THERMINOLOGY TEMPERATURE / SUHU
PENGUKURAN DAN INSTRUMENTASI THERMAL SENSOR
Pengukuran Energi Thermal didefinisikan sebagai rata-rata energi per molekul yang diukur dalam sebuah material. Energi thermal berhubungan dengan pernyataan berapa derajat temperature dari sebuah benda/materi Temperature scale KALIBRASI: salah satu cara untuk menentukan skala temperaure. Yaitu dengan melihat phase perubahan pada sebuah materi, contoh:
1) The degree of hotness or coldness of a body or environment. 2) A measure of the average kinetic energy of the particles in a sample of matter, expressed in terms of units or degrees designated on a standard scale.
Ada 4 besaran suhu yang biasa digunakan untuk menunjukkan besaran suhu, diantaranya: (1)Kelvin (K) (2)Celcius (0C) (3)Fahrenheit (0F) (4)Reamur (0r) (5)Rankine (0R)
a. Oxygen : liquid/gas equilibrium b. Water : solid/liquid equilibrium c. Water : liquid/gas equilibrium d. Gold : solid/liquid equilibrium
1
SENSOR SUHU / THERMAL SENSOR Tabel 1. Kaliberasi Kondisi Perubahan Material Menurut Derajat Suhu
Caliberations point Zero thermal Energy Oxygent : Liquid/gas
K 0
Temperature 0F 0R
0C
0
- 459.6
- 273.15
90.18
162.3
- 297.3
-182.97
Water :
Solid/Liquid
273.15
491.6
32.0
0
Water :
Liquid/Gas
373.15
671.6
212.0
100
Gold :
Solid/Liquid
1336.15 2405.0
1945.5
1063
Setiap thermometer, memiliki keakuratan yang tergantung dari sensor yang digunakan. Jenis-jenis sensor suhu : (1) Thermocouple (2) RTD (Resistant Temperature Detector)
KONTAK
(3) Thermistor (4) Infrared (5) Pyrometric dan lain-lain
NON KONTAK
Untuk mengukur suhu diperlukan pengukur suhu yaitu thermometer Thermometer ada 2 Jenis: (1) Thermometer kontak yaitu thermometer yang secara langsung digunakan ke objek yang diukur dan berhubungan secara langsung (2) Thermometer non kontak thermometer yang tidak secara langsung mengenai objek yang di ukur
THERMOCOUPLE Thermocouple is a thermoelectric temperature sensor which consists of two dissimilar metallic wires, e.g., one chromel and one constantan. These two wires are connected at two different junctions, one for temperature measurement and the other for reference. The temperature difference between the two junctions is detected by measuring the change in voltage (electromotive force, EMF) across the dissimilar metals at the temperature measurement junction. (EFundA)
2
Tipe Spesifikasi thermocouple komersial dikeluarkan oleh ISA (Instrument Society of America ) yaitu :
Typical Thermocouples
(1) tipe E, J, K, and T adalah base-metal thermocouples dapat digunakan untuk mengukur temperatur sampai kisaran 1000 0 (1832°F). (2) Tipe S, R, and B adalah noble-metal thermocouples dapat digunakan untuk mengukur temperatur sampai 2000°C (3632°F).
Tabel 2. spesifikasi thermocouple untuk beberapa bahan penyusunnya
Keuntungan Penggunaan Thermocouple : (1)Relatif murah dibanding dengan sensor suhu yang lain (2)Memiliki kisaran temperatur yang besar (3)Memiliki respon time yang baik (4)Memiliki ketepatan/accuracy yang baik Kelemahan (1)Sensitifitas rendah (50 @V/0C atau lebih rendah), hal ini menyebabkan susah untuk dibedakan dengan noise pada tegangan rendah, tidak bisa dilakukan eliminasi, akan tetapi bisa diperbaiki dengan sinyal filtering yang baik, ADC yang baik. (2)Akurasi pada umumnya tidak lebih baik dari 0.5 0C ini tidak cukup tinggi untuk beberapa aplikasi (3) tidak bersifat linear
3
RTD (Resistant Temperature Detector)
Jenis-jenis RTD
RTD adalah jenis dari sensor suhu yang mempunyai karakteristik meningkatnya resistansi dengan meningkatnya suhu hal ini dilihat dari bahan yang digunakan
Resistansi dari RTD secara komersial berkisar antara 10-25K., pada umumnya 100, 200 dan 1 K.. Logam-logam yang umum digunakan oleh RTD adalah Platinum, Tembaga, Nikel, BalcoTM (70% Ni, 30% Fe) dan Tungsten
Tabel bahan-bahan RTD Material
Temperature Range
Platinum (Pt)
-260~1000 °C (-440~1800 °F)
Copper (Cu)
-200~260 °C (-330~500 °F)
Nickel (Ni)
-200~430 °C (-330~800 °F)
Linearity is not good
Balco (70% Ni-30% Fe)
-100~230 °C (-150~450 °F)
Linearity is not good; cheap to fabricate; high resistance
Tungsten (W)
-100~1200 °C (-150~2200 °F)
