58

PERCOBAAN III

TRANSDUSER UNTUK APLIKASI PENGUKURAN TEMPERATUR

A. TUJUAN PERCOBAAN :

1. Mengetahui karakteristik dasar dari sebuah Transduser IC Temperatur.

2. Menyusun sebuah tampilan temperatur digital dengan menggunakan fasilitas

unit DIGIAC 1750.

3. Mengetahui konstruksi dan karakteristik dasar dari sebuah transduser tahanan

platinum(RTD).

4. Mengetahui konstruksi dan karakteristik dasar dari sebuah Thermistor NTC.

5. Mengetahui konstruksi dan karakteristik dasar dari sebuah Thermocouple.

B. TEORI DASAR :

Transduser temperatur dapat digunakan untuk keperluan pengukuran

temperatur. Transduser ini memiliki karakteristik kerja yang peka terhadap

perubahan temperatur atau suhu, sehingga dengan sifat tersebut, sangatlah ideal

untuk diterapkan dalam mendeteksi perubahan temperatur yang diubah kedalam

bentuk energi lain (arus dan tegangan).

Gambar 3.1 Tata Letak (Layout) dari Fasilitas Transduser Temperatur Unit

DIGIAC 1750.

RelHeater

Type “K” Thermocoupte I.C Temperature Sensor

Ext

O/P

Int.

O/PO/P

PlatinumN.T.C Thermistors

B

B

A

A

O/P

I/PHeater Element (12 Max)

59

1. Transduser IC Temperatur

Rangkaian terintegrasi (IC LM 335) ini terdiri dari 16 buah transistor, 9

buah resistor dan 2 buah kapasitor yang dimuat dalam sebuah paket transistor.

IC LM 335 menghasilkan output 10mV/°K. Karena itu pengukuran tegangan

outputnya menyatakan temperatur dalam °K. Misalnya pada temperatur 20°C

(293°K), maka tegangan outputnya akan sama dengan 2,93V.

Susunan rangkaian yang disediakan oleh unit DIGIAC 1750 ditunjukkan

pada gambar 3.2 dibawah ini :

Gambar 3.2 Susunan Rangkaian yang di Sediakan Oleh Unit DIGIAC 1750

Soket 2 pin disediakan untuk hubungan luar (external) unit LM 335 jika

diperlukan. Unit LM 335 yang dipasang diluar batas pemanasan dan

dipasangkan dalam heat sink(pendingin) thermokopel tipe K, outputnya

diperoleh dari soket “Ref”. Output ini dapat digunakan sebagai indikasi

temperatur ruang diluar batas pemanasan. Dan dari soket”Int” pada gambar

3.2 menunjukkan temperatur yang tidak melebihi temperatur batas

pemanasan. Output dari soket “Ref” tidak memberikan nilai yang akurat dari

temperatur ruang bila pemanas digunakan. Sebenarnya, sebagian besar

pemanasan disalurkan ke seluruh baseboard melalui hubungan dengan

pemanas (heater). IC LM 335 dioperasikan secara bertahap atau dengan

beberapa metode lainnya yang diperlukan untuk hasil yang akurat dari

temperatur ruang.

LM 355Socket for connectionof External LM 335

I nt

O/P

Ext

1 kOhm

1 kOhm

Adj.

+ 5V

0 V

60

2. Konstruksi Thermistor Digital dengan Menggunakan fasilitas Unit

DIGIAC 1750.

untuk percobaan ini, tegangan output LM 335 yang dibutuhkan sebesar

2,93V. Pembalik tegangan ke frekuensi (V/F Converter) menghasilkan

frekuensi output sebesar 1KHz/V. Display memiliki 3 digit dan dapat

menghitung maksimal 600 hitungan per detik. Penurunan output LM 335 10

kali akan mengeluarkan output sebesar 0,293V yang menghasilkan frekuensi

293Hz dari V/F Converter dan nilai ini tidak melampaui kemampuan hitung

counter. Penguat buffer digunakan untuk memperkacil pembebanan IC LM

335.

Resistor 10K dan Penguat #1 digunakan untuk mengatur penguatan

tegangan sebesar kalibrasi yang diperbolehkan. Difrensial digunakan untuk

mengatur bentuk gelombang dari V/F converter dan menyesuaikan untuk

input counter/timer.

3. Transduser RTD(Resistance Temperatur Dependent)Platina.

Konstuksi Transduser RTD Platina diperlihatkan pada gambar 3.3.

Bahan dasarnya terbuat dari lapisan tipis platina yang dipadukan dengan

lapisan keramik dan memiliki lempengan emas pada setiap ujungnya yang

berhubungan dengan selaput platina.

Selaput platina disusun dengan sinar laser sehingga resistansinya

sebesar 100Ω pada suhu 0°C. Nilai tahanan selaput meningkat sesuai

peningkatan temperatur karena memiliki koefisien temperatur positif.

Peningkatan resistansinya linier, hubungan antara perubahan resistansi dan

kenaikan temperatur untuk transduser ini sama dengan 0,385Ω/°C.

Rt = Ro + 0,385t

Dimana Rt = Resistansi pada temperatur °C.

Ro = Resistansi pada temperatur 0°C. = 100Ω

61

Gambar 3.3 Kontruksi Transduser RTD Platina

Biasanya unit ini akan dihubungkan kesumber DC lewat resistor

seri dan tegangan diambil melalui transduser yang diukur. Arus yang

mengalir pada transduser akan memanaskan transduser. Temperatur

meningkat tidak teratur, yang sebenarnya 0,2°C/mW di dalam transduser.

Susunan rangkaiannya pada unit DIGIAC 1750 sebagai berikut :

Gambar 3.4 RTD Platina

pada percobaan karakteristik Transduser RTD Platina, RTD Platina

akan dihubungkan seri dengan sebuah resistpor bernilai tinggi ke sumber

DC dan mengukur drop tegangan yang melaluinya. Sebenarnya untuk

resistansi yang bervariasi, perubahan arus dapat diabaikan dan tegangan

pada transduser akan langsung sebanding dengan tahanannya.

4. Transduser NTC ( Negative Temperature Coefficient)

Konstruksi Thermistor NTC ditunjukkan pada gambar 3.5 terdiri

dari bahan dasar elemen yang terbuat dari logam oxida seperti nikel,

magnesium dan kobalt dengan penghubungnya dibuat pada setiap sisi

elemen.

Laser Trimmed Platinum FilmCeramic Substrate

Connections

Gold ContactPlates

R.T.D

O/P

0 V

62

Gambar 3.5 Kontruksi Thermistor NTC

Selama temperatur elemen meningkat, resistansinya menurun,

karekteristik perbandingan resistansi dan temperatur menjadi titik linier.

Resistansi Thermistor yang disediakan oleh unit DIGIAC 1750 mencapai

5KΩ pada temperatur ambang 20˚C ( 293˚K ). Hubungan antara resistansi

dan temperatur ditunjukkan dengan rumus:

Dimana R1 = Resistansi pada temperatur T1˚K

R2 = Resistansi pada temperatur T2˚K

E = 2,718

B = Temperatur karakteristik = 4350˚K

Dua unit serupa telah dipersiapkan, satu dipasang didalam batas

pemanas, yang dihubungkan dengan sumber –5V dan diberi tanda A. Yang

lainnya dipasang diluar batas pemanas, yang dihubungkan ke 0V dan

diberi tanda B. Susunan rangkaiannya diperlihatkan pada gambar 3.1.

5. Karakteristik Thermistor NTC

pada metode pengukuran resistansi, resistansi thermistor NTC

bervariasi antara 5K – 1,5 KΏ untuk batas temperatur yang diperbolehkan

pada pemanasan. Batas untuk temperatur ambang ( ruang ) sebesar 20ºC.

Untuk skala besar, kita tidak dapat menggunakan metode yang digunakan

pada percobaan transduser RTD untuk mengukur resistansi. Juga, bila

O/P

+ 5V

0 V

Th 1

Th 2

Electrical Circuit

MetalOxidaElement

Contacts

Construction

63

hasil pengamatan tetap diambil pada selang waktu 1 menit. Pembacaan

resistansi harus diperboleh dalam waktu singkat.

Metode yang digunakan yaitu menghubungkan thermistor secara

seri dengan resistor yang sesuai ke sumber +5V. Untuk setiap pembacaan,

variabel resistor diatur sampai tegangan pertemuan thermistor dan resistor

setengah dari tegangan sumber. Untuk pengaturan ini akan ada drop

tegangan yang sama pada thermistor dan resistordan resistansinya akan

sama, karena itu nilai resistansi diambil dari resistor yang sesuai dengan

resistansi thermistor.

6. Transduser Temperatur Thermokopel Type K

Gambar 3.6 menunjukkan konstruksi dasar thermokopel, terdiri

dari dua batang kawat yang berbeda, yang disatukan pada salah satu

ujungnya.

Untuk Thermokopel type K, dua bahannya adalah alumel dan

chromel. Dengan susunan ini, ketika ujung yang satukan dipanaskan

bersamaan, tegangan output diambil diantara kedua ujung lainnya. Ujung

yang digabungkan, disebut sebagai pertemuan panas (ht junction) dan

ujung yang lainnya disebut sebagai pertemuan dingin (cold junction).

Gambar 3.6 Konstruksi Dasar Thermokopel

Besarnya tegangan output tergantung perbedaan temperatur antara

pertemuan panas dan dingin dan bahan yang dipakai. Untuk thermokopel

type K, tegangan outputnya hampir linier melebihi batas temperatur 0ºC -

Alumel Wire

“Cold”Junction

“Hot” Junction

SpotWeldedJunction

OutputVoltage

64

100ºC dan besarnya berbeda 40,28uV/ºC antara pertemuan panas dan

dingin.

Dua thermokopel disediakan oleh unit DIGIAC 1750, satu pasang

di dalam batas pemanas, yang merupakan unit aktif yang akan memiliki

temperatur yang berbeda pada pertemuan panas dan dingin saat

dioperasikan.

Unit yang lain dipasang diluar batas pemanas dan digabungkan

pada heat sink transduser temperatur IC LM 335 sehingga temperatur

pertemuan dingin thermokopel aktif dapat diukur. Thermokopel yang

kedua ini dihubung seri dengan yang pertama dengan kabel yang sama

menghubungkan keduanya. Hal ini memastikan bahwa hubungan ke

rangkaian output dibuat dari bahan yang sama dengan demikian

meniadakan kemungkinan terjadinya kesalahan dalam rangkaian dengan

kedua bahan penghantar yang berbeda.

Thermokopel yang kedua tidak memperbesar tegangan output

karena pertemuan panas dan dinginnya dipertahankan pada temperatur

yang sama.

Gambar 3.7 Susunan Rangkaian Thermokopel

LM 355 O/P

1 kOhm

+ 5V

0 V

-

+

ActiveThermocouple

InactiveThermocouple

65

Sebenarnya untuk output tegangan rendah, outputnya memerlukan

penguatan dan faktor penguatan sebesar 248 yang menghasilkan output

sebesar 10mV/ºC.

Selama pengoperasian temperatur pertemuan dingin bervariasi,

sebenarnya sebagian besar penghantar panas dari pemanas keseluruh

baseboard dan juntion mengakibatkan penguapan. Hal ini terjadi karena

pemasangan thermokopel dimana penghubung thermokopel pendek. Untuk

mengatasi masalah tersebut digunakan penghubung yang lebih panjang

dari bahan yang sama atau berbeda yang memiliki sifat termoelektrik yang

sama untuk memperpanjang pertemuan dingin agar mendapat sebuah titik

dimana temperatur tetap dapat dipertahankan. Kabel-kabel tersebut

berfungsi sebagai kabel pengganti.

C. ALAT DAN BAHAN

1. Transduser Temperatur IC LM 335

2. Voltmeter Digital

3. Penguat Buffer

4. Resistor geser karbon 10K

5. Penguat #1

6. V/F Converter

7. Differentiator

8. 3- Digit Counter/Timer

9. Transduser RTD Platina

10. Resistor kawat gulung 10K

11. Thermistor NTC

12. Resistor 10 putaran 10K

13. Thermokopel type K

14. Penguat Instrumen

15. Penguat 100x

16. Kabel penghubung (jumper).

66

D. GAMBAR PERCOBAAN

Gambar 3.8 Karakteristik IC Temperature LM 335

Gambar 3.9 Konstruksi Thermometer Digital

Heater

V

0 V

Buffer #1 Amp. #1

0,1 1,0

1001

10

10 kOhm

A

B

C

V

I.C. Temp.Sensor

Int

Heater

+12 V

0 V

67

Gambar 3.10 Karakteristik Transduser RTD Platina

Gambar 3.11 Karakteristik Thermistor NTC

Gambar 3.12 Karakteristik Rangkaian Jembatan NTC dengan Satu dan Dua

Thermistor Aktif.

I.C. Temp. Sensor

Int.

O/P

Platinum R.T.D

Heater

+ 12 V

V10 kOhm

A

B

C

+ 5 V0 V

N.T.C Thermistor

Heater

B

A

+ 12 V

GR1

R2

A C

D

0 V

12 kOhm

+ 5 V

+ 5 V

0 V

V

Schematic Diagram

68

Gambar 3.13 Karakteristik Thermokopel Type K

E. LANGKAH KERJA

1.Karakteristik IC Temperatur LM 335

1. Menghubungkan voltmeter ke rangkaian seperti pada gambar 3.8,

nyalakan power supply dan catat tegangan outputnya, penunjukan

temperaturnya dalam ºK.

2. Sekarang hubungkan sumber +12V ke soket input heater dan catat

pembacaan tegangan tiap menit sampai pada nilai yang tetap. Masukkan

nilainya pada tebel 3.1.

2.Konstruksi Thermometer Digital

1. Pertama, tombol offset penguat #1 harus diatur dengan tepat. Mulai

sekarang anda harus memahami prosedur, untuk menyegarkan ingatan,

prosedur diberikan ulang. Dengan power supply menyala, hubungkan

input penguat #1 ke 0V dan hubungkan output ke MC Meter + dan

hubungkan soket meter ke 0V. Fine gain penguat #1 pada posisi 1,0 dan

coarse gain pada posisi 10, atur tombol offset untuk output mendekati 0,

lau putar coarse gain ke 100 dan atur output 0. Putar tombol coarse dan

fine gain penguat pada posisi 1 dan 1,0 berurutan.

2. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.9. Geser resistor 10K

pada posisi paling kanan, diferensiator time tetapkan pada posisi 1s dan

tombol counter pada posisi count dan 1s.

Amp. #1

0,1 1,0

1001

10

B

A

V0 V

69

3. Mencatat pembacaan voltmeter lalu tekan tombol reset pada counter dan

catat nilai tampilan terakhir. Bandingkan nilainya dengan pembacaan

voltmeter.

Jika nilai tampilan melebihi pembacaan voltmeter, turunkan sedikit

posisi resistor geser lalu tekan kembali tombol reset counter. Catat

kembali tampilannya. Bandingkan nilainya dengan pembacaan tadi.

Ulangi langkah tersebut sampai tampilan dan pembacaan voltmeter

sama.

Jika nilai tampilan lebih kecil dari pembacaan voltmeter, naikkan fine

gain penguat #1 dan tekan tombol reset counter dan catat kembali

tampilannya. Ulangi langkah tersebut sampai tampilan dan

pembacaan voltmeter sama.

Pemasangan alat harus disesuaikan sehingga menampilkan counter 3

digit untuk nilai temperatur saat tombol reset ditekan.

4. Menghubungkan sumber 12V ke input heater, catat penunjukan tegangan

dengan voltmeter, tekan tombol reset counter. Dan catat nilai

tampilannya. Masukkan nilainya pada tebel 3.2.

5. Mengulangi langkah tersebut, pencatatan nilai voltmeter dan pembacaan

tampilan counter, untuk perbandingan besarnya kanaikan temperatur.

Masukkan nilainya pada tebel 3.3.

3.Karakteristik Transduser RTD Platina

1. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.10, dengan voltmeter

detempatkan pada posisi 2V DC.

2. Dengan power supply menyala, atur tombol resistor 10K sehingga drop

tegangan pada RTD Platina sebesar 0,108V yang ditampilkan oleh

voltmeter digital. Hal ini mengkalibrasikan RTD Platina untuk temperatur

ambang 20ºC, karena resistansi RTD pada suhu 20ºC sama dengan 108Ω.

Catatan : Jika temperatur ambang bukan 20ºC, tegangan dapat diatur ke

nilai yang tepet untuk temperatur ambang bila diperlukan.

70

a. Mengatur voltmeter pada skala 20V dan ukur output dari transduser

IC temperatur untuk mendapatkan temperatur ambang dalam ºK. Lalu

dalam ºC = (ºK-273).

b. Resistansi RTD = 100 + 0,385 X ºC. Atur drop tegangan pada RTD

untuk nilai ini.

3. Sekarang hubungkan sumber 12V ke input heater dan catat nilai tegangan

pada RTD dengan voltmeter. Atur pada skala 2V (ini menyatakan

resistansi RTD) dan tegangan output transduser temperatur dengan

voltmeter yang distel pada skala 20V (ini menyatakan temperatur RTD).

Masukkan nilainya pada tabel 3.4.

4. Mengulangi pengamatan untuk selang waktu 1 menit dan masukkan

nilainya pada tebel 3.4.

5. Menggambar grafik perbandingan resistansi RTD terhadap temperatur

pada bidang yang disediakan.

4.Karakteristik Thermistor NTC

1. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.11. Atur saklar

rangkaian jembatan wheatstone ke out untuk memutus resistor 12K dan

Rx dari rangkaian dan tempatkan resistor putar pada posisi 500.

2. Menyalakan power supply, atur tombol resistor sampai tegangan pada

voltmeter = 2,5V dan catat pembacaan resistor putar dan temperatur

dengan menghubungkan voltmeter sementara ke soket “Int” transduser IC

temperatur. Masukkan nilai pembacaan angkan dan temperatur dalam

tabel 3.5.

3. Sekarang hubungkan sumber 12V ke input heater dan selang waktu 1

menit, catat pembacaan nilai resistor putar untuk memperoleh tegangan

resistansi 2,5V dan juga temperatur. Masukkan nilainya pada tabel 3.6.

4. Menggambar grafik perbandingan antara resistansi thermistor dan

temperatur pada tempat yang disediakan.

5. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.11 dan atur saklar

rangkaian jembatan wheatstone ke out. Gunakan salah satu voltmeter

71

digital atau gabungan dari penguat differensial, penguat #1 dan meter

kumparan putar sebagai galvanometer.

6. Menyeimbangkan jembatan untuk keadaan dengan thermistor B(a) dingin

dan B(b) panas dan hitung resistansinya untuk setiap keadaan.

5.Karakteristik Rangkaian Jembatan NTC dengan Satu dan Dua

Thermistor Aktif

1. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.12 dan atur saklar

rangkaian jembatan wheatstone pada posisi out.

2. Menghubungkan voltmeter antara soket NTC A dan 0V. Nyalakan power

supply dan atur resistor 10 putaran 10K sehingga pembacaan voltmeter =

2,5V. Sekarang resistor 10K dan thermistor Th1 diatur untuk resistansi

yang sama.

3. Sekarang hubungkan voltmeter diantara soket NTC A dan soket B

resistor kawat gulung 10K dan atur tombol resistor kawat gulung untuk

pembacaan tegangan 0V.

4. Menghubungkan voltmeter antara soket NTC A dan soket B resistor geser

carbon 10K dan atur posisi resistor geser untuk tegangan output 0V.

Sekarang kedua jembatan diatur untuk output 0 dengan thermistor pada

temperatur ambang.

Catat temperatur dengan mengukur tegangan output dari soket “Int”

transduser IC temperatur dan masukkan nilainya kedalam tabel 3.7

5. Sekarang hubungkan sumber 12V ke input heater dan pada selang waktu

1 menit catat temperatur dan tegangan output dari tiap rangkaian

jembatan. Tegangan-tegangan output diukur diantara soket NTC A dan

soket B resistor kawat gulung 10K dan resistor geser carbon 10K.

Masukkan nilainya ke dalam tabel 3.8.

6. Menggambar grafik perbandingan tegangan output terhadap temperatur

untuk kedua rangkaian jembatan pada bidang yang sama yang disediakan.

72

6.Karakteristik Thermokopel Type K

1. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.13. Atur voltmeter

pada skala 2V dan atur tombol coarse gainpada posisi 10 dan fine gain

pada posisi 0,25V pada penguat #1.

2. Menyalakan power supply lalu atur tombol offset penguat #1 seperti yang

ditunjukkan. Hubung singkat rangkaian penghubung input ke instrumen

penguat dan atur tombol offset untuk penunjukan 0 pada voltmeter.

3. Menghubungkan kembali output thermokopel ke instrumen penguat

seperti pada gambar 3.15. Tegangan output harus tetap nol dengan

pertemuan panas dan dingin pada temperatur yang sama.

4. Mencatat temperatur didalam dan diluar batas pertemuan dingin dengan

mengatur voltmeter pada skala 20V, lalu ukur output tegangan dari soket

“Int” transduser temperatur IC, lalu dari soket output”Ref”IC LM 335

yang disediakan unit thermokopel type K. Masukkan nilainya pada tabel

3.9.

5. Menghubungkan sumber 12V ke heater dan pada selang waktu 1menit,

catat nilai tegangan output thermokopel dan tegangan tersebut

menunjukkan temperatur pertemuan panas dan dingin thermokopel.

Masukkan nilainya pada tabel 3.9.

6. Menggambar grafik perbandingan tegangan output thermokopel terhadap

perbedaan temperatur antara pertemuan panas dan dingin pada tempat

yang disediakan.