Termokopel Oleh : Ardhiansyah, MT.
Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan temperatur adalah[1]: [1]
πΈπ΄π΅ π = ππ΄π΅ π βπ
Seorang praktisi kalibrasi
Dimana : EAB(T) adalah tegangan Seebeck
Pendahuluan
S(T) adalah koefisien Seebeck,
Termokopel adalah sensor temperatur yang paling banyak
βT adalah perbedaan temperatur antara hot
digunakan dalam industri disebabkan kesederhanaan dan
junction dengan cold junction.
kehandalannya. Termokopel terdiri dari dua konduktor atau βtermoelemenβ yang berbeda, dihubungkan menjadi
Perilaku termokopel ideal dapat dijelaskan dengan hukum
satu rangkaian seperti yang terlihat pada gambar 1.
termoelektrik berikut: 1.
Law of Homogenous Metals; EMF tidak akan ada jika termoelemen A dan B merupakan konduktor dari bahan yang sama.
2.
Law
of
Intermediate
metals;
jika
ada
penambahan material C pada rangkaian termokopel,
Gambar 1. Diagram skematik termokopel
maka tegangan Seebecknya akan sama dengan nol Dua termoelemen A dan B dihubungkan (junction) dan jika
jika
material
temperatur antara junction pertama (cold junction) dan
seragam.
tersebut
pada
temperatur
yang
kedua (hot junction) berbeda maka akan timbul arus akibat gaya gerak listrik (EMF).
Gambar 3. Ilustrasi Hukum termoelektrik ke 2. 3.
Law
of
Successive
or
Intermediate
Gambar 2. Pengukuran EMF
temperaturs; EMF yang timbul dari termokopel
Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan
dimana kedua junctionnya pada T 1 dan T3 adalah
voltmeter dengan impedansi yang tak terhingga (besar
sama dengan EMF junction pada T 1 dan T2 ditambah
sekali), seperti yang terlihat pada gambar 2, maka akan
EMF junction pada T2 dan T3 (Gambar 4).
terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan tersebut dikenal sebagai tegangan Seebeck. Laju perubahan nilai tegangan akibat perubahan temperatur disebut dengan koefisien Seebeck. Jika termokopel digunakan untuk mengukur temperatur hot junction (gambar 2) maka tegangan Seebeck pada cold junction, hot junction serta temperatur cold junction harus diketahui terlebih dahulu. Karena cold junction juga menghasilkan
tegangan
mempermudah
pembacaan
Seebeck temperatur
maka pada
untuk tabel
termokopel, cold junction ditempatkan pada ice point of
water (titik cair es). EMF, sebenarnya
Gambar 4. Ilustrasi hukum termoelektrik ke 3 Konsekuensi dari hukum termoelektrik adalah penyolderan dan pengelasan junction tidak akan mempengaruhi tegangan output, serta penambahan 2 kawat tembaga homogen
timbul karena
gradien temperatur
sepanjang kawat yang menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan mengasumsikan kawat termokopel homogen maka EMF didapat akibat perbedaan temperatur
yang
menghubungkan
termokopel
dengan
voltmeter akan mempengaruhi tegangan output sehingga tegangan output adalah akumulasi tegangan yang timbul akibat sambungan kawat tembaga dengan dan hot junction.
hot junction dan cold junction.
Page | 1
Gambar 5. Bak es sebagai reference junction
Gambar 7. Ilustrasi model sensor orde satu
Termokopel adalah tranduser yang mengubah besaran
Dengan mengasumsikan reference junctionnya adalah 0 0C
fisis ke besaran elektrik. Output yang dihasilkan adalah
maka persamaan [1] menjadi
tegangan dc. Output dapat diukur menggunakan voltmeter
πΈ0 π = ππ΄π΅ π ππππ
dan potensiometer, tetapi mengharuskan penggunaan
Dengan mengamsumsikan tidak ada panas yang hilang
eksternal kompensator untuk cold junction dimana hal ini
maka persamaan kesetimbangan energi menjadi ππ΄ ππππ‘ β
tidak efisien karena harus menyediakan media isotermal
ππππ ππ‘ = ππΆπππππ
untuk reference junction dan memerlukan penggunaan
Sehingga fungsi transfer termokopel adalah
tabel untuk mengkonversi tegangan menjadi besaran temperatur. Saat ini output termokopel dihubungkan ke thermometer readout selain tidak memerlukan media
πΈπ ππππ‘
π
terbaca
dalam
besaran
Dimana : U adalah koefisien perpindahan panas overall A adalah luas perpindahan panas Tact adalah temperatur yang akan diukur
temperatur.
