INSTRUMENTASI DAN TEKNIK PENGUKURAN

PENGUKURAN SUHU EFEK LISTRIK

Disusun oleh:

- Arief Rahmanto : (061240411465)

Kelas: 3 EGA

Instruktur: Ida Febriana, S.Si, M.T

PEMBAHASAN

PENGUKURAN SUHU EFEK LISTRIK.

Metode – metode listrik untuk pengukuran suhu sangat baik karena memberikan

sinyal yang mudah dideteksi yang banyak dipergunakan untuk tujuan

pengendalian.

Disamping itu metode ini biasanya cukup teliti bila telah dikalibrasi dan

dikompensasi dengan baik.

Macam macam transducer dibagi menjadi 3 yaitu:

thermometer tahanan listrik,

termistor,

thermocouple.

I. Thermometer tahanan listrik Termometer tahanan listrik adalah

instrument suhu berdasarkan kenaikan resistensi logam terhadap suhu.

logam yang biasanya digunakan dalam peralatan ini bermacam-macam

mulai dari Platina sampai ke Nikel.

PRINSIP KERJA :

Pada waktu suatu arus yang dilewatkan pada suatu material, maka elektron-

elektron pita konduksi saja yang merupakan pembawa arus. Resistensi logam

merupakan suatu fungsi dari vibrasi atom-atom dan suhu. Ketika suhu meningkat,

maka atom-atom bervibrasi dengan amplitudo dan frekuensi yang lebih besar yang

akan mengakibatkan tumbukan jauh lebih hebat dengan elektron-elektron.

Termometer tahanan listrik menggunakan elemen sensitif dari kawat platina

atau nikel murni, yang akan memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk

masing-masing temperatur jangkauannya. Resistor termal sering juga disebut

sebagai Resistent Temperature Device (RTDs), menggunakan prinsip perubahan

resistansi terhadap temperatur yang mengikuti aturan :

Untuk memperoleh linieritas, maka faktor kuadrat temperatus (a2T2, … anTn)

diabaikan atau ditentukan sama dengan nol, sehingga diperoleh hubungan antara

resistansi dan temperature :

dimana : Ro = tahanan konduktor pada temperature awal ( biasanya 0oC)

RT = tahanan konduktor pada temperatur toC

a = koefisien temperatur tahanan

T = temperatur

RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan.

RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan

keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan

tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor

suhu sampai 1500o C. Tembaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih

rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi. Konstruksi RDT

ditunjukkan oleh gambar 3.

Gambar 3 Konstruksi RTDs

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu:

1. Tidak diperlukan suhu referensi

2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara

mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar

tegangan eksitasi.

3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari

termokopel

4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena

noise tidak jadi masalah

5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik

pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.

Bentuk – bentuk lain dari Konstruksi RTD ditunjukkan gambar 4.

Gambar 4. Jenis RTD: (a) Wire (b) Ceramic Tube (c) Thin

Film

Karaktristik Resistansi versus Temperatur untuk variasi logam RTD ditunjukkan

oleh gambar 5.

Gambar 5. Karaktristik Resistansi versus Temperatur untuk variasi

logam RTD

THERMISTOR

Thermistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan

sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya

negative. Umumnya tahanan thermistor pada temperature ruang dapat berkurang

6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1ºC. Kepekaan yang tinggi terhadap

perubahan temperatur ini membuat thermistor sangat sesuai untuk pengukuran,

pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi.

Thermistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan, seperti :

mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe), dan uranium (U).

Tahanannya adalah dari 0,5 Ω sampai 75 Ω dan tersedia dalam berbagai bentuk

dan ukuran. Ukuran paling kecil berbentuk manic-manik dengan diameter 0,15 mm

sampai 1,25 mm, bentuk piringan atau cincin dengan ukuran 2,5 mm sampai 25

mm. Cincin-cincin dapat ditumpukkan dan ditempatkan secara seri atau parallel

guna memperbesar disipasi daya.

Dalam operasinya thermistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap

tempeatur, dan umumnya nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara

eksponensial untuk jenis NTC (Negative Thermal Coeffisien).

RT = RA eβT

Transduser Termokopel

Berasal dari kata “Thermo” yang berarti energi panas dan “Couple”yang 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 berikut : (National Instrument , Application Note 043)

dengan ΔV adalah perubahan tegangan, S adalah koefisien seebeck, dan ΔT adalah

perubahan suhu. Nilai S akan berubah dengan perubahan suhu, yang berdampak

pada nilai keluaran berupa tegangan termokopel tersebut, dan nilai S akan bersifat

non-linear di atas rentang tegangan dari termokopel tersebut.

Termokopel merupakan salah satu jenis termometer yang banyak digunakan

dalam laboratorium teknik. Dimana termokopel berupa sambungan ( junction ) dua

jenis logam atau logam campuran, yang salah satu sambungan logam tadi diberi

perlakuan suhu yang berbeda dengan sambungan lainnya.

Gambar 1. Junction termokopel

Sambungan logam pada termokopel terdiri dari dua sambungan, yaitu:

a. Reference Junction ( Cold Junction ) ,merupakan sambungan acuan yang

suhunya dijaga konstan dan biasanya diberi suhu yang dingin ( ≈ 0oC ).

b. Measuring Junction ( Hot Junction ), merupakan sambungan yang dipakai untuk

mengukur suhu atau disebut juga sambungan panas.

Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu 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 pengukuran kurang dari 1°C.

2. Jenis-Jenis Termokopel

Agar dapat digunakan dalam pengukuran, hanya material-material khusus yang

digunakan sebagai termokopel. Syarat-syarat yang diperlukan agar dapat

digunakan sebagai sensor adalah:

a. Memiliki sensifitas yang tinggi dan memiliki linearty yang baik.

b. Memiliki span pengukuran yang lebar.

c. Memiliki repeatability dan stabilitas yang tinggi, dan tidak berubah sifat karena

waktu.

d. Deviasi mutunya kecil.

National Institute of Standart and Technology (NIST) mempublikasikan tabel

untuk berbagai macam jenis sensor termokopel yang dapat dilihat dari tabel

dibawah ini :

Tabel 2.1 Jenis-Jenis Termokopel

Tipex MaterialRange Suhu

( oC )

Koofesien

Seebeck

(µV/ oC)

Keterangan

KChromel /

Alumel

−200 °C hingga

+1200 °C41

Termokopel untuk tujuan

umum, lebih murah

E

Chromel /

Constanta

n

−200 °C hingga

+1000 °C68

Tipe E memiliki output

yang besar (68 µV/°C)

membuatnya cocok

digunakan pada temperatur

rendah

J

Iron /

Constanta

n

−40 °C hingga

+750 °C53

Rentangnya terbatas (−40

hingga +750 °C)

membuatnya kurang

populer dibanding tipe K

NNicrosil /

Nisil

−200 °C hingga

+1300 °C39

Stabil dan tahanan yang

tinggi terhadap oksidasi

membuat tipe N cocok

untuk pengukuran suhu

yang tinggi tanpa platinum

BPlatinum-

Rhodium

0 °C hingga

+1800 °C3

Tipe B memberi output

yang sama pada suhu 0 °C

hingga 42 °C sehingga

tidak dapat dipakai di

bawah suhu 50 °C.

R Platinum / 0 °C hingga 6 Sensitivitas rendah

Platinum

with 7%

Rhodium

+1600 °C

(6 µV/°C) dan biaya tinggi

membuat mereka tidak

cocok dipakai untuk tujuan

umum.

S

Platinum /

Platinum

with 10%

Rhodium

0 °C hingga

+1600 °C6

Karena stabilitasnya yang

tinggi Tipe S digunakan

untuk standar pengukuran

titik leleh emas

(1064.43 °C).

T

Copper /

Constanta

n

−200 °C hingga

+400 °C43

Sering dipakai sebagai alat

pengukur alternatif sejak

penelitian kawat tembaga.

3. Fungsi Termokopel

Termokopel merupakan salah satu sensor suhu yang banyak digunakan di industri,

karena mempunyai beberapa kelebihan yaitu :

a. Tahan terhadap efek getaran

b. Waktu respon pendek

c. Ukurannya kecil dan harganya murah

d. Tidak memiliki efek self-heating

Termokopel paling cocok digunakan untuk mengukur rentangan suhu yang luas,

hingga 1800 K. Sebaliknya, kurang cocok untuk pengukuran dimana perbedaan

suhu yang kecil harus diukur dengan akurasi tingkat tinggi, contohnya rentang

suhu 0-100 °C dengan keakuratan 0.1 °C. Untuk aplikasi ini, Termistor dan RTD

lebih cocok. Contoh penggunaan termokopel yang umum antara lain :

a. Industri besi dan baja

b. Pengaman pada alat-alat pemanas

c. Untuk termopile sensor radiasi

d. Pembangkit listrik tenaga panas radioisotop, salah satu aplikasi termopile.

4. Efek Seebeck

Termokopel bekerja berdasarkan efek Seebeck, mengubah antara suhu sambungan

acuan (reference junction) dengan suhu sambungan ukur (measuring junction)

menjadi tegangan listrik. Hubungan antara harga tegangan yang terkoreksi V(tl,0)

harga tegangan sambungan acuan V(ref,0) dan harga tegangan pada tabel standar

kalibrasi V(tl,ref) adalah :

V(tl,0)=V(tl,ref)+V(ref,0)

Efek Seebeck timbul karena kerapatan muatan pembawa (electron dalam logam)

suatu penghantar berbeda dengan penghantar lain dan bergantung pada temperatur.

Bila dua jenis penghantar dihubungkan sehingga membentuk dua sambungan dan

kedua sambungan itu dipertahankan pada temperatur yang berbeda, maka difusi

pembawa muatan yang terjadi pada sambungan itu mempunyai laju yang berbeda.

Pada benda itu akan terjadi gerak neto dari pembawa muatan, seolah-olah

pembawa muatan digerakkan oleh medan nonelektrik. Integral medan ini, pada

lintasan tertutup sepanjang termokopel, menghasilkan elektromotansi Seebeck.