Sensor dan TransduserTERMOKOPEL

Oleh:Ella Oktari (1110953008)Ria Rahmawati S.P. (1110951018)

Dosen:Mumuh Muharram, MT.

JURUSAN TEKNIK ELEKTROFAKULTAS TEKNIKUNIVERESITAS ANDALASPADANG2014BAB IPENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANGKemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang pesat terutama dibidang otomtisasi. Perkembangan ini tampak jelas terutama di industri manufaktur, dimana sebelumnya banyak pekerjaan menggunakan tangan manusia, kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya dengan electro-mechanic (semi otomatis) dan sekarang sudah menggunakan robotic (full automatic).Model apapun yang digunakan dalam sistem otomatisasi industri sangat tergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian menunjukan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat tergantung kepada sensor dan transduser yang digunakan.Sensor dan transudser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis. Bisanya besaran masukan pada kebanyakan sistem kendali bukan merupakan besaran listrik.Umumnya besaran tersebut adalah besaran fisik, kimia, mekanis dan sebagainya. Untuk merubah ke dalam besaran listrik pada sistem, biasanya besaran-besaran tersebut diubah terlebih dahulu menjadi suatu sinyal listrik melalui sebuah alat yang disebut sensor dan transduser.Salah satu sensor yang umum digunakan adalah sensor suhu. Sensor ini sangat sering digunakan dalam proses manufaktur terutama yang berkaitan dengan proses pemanasan maupun pendinginan. Sensor tersebut bertugas untuk mengetahui kondisi lingkungan atau sebuah sistem yang digunakan sebagai input agar dapat ditindaklanjuti dalam sebuah proses atau pengendalian sistem. Beberapa sensor suhu yang umum digunakan antara lain termokopel.

1.2 TUJUAN PENULISANTujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk lebih memahami tentang sensor termokopel, konstruksi sensor termokopel, operasi sensor temokopel dan aplikasi dari sensor termokopel

1.3 BATASAN MASALAHPada Penulisan Makalah ini hanya akan membahas mengenai : Pengertian Sensor Suhu termokopel Cara Kerja Sensor Suhu termokopel Aplikasi Sensor Suhu termokopeldalam Kehidupan Sehari-Hari

BAB IITERMOKOPEL

2.1 PendahuluanBerasal dari kata Thermo yang berarti energi panas dan Coupleyang berarti pertemuan dari dua buah benda. Termokopel adalah perangkat yang terdiri dari dua konduktor yang berbeda, biasanya paduan-paduan logam (metal alloys) yang menghasilkan tegangan yang berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara kedua ujung pasangan konduktor. Pada duniaelektronika,termokopeladalahsensorsuhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik(voltase). Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukurankurang dari 1C..Gambar 2.1 Diagram skematik thermocouple

Dua termoelemen A dan B dihubungkan dan jika temperatur antara junction pertama (cold junction) dan kedua (hot junction) berbeda maka akan timbul arus akibat gaya gerak listrik (EMF).

Gambar 2.4.Pengukuran EMF

Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan voltmeter dengan impedansi yang tak terhingga (besar sekali), seperti yang terlihat pada gambar 2, maka akan terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan tersebut dikenal sebagai tegangan Seebeck. Jika thermocouple digunakan untuk mengukur temperatur hot junctionmaka tegangan Seebeck pada cold junction, hot junction serta temperatur cold junction harus diketahui terlebih dahulu. EMF, sebenarnya timbul karena gradien temperatur sepanjang kawat yang menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan mengasumsikan kawat thermocouple homogen maka EMF didapat akibat perbedaan temperatur hot junction dan cold junction.Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan temperatur adalah: = Dimana : EAB(T) adalah tegangan Seebeck S(T) adalah koefisien Seebeck, T adalah perbedaan temperatur antara hot junction dengan cold junction.

2.2Prinsip Kerja TermokopelTermokopel adalah sebuah alat yang dibuat dari dua jenis kawat dari logam yang berbeda dan disatukan pada salah satu ujungnya. Ujung ini disebut dengan istilah junction end atau ujung sambungan dan dapat disebut juga ujung pengukuran (T2). Dua kawat tersebut disebut thermoelement yang merupakan kaki-kaki dari termokopel. Keduanya dibedakan menjadi kaki positif dan kaki negatif. Kemudian, ujung laun dari masing-masing kawat disebut dengan tail end (ujung ekor) atau reference end (T1). Junction end adalah ujung yang digunakan untuk mengukur panas dari media yang hendak diukur, misalkan ruangan tungku atau oven dengan suhu 200C sedangkan tail end adalah ujung yang kita sambungkan dengan rangkaian elektronika dan berada pada suhu ruang, katakanlah 28C. Tail end mempunyai dua kutub untuk pengukuran, yaitu positif dan negatif. T1 dan T2 adalah suhu masing-masing pada posisi tail end dan junction end.Perbedaan suhu antara T1 dan T2 tersebut dapat diukur pada kedua kutup positif dan negatif. Oleh karena itu termokopel adalah termasuk temperature-voltage transducer. Termokopel adalah penghasil tegangan yang dapat diukur pada kedua kutub tail end yang terjadi akibat perbedaan suhu pada T1 dan T2. Jadi tinggal diukurdengan voltmeter digital. Besarnya tegangan keluaran pada termokopel ditentukan dengan rumus:Vout = Vh - VcKeterangan :Vnet = tegangan keluaran thermokopelVh = tegangan yang diukur pada suhu tinggiVc = tegangan referensi

Tegangannya terlalu kecil sehingga harus diamplify terlebih dulu. Selain itu nilai yang terbaca oleh voltmeter juga bukan merupakan ekspresi langsung dari temperature dan masih diperlukan konversi.Untuk mempermudah konversi maka dapat menggunakan table hubungan tegangan dengan temperature, sebagai berikut :

Gambar 2.Tabel referensi tegangan ke temperature

Dalam pengukuran tegangan pada termokopel ada beberapa syarat yang harus terpenuhi agar tegangan yang didapat tidak nol. Adapun syarat-syaratnya sebagai berikut :1. Jika kedua kawat atau thermoelement terbuat dari material yang sama sehingga menyebabkan tidak ada perbedaan suhu diantara kedua ujung kawat.2. Suhu T1 sama dengan T2 sehingga menyebabkan termokopel tidak dapat mengukur suhu ruang karena kedua ujungnya ada pada temperatur yang relatif sama, yaitu berada pada suhu ruang. Oleh karena itu, kita tiba pada kondisi tidak mudahnya karena pada dasarnya temperatur pada reference end atau tail end haruslah relatif tetap. Hal yang tidak mungkin tentunya sehingga ada istilah cold junction compensation untuk menkompensasi kondisi ini. Sebuah IC seperti misalnya MAX667 bisa dipergunakan untuk kompensator.

2.3 Konstruksi TermokopelUntuk skonstruksi sederhana termokopel diperlihatkan oleh gamabar dibawah ini :.

Gambar 2.Sirkuit sederhana termokopel

Gambar 2.11 kontruksi dalam Termokopel

Pada konstruksi termokopel terdapat dua buah kawat yang terbuat dari amterail yang berbeda, salah satunya digunakan sebagai measuring junction (hot) dan reference junction (cold). Pada kawat rerference junction tidak akan mengalami perubahan dan akan tetap pada suhu reference. Pada pengukuran perbedaan potensial dari kedua kawat akan menggunakan voltmeter dan sebelumnya akan di amplify dahulu agar dapat terbac aoleh voltmeter karena tegangan yang dihasilkan terlalu kecil. Pengukuran panas saluran Thermokopel menghasilkan tegangan yang lebih besar dari tegangan saluran referensi. Perbedaan antara dua tegangan itu sebanding dengan perbedaan suhu.

2.4 Karakteristik Termokopel2.4.1 Beberapa jenis thermocouple berdasarkan aplikasi penggunaannya1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)Thermocouple untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu 200C hingga +1200C.

Gambar 2.2 NiCr - NiSi (Tipe K)

2. Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy))Tipe E memiliki output yang besar (68 V/C) membuatnya cocok digunakan pada temperature rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetik.

Gambar 2.3 NiCr CuNi (Tipe E)

3. Tipe J (Iron / Constantan)Rentangnya terbatas (40 hingga +750C) membuatnya kurang popular disbanding tipe K. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 V/C.

Gambar 2.4 Fe - CuNi (Tipe J)

4. Tipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy))Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200C. Sensitifitasnya sekitar 39 V/C pada 900C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan tipe K.

Gambar 2.5 Nicrosil - Nisil (Tipe N)

5. Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh)Cocok mengukur suhu di atas 1800C. Tipe B memberi output yang sams pada suhu 0C hingga 42C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50C.

Gambar 2.6 Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh)

6. Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium)Cocok mengukur suhu di atas 1600C. Sensitivitas rendah (10 V/C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum.

Gambar 2.7 Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium)

7. Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium)Cocok mengukur suhu di atas 1600C. 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 (1064.43C).

Gambar 2.8 Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium)

8. Type T (Copper / Constantan)Cocok untuk pengukuran antara 200 to 350C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negative terbuat dari constantan. Sering dipakai sebagai alat pengukur alternative sejak penelitian kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 V/C.

Gambar 2.9 Type T (Copper / Constantan)

Gambar 2.10 karakteristik bahan termokopel yang digunakan bersama platinum

2.4.2 Adapun kelebihan dan kekurangan dari termokopel adalah sebagai berikut : kelebihan dari termokopel adalah:a. Mudah dibaca, karena memiliki layar yang tidak mudah keruh dan skala yang jelasb. Respon cepat untuk setiap adanya perubahan suhuc. Akurasi yang tepat dalam pengukuran suhud. Baik digunakan untuk pengukuran variasi suhu dengan jarak kurang dari 1 cme. Termokopel tidak mudah rusak dan tahan lama

Sementara itu, termokopel juga memiliki kekurangan dalam pemakaiannya, yakni:a. Kalibrasi yang sulit, saat termokopel dinyalakan, suhu yang tertera adalah suhu pada ruangan tersebutb. Hanya dapat digunakan untuk mengukur perbedaan suhuc. Termokopel membutuhkan perlengkapan tambahan yang harganya biasanya cukup mahal

2.5 APLIKASI TERMOKOPELThermocouple cocok untuk mengukur rentang suhu yang besar, sampai 2300C. Mereka kurang cocok untuk aplikasi di mana perbedaan suhu lebih kecil harus diukur dengan akurasi yang tinggi, misalnya rentang 0-100C dengan 0,1C akurasi. Contoh Penggunaan Thermocouple yang umum yaitu pada industry besi dan baja yang dalam pengoperasiannya menggunakan suhu yang sangat tinggi.Misalkan saja untuk kebutuhan pengukuran suhu pada tungku peleburan baja ini diambil range pengukuran antara1000C hingga 1600C, yaitu sesuai dengan titik lebur besi yang berada pada suhu 1538C. Maka sesuai dengan range pengukuran yang akan digunakan pada perencanaan ini adalah jenistermokopel dengan batas range pengukuran 50 - 1800C, yaitu termokopel type B dengan sensitifitas 100 mV/C.

PENGUKURAN TEMPERATUR MENGGUNAKAN VOLTMETER :

EQUIVALENT CIRCUITS :

2.6 CONTOH SOAL

1. Sebuah termokopel tipe J yang digunakan untuk mengukur temperatur suatu ruang pembakaran menghasilkan tegangan output sebesar 5,867 mV. Berapa tegangan outputnya bila diukur dengan termokopel tipe K ?

Jawab :

2. Suatu temperatur diukur dengan menggunakan sebuah termokopel tipe J dan sebuah DVM (Digital Volt Meter). Temperatur ruangan pada saat pengukuran adalah 28 oC dan DVM menunjukkan angka 10,933 mV. Tentukan temperatur tersebut. Jawab :Dari tabel diperoleh :

3. Sebuah Resistance Temperature Detector (RTD) dipasang pada suatu quarter-bridge dengan tegangan eksitasi sebesar 3 V. RTD ini mempunyai tahanan nominal pada 20oC sebesar 100 , koefisien temperatur sebesar 0,00385 / /oC dan self heating error sebrsar 0,5 oC/mW. Ruangan yang akan diukur temperaturnya terletak 100 m dari ruangan dimana rangkaian jembatan ini diletakkan. Rangkaian jembatan ini dipasang dengan konfigurasi 3 kawat dimana kawat tembaga yang digunakan mempunyai diameter sebesar 1,291 mm dan konduktivitas listrik sebesar 5,8x107 S/m. Tegangan output yang dihasilkan ternyata adalah 210,1 mV. Hitung temperatur yang diukur bila :a). Tahanan kawat dan self heating error diabaikan b). Tahanan kawat tidak diabaikan dan self heating error diabaikan c). Tahanan kawat dan self heating error tidak diabaikan Jawab :a). Tahanan kawat dan self heating error diabaikan

b). Tahanan kawat tidak diabaikan dan self heating error diabaikan

c). Tahanan kawat dan self heating error tidak diabaikan

BAB IIISIMPULAN DAN SARAN

3.1KESIMPULAN1. Termokopel suhu paling ekonomis alat ukur yang tersedia dan juga menyediakan pengukuran suhu tertinggi. Ggl yang mereka hasilkan adalah independen dari panjang kawat dan diameter, namun kebisingan dapat menjadi faktor. Termokopel menyediakan jangkauan macam pengukuran temperatur namun tidak dianjurkan untuk rentang suhu yang sempit atau pengukuran perbedaan kecil. 2. Untuk pengukuran temperatur kritis, suhu referensi akurat persimpangan perlu diukur dan kompensasi. Hal ini mungkin mengharuskan penggunaan suatu RTD. 3. Jika proses pengukuran dapat dilakukan dengan perangkat lain selain termokopel, maka yang harus dipertimbangkan. Termokopel biaya rendah dan cocok untuk aplikasi yang memerlukan jangkauan suhu yang besar. 4. Sensor termokopeldapatdigunakansebagaipengukursuhu5. Sensor termokopel bekerja dengan membandingkan perbedaan potensial yang terjadi di kedua ujung termoelemen akibat perbedaan panas dikedua ujungnya.6. Terdapat beberapa jenis termokopel diantara a. Tipe E(kromel-konstantan)b. Tipe J (besi-konstantan)c. Tipe K (kromel-alumel)d. Tipe R-S (platinum-platinum rhodium)e. Tipe T (tembaga-konstantan)7. Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan temperatur adalah: = 5. Termokopel cocok untuk mengukur rentang suhu yang besar, sampai 2300C. Mereka kurang cocok untuk aplikasi di mana perbedaan suhu lebih kecil harus diukur dengan akurasi yang tinggi, misalnya rentang 0 - 100C dengan 0,1C akurasi.

3.2SARANPenggunaan termokopel dalam pengukuran suhu yang tinggi sudah sangat mampu didalam hal instrumentasi terlihat daribanyaknya kelebihan dari sensor tersebut.Namun ada pula kekurangan dari termokopel yaitu kalibrasi yang sulit dan perlengkapan tambahan yang harganya cukup mahal.

DAFTAR PUSTAKA

http://koponkworld.wordpress.com/2010/10/09/prinsip-kerja-termokopel/

http://angahazhari.blogspot.com/2011/10/termokopel.html

http://baskarapunya.blogspot.com/2011/04/instrumentasi-bab-4-temperature.html#ixzz2vAs9TDKp

http://elektronika-dasar.web.id/komponen/sensor-tranducer/sensor-suhu-rtd-

http://www.momentous-inst.com/news-detail/kelebihan-dan-kekurangan-dari-termokopel

http://onnyapriyahanda.com/prinsip-kerja-thermocouple/

http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/18446/3/Chapter%20II.pdf

http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/28656/3/Chapter%20II.pdf