Tind adalah temperatur yang terbaca oleh
Thermometer readout telah menyediakan kompensator
termometer
cold junction (CJC) yang tertanam didalamnya.
M adalah massa sensor C adalah panas spesifik sensor, dan
Thermowell
π=
Termokopel yang digunakan untuk mengukur temperatur biasanya
diberi
pelindung atau yang biasa
thermowell. Thermowell pelindung Thermowell termokopel
[3]
π· = ππ·π΄π΅+1
isotermal, kelebihan lain adalah keluaran termokopel langsung
[2]
logam
dan
digunakan dari
pada untuk
gangguan
disebut
umumnya terdiri
insulatornya
adalah
dari
keramik.
melindungi
mekanik,
ππΆ ππ΄
elektrik
kawat serta
kontaminan. Penggunaan thermowell dapat merubah waktu tanggap dari termokopel dimana salah satu
Gambar 8. Ilustrasi model sensor orde dua
kelebihan termokopel adalah waktu tanggap yang cepat. Hot junction termokopel pada umumnya dibagi menjadi 3 yaitu: 1) Eksposed junction (dimana kawat termokopel tidak terproteksi tetapi memiliki waktu tanggap yang
Setelah
termokopel
pelindung
maka
fungsi
transfernya menjadi orde 2 πΈπ
π· = (π
cepat); 2) Ungrounded junction (kawat terproteksi dengan
ππππ‘
baik tetapi memiliki waktu tanggap yang lebih lambat); 3)
Dimana :
ππ΄π΅
[6]
π€ π·+1)(π π π·+1)
π πΆ
ππ€ = π π€ π΄π€ adalah tetapan waktu well π€
Grounded junction (kawat terproteksi dan waktu tanggap cepat).
diberi
ππ =
ππ πΆπ ππ π΄π
π€
adalah tetapan waktu termokopel
Dari fungsi transfer termokopel setelah menggunakan pelindung maka terlihat waktu tanggapnya menjadi lebih lambat. Gambar 6. Jenis junction
Sebelum termokopel diberi pelindung, fungsi transfer termokopel dapat ditentukan sebagai berikut:
Selain itu ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan thermowell yaitu, 1.
Pada
temperatur
tinggi
termokopel
dapat
terkontaminasi akibat migrasi atom Chromium ke termoelemen sehingga material tidak homogen lagi.
Page | 2
2.
3.
4.
Kemampuan insulator keramik (magnesium oxide)
πΈ = ππ΄ π1 βπ1 + ππ΄ π2 βπ2 + β― + ππ΄ ππ βππ β ππ΅ π1 βπ1 β
sebagai pelindung dari gangguan elektrik akan
ππ΅ π2 βπ2 β β― β ππ΅ ππ βππ
menurunkan akibat umur dan penyerapan uap air.
Persamaan di atas memperlihatkan bahwa tegangan tidak
Perbedaan koefisien ekspansi termal antara kawat
tergantung
termokopel dan pelindung logam tidak boleh terlalu
junction dan cold junction, tetapi pengaruh gradient
besar karena akan menyebabkan ekstra regangan
temperatur
pada kawat termokopel ketika dilakukan proses
kekompleksitasan persamaan [7], maka perlu diperhatikan
anealing pada termokopel.
beberapa hal berikut:
Penggunaan thermowell menyebabkan penambahan
1.
kawat
penyambung
Berdasarkan
hukum
sebagai
cold
termoelektrik
sepanjang
temperatur antara kawat.
Oleh
hot
karena
yang sama sedemikian sehingga SA(Ti)=SB(Ti), maka
kawat
penghubung harus memiliki perilaku termoelektrik
perbedaan
Jika semua kawat termokopel dari satu material
junctionnya. maka
pada
[7]
tegangan output sama dengan nol. 2.
Konsekuensi dari pernyataan di atas adalah jika
yang sama dengan material termokopel. Untuk base
salah satu kawat termokopel lebih panjang maka
metal kawat penyambungnya adalah termokopel
pertambahan
sejenis
tegangan output.
tetapi
untuk
nobel
metal,
biasanya
menggunakan ekstension wire yaitu kawat (dari
3.
panjangnya
tidak
mempengaruhi
Jika SA(Ti) dan SB(Ti) adalah fungsi temperatur saja
bahan yang jauh lebih murah dari termokopel) yang
maka tegangan output hanya dipengaruhi oleh
memiliki
perbedaan temperatur cold junction dan hot junction
karakteristik
termoelektrik
yang
sama
sehingga
dengan termokopel pada temperatur kamar.
termokopel
dapat
digunakan
untuk
mengukur temperatur. Y. A. Abdelaziz dan F. Edler dalam penelitiannya [3] menyebutkan bahwa inhomogenitas adalah variasi spasial dari
koefisien
seebeck
sepanjang
termoelemen.
Inhomogenitas memberikan kontribusi terbesar dalam budget ketidakpastian kalibrasi termokopel. Penentuan inhomogenitas dilakukan atas sebuah kawat termoelemen Gambar 9a. Diagram
Gambar 9b.
skematik thermowell
Thermocouple well
Inhomogenitas Seperti yang pernah disinggung sebelumnya bahwa koefisien seebeck bukan hanya fungsi temperatur saja dimana emf timbul karena perbedaan temperatur hot
platina dan copper masing-masing mewakili noble metal termokopel
dan base
metal
termokopel. Penentuan
inhomogenitas menggunakan metode two-gradient yaitu menggunakan
sebuah
heater
yang
dapat
bergerak
sepanjang termoelemen. Diagram skematik pengujian inhomogenitas dapat dilihat pada gambar berikut:
junction dan cold junction, Pada kenyataannya emf timbul karena gradient temperatur sepanjang kawat termokopel, karena kawat termokopel bukanlah kawat yang benarbenar homogen. Pandang termokopel ideal pada berikut:
Gambar 11. Set up peralatan pengujian inhomogenitas termoelemen[3] Kesalahan dalam pengukuran Kesalahan β kesalahan yang mungkin timbul dalam
Gambar 10. Kawat termokopel yang dibagi n kali
pengukuran temperatur menggunakan termokopel adalah
EMF timbul karena gradien temperatur sepanjang kawat
sebagai berikut:
termokopel yang menghubungkan cold junction dengan
1.
Resolusi voltmeter
hot junction maka, tegangan total sepanjang termokopel adalah:
Page | 3
Jika
menggunakan
voltmeter
untuk
mengukur
Ts adalah temperatur sistem yang akan
tegangan termokopel maka perlu memperhatikan koefisien seebeck
termokopel
yang digunakan.
Sebagai
termokopel
tipe
ilustrasi,
koefisien
seebeck
rata-rata
0,04
K
diukur Ti adalah temperatur awal termokopel
memiliki
mV/0C,
Jika termometer mendapat input step maka solusi
jika
persamaan di atas adalah
menggunakan voltmeter dengan resolusi 1 mV maka
βπ‘
kesalahan pembacaan adalah 0,5 dibagi 0,04 adalah
Kesalahan pengukuran sebelum terjadi keadaan
12,5 0C. 2.
steady state adalah
Heat capacity[1] Prinsip
βπ‘
pengukuran
kesetimbangan
[11]
ππ = ππ 1 β π π
temperatur
termal
antara
adalah
termometer
[12]
ππ = β ππ β ππ π π
terjadi
Gambar waktu tanggap input step adalah
dan
sistem yang akan diukur. Temperatur sistem pasti akan berubah karena termometer yang digunakan untuk mengukur menyerap atau melepas panas ke sistem. Sehingga hasil pengukuran menjadi salah. Besar
kecilnya
kapasitas
kesalahan
termal
dari
tergantung
termometer.
kepada
Persentase
kesalahan akibat heat capacity adalah[1]: ππ
πΆ
ππ βππ
[8]
π‘ = β πΆ +πΆ π
Gambar 12. Waktu tanggap termometer jika
π‘
mendapat input step[1]
Dimana : Te adalah kesalahan Ts adalah temperatur sistem
Jika termometer mendapat input ramp
Ti adalah temperatur awal termometer
ππ = π΄ π‘ β π β π΄ππ π
Ct adalah kapasitas panas termometer
Kesalahan pengukurannya adalah:
βπ‘
Cs adalah kapasitas panas sistem 3.
βπ‘
Immersion depth and stem losses [1] Kesalahan
pengukuran
juga
disebabkan
[13]
oleh
ππ1 = β π0 β π΄π β ππ π π
[14]
ππ2 = βπ΄π
[15]
Gambar waktu tanggap waktu input ramp adalah
perpindahan panas sepanjang batang termometer ke lingkungan. Di bawah ini adalah persamaan untuk menentukan
kedalaman
pencelupan
yang
dibolehkan untuk kesalahan yang diinginkan, ππ = β ππ β ππ π0 π
βπΏ πΏ0
[9]
Dimana : Ta adalah temperatur ambien L
adalah
kedalaman
pencelupan
termometer L0 adalah kedalaman pencelupan ideal, Gambar 13. Waktu tanggap termometer jika
besarnya adalah 15 kali diameter batang
mendapat input ramp[1]
termometer. 4.
5.
Thermal lag[1]
Radiation error[1]
Kesetimbangan termal antara media yang akan
Perpindahan panas antara sistem dan termometer
diukur dengan termokopel, memerlukan waktu
terjadi dalam 3 cara yaitu konduksi, konveksi dan
karena itu waktu tanggap termokopel terhadap
radiasi. Radiasi tidak memerlukan kontak fisik
temperatur
sehingga
yang
akan
diukur
tidak
langsung
mencapai keadaan tunak tetapi memerlukan waktu
gangguan
tergantung tetapan waktu dari termokopel tersebut.
pengukuran
Fungsi transfer termokopel adalah:
permukaan
ππ ππ
π· =
1 ππ· +1
Dimana : ο΄ adalah tetapan waktu termokopel
[10]
termometer radiasi
termal
temperatur benda
lebih gas
sensitif
terhadap
khususnya dan
dibandingkan
dalam
temperatur
konduksi
dan
konveksi. Lihat model analog sebuah pengukuran temperatur gas berikut:
Page | 4
energi kinetik terdisispasi menjadi panas maka, temperatur akibat energi kinetik adalah 1
ππ£2
π£2
ππ£ = 2ππΆ = Gambar 14. Model analog listrik dari termometer
[19]
2πΆ
Sehingga temperatur total adalah
untuk pengukuran temperatur gas
Ti = Ts +Tv
Panas yang berpindah dari temperatur gas ke
[20]
Dimana : m adalah massa gas
temperatur termometer adalah sebanding dengan
v adalah kecepatan gas
panas yang berpindah dari temperatur termometer
C adalah panas jenis gas
ke temperatur dinding, maka
Tv adalah temperatur akibat
ππ βπ πβππ€
π
[16]
= π
πΏ
energi
kinetik
π
Ti adalah temperatur total
Dimana : untuk gas,
Ts adalah temperatur statik gas.
π
πΏ = ππ·π π
π
Pada prakteknya gas tidak benar-benar stagnan saat
T adalah temperatur termometer
terjadi tumbukan antara gas dengan termometer
Tw adalah temperatur dinding
maka persamaan di atas menjadi
Tg adalah temperatur gas RL
adalah
hambatan
termal
antara
termal
antara
ππ = ππ +
adalah
hambatan
[21]
2πΆ
Dimana r adalah faktor recovery yang bernilai antara
termometer dan gas RR
ππ£2
0,6 ~ 0,8. Pengaruh kecepatan terhadap kenaikan temperatur
termometer dengan dinding
dapat dilihat dalam gambar berikut
ο₯ adalah emisivitas termometer d adalah diameter termometer Ξ¦
adalah
faktor
yang
tergantung
diameter, kecepatan gas, dan T w (lihat diagram berikut)
Gambar 16. Grafik pengaruh kecepatan gas yang diukur terhadap Kenaikan temperature[1] Kalibrasi[1,2,4,5] Gambar 15. Grafik hubungan Ξ¦ terhadap perkalian kecepatan dengan diameter kawat[1] ππ·π
6.
[17]
Velocity effects[1] Ketika
sebuah
setelah mencapai keadaan steady state) termokopel menggunakan salah satu dari dua metode yaitu pertama
Kesalahan pengukurannya adalah ππ = β 1+ππ·π ππ β ππ€
Pada umumnya kalibrasi statik (pengambilan data kalibrasi
metode kalibrasi menggunakan fixed point cells, yang kedua
adalah metode
membandingkan termometer
digunakan
untuk
perbandingan langsung
output
secara
langsung
yaitu antara
termometer acuan dengan unit under test (UUT) dalam
mengukur temperatur gas dengan kecepatan relