunjukkan oleh alat ukur

C. RANGKAIAN SENSOR SUHU Diagram Blok :

Rangkaian :

10

Cara kerja : Rangkaian ini dirancang untuk bekerja pada skala tegangan masukan ADC sebesar 0-5V. Rangkaian ini juga dilengkapi dengan pengatur tegangan untuk masukan

Vin(-) dan Vref/2 menggunakan IC LM317, sehingga dapat mengatur resolusi ADC sesuai dengan range masukan yang ada.

ADC dapat dioperasikan secara manual dengan memberikan sinyal START dan menunggu sinyal EOC (End-Of-Conversion), ataupun dioperasikan pada mode free-running (kaki WR dihubungkan ke kaki INTR). Keluaran ADC0804 selalu terbuka karena kaki RD dihubungkan ke GND sehingga data hasil konversi siap diambil. Kaki CS juga dihubungkan ke GNDsehingga ADC0804 selalu siap dioperasikan. Cukup bagus untuk keperluan eksperimen maupun aplikasi monitoring dan pengontrolan suhu. Nah, berikut adalah gambar rangkaian skematiknya.

Rangkaian penguat tak-membalik menggunakan LM358 dengan faktor penguaran maksimum 6 kali. Untuk peregulasi tegangan masukan Vin(-) dan VRef/2, digunakan IC LM317 sehingga terjamin kestabilannya. Frekuensi clock ADC yang dibentuk oleh R-10K dan C-150pF adalah

11

sekitar 606kHz. Untuk kemudahan interfacing, tersedia header data ADC0804 dan header kontrol ADC0804 yakni kaki WR dan INTR. Kaki WR dan INTR dapat dihubung-singkat jika diinginkan ADC0804 bekerja free-running (mengkonversi tegangan masukan secara terusmenerus).

D. APLIKASI SENSOR SUHU PANAS (TRANSDUSER TERMOKOPEL) Berasal dari kata Thermo yang berarti energi panas dan Coupleyang berarti pertemuan dari dua buah benda. Termokopel adalah transduser aktif suhu yang tersusun dari dua buah logam berbeda dengan titik pembacaan pada pertemuan kedua logam dan titik yang lain sebagai outputnya.

Sebuah termokopel terdiri dari dua buah kawat yang kedua ujungnya disambung sehingga menghasilkan suatu open-circuit voltage sebagai fungsi dari suhu, diketahui sebagai tegangan termolistrik atau disebut dengan seebeck voltage, yang ditemukan oleh Thomas Seebeck pada 1921. Hubungan antara tegangan dan pengaruhnya terhadap suhu masing-masing titik pertemuan dua buah kawat adalah linear. Walaupun begitu, untuk perubahan suhu yang sangat kecil, tegangan pun akan terpengaruh secara linear, atau dirumuskan sebagai Instrument , Application Note 043) berikut : (National

Jenis Termokopel Tersedia beberapa jenis termokopel, tergantung aplikasi penggunaannya 1. Tipe K (Chromel (NiCr alloy) / Termokopel untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu 200 C hingga +1200 C.

Alumel (Ni-Al alloy)

2. Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy))

Tipe E memiliki output yang besar (68 V/C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetik.

12

3. Tipe

J

(Iron

/

Rentangnya terbatas (40 hingga +750 C) membuatnya kurang populer dibanding tipe K. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 V/C

Constantan)

4. Tipe

N

(Nicrosil alloy) /

Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200 C.

(Ni-Cr-Si

Nisil (Ni-Si alloy))

Sensitifitasnya sekitar 39 V/C pada 900 C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan tipe K. Termokopel tipe B, R, dan S adalah termokopel logam mulia yang memiliki karakteristik yang hampir sama. Mereka adalah termokopel yang paling stabil, tetapi karena sensitifitasnya rendah (sekitar 10 V/C) mereka biasanya hanya digunakan untuk mengukur temperatur tinggi

(>300 C).

5. Type B (PlatinumRhodium/Pt-Rh)

Cocok mengukur suhu di atas 1800 C. Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0 C hingga 42 C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50 C.

6. Type

R

(Platinum

Cocok mengukur suhu di atas 1600 C. sensitivitas rendah (10 V/C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum.

/Platinum with 7% Rhodium)

7. Type

S

(Platinum

Cocok mengukur suhu di atas 1600 C. sensitivitas rendah (10 V/C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064.43 C).

/Platinum with 10% Rhodium)

13

8. Type T (Copper / Constantan)

Cocok untuk pengukuran antara 200 to 350 C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari constantan. Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 V/C

Termokopel diberi tanda dengan hurup besar yang mengindikasikan komposisinya berdasar pada aturan American National Standard Institute (ANSI), seperti dibawah ini : Tabel Sifat dari beberapa tipe termokopel pada 250C Tipe E J K T R S B Material( + dan -) Ni-Cr dan Cu-Ni Fe dan Cu-Ni Ni-Cr dan Ni-Al Cu dan Cu-Ni Pt dan Pt(87%)-Rh(13%) Pt dan Pt(90%)-Rh(10%) Pt(70%)-h(30%)dan Pt(94%)-Rh(6%) Temp.Kerja(0C) Sensitivitas(V/0C) -270 ~ 1000 -210 ~ 1200 -270 ~ 1350 -270 ~ 400 -50 ~ 1750 -50 ~ 1750 -50 ~ 1750 60.9 51.7 40.6 40.6 6 6 6

Sumber : www.wfunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmeple_intro.cfm

14

E.

PERTANYAAN : APA YANG TERJADI JIKA R2 DAN R3 POSISINYA DITUKAR?

Dari contoh rangkaian sederhana di atas dapat dijelaskan bahwa: Sebelum ditukar : Lampu L akan hidup jika R2 diputar ke nilai yang kecil Setelah ditukar : Lampu L akan hidup jika R2 diputar ke nilai yang besar

Secara Teori Syarat Lampu hidup adalah: Basis T2 mendapat arus / tegangan, arus akan mengalir dari lampu melewati CollectorEmitor T2. Syarat T2 mendapat arus / tegangan Basis T1 tidak dialiri arus / tegangan

15