Note < 550 °C (1022 °F) in most applications
4
Kurva Hubungan R-T pada beberapa bahan RTD
Pada beberapa material RTD pola respon resistansi terhadap suhu berlaku secara linear pada range T1
Dengan menyusun kembali formula maka kita dapatkan persamaan:
Adalah koefisien temperatur rata-rata, dimana pada selang T1, T2, dan merupakan slope kurva Kedua suhu, yang diukur (T) dan suhu reference (Tref) berada pada selang:
T1 < {T, TRef} < T2
Keuntungan dengan penggunaan RTD adalah : (1)Lebih stabil dan akurat dibanding thermocouple (2)Linearitas lebih baik dibandingkan dengan thermocouple tapi untuk beberapa bahan kurang baik (3)Memiliki signal to noise ratio yang besar
THERMISTOR THERMINOLOGY Berasal dari kata THERMAL dan RESISTOR
Kelemahan penggunaan RTD adalah : (1)Lebih mahal dibandingkan dengan Thermocouple (2)Self heating (3)Membutuhkan sumber arus (4)Respon time rendah / kurang baik untuk beberapa aplikasi
Thermistor adalah sensor yang terbuat dari bahan semikonduktor yang memiliki karakteristik perubahan tahanan (resistansi) dengan berubahnya temperatur
5
Jenis-Jenis Thermistor (1) NTC (Negative Temperature Coeficient)
Jenis / Tipe thermistor tergantung dari faktor k,
(2) PTC (Positive Temperature Coeficient)
(1) Apabila k bernilai negatif maka semakin tinggi nilai temperatur maka resistansi menurun Maka tipe thermistornya NTC
Jika diasumsikan hubungan antara temperatur dan resistansi adalah linear, maka melalui pendekatan orde pertama diperoleh: @R = k@T Dimana : BR = Perubahan Resistansi BT = Perubahan temperatur k = Koefisien perubahan resistansi terhadap temperatur pada orde pertama
Pada kenyataannya perubahan temperatur dengan adanya perubahan suhu tidak bersifat linear (non linear), berikut ini adalah grafik hubungan perubahan resistansi terhadap suhu untuk beberapa jenis sensor:
(2) Apabila k bernilai Positif maka semakin tinggi nilai temperatur maka resistansi meningkat Maka tipe thermistornya PTC Pada resistor biasa faktor k dibuat sekecil mungkin sehingga dengan meningkatnya suhu tidak ada perubahan resistansi, sifatnya tetap
Pendekatan hubungan R-T pada grafik thermistor didekati dengan persamaan:
Dimana : T = temperatur (K) Tref = Temperatur Referensi (biasanya pada suhu kamar 250C) R = resistansi thermistor Rref= Resistansi pada Tref ; = konstanta kaliberasi tergantung dari bahan thermistor
6
Thermistor dapat mengukur suhu pada kisaran -40 ~ 150 ±0.35 °C (-40 ~ 302 ±0.63 °F). Thermistor memiliki berbagai macam bentuk yaitu tabung, silinder, batang, lempengan. Biasanya operasi dari thermistor memiliki resistansi pada kisaran KF, meskipun sebenarnya mempunyai kisaran antara MF sampai satuan F
Konstruksi thermistor
Keuntungan penggunaan Thermistor: (1)Akurasinya relatif tingggi (+- 0.020C (+-0.360F) lebih baik dari RTD dan Thermocouple
Aplikasi Thermistor:
(2)Sensitifitas yang baik, 10 kali lebih baik dibandingkan dengan RTD
(1)Untuk Sistem Kontrol Otomatik yang
(3)Ukurannya (dimensi fisiknya) lebih kecil dibanding dengan RTD dan Thermocouple (4)Stabilitas dalam jangka waktu yang lama
berhubungan dengan penggunaan suhu Contoh : Thermostat, Sistem kontrol suhu AC (air Conditioning), Dispenser untuk kontrol
Kekurangannya: (1)Kisaran temperatur yang terbatas -100 ~ 150 °C (-148 ~ 302 °F). (2)Hubungan R-T yang tidak linear berbeda dengan RTD yang relatif lebih linear
panas-dingin. (2) Untuk instrumentasi pengukuran suhu (thermometer)
7
SENSOR TEMPERATUR NON KONTAK Sensor temperatur yang metode pengukurannya tidak langsung menyentuh terhadap objek yang diukur
• Mengukur pada kisaran -54°F to 1000°F non kontak. •LCD display monitor. •Memakai laser pointer untuk mengukur titik pengukuran •°F/°C pengaturan switch
INFRA RED TEMPERATURE SENSOR Sensor temperatur yang bekerja pada kisaran gelombang infra merah yang digunakan untuk mendeteksi energi panas dari sebuah benda/materi
Aplikasi dari IR Temperatur Sensor adalah (1) Mengukur suhu dari objek yang susah dijangkau dan dari objek yang tidak aman untuk dideteksi secara langsung (2) Titik panas (hot spot) dari panel listrik peralatan listrik (3) Pengukuran pada saat kegiatan pengukuran suhu sedang dilakukan secara real time
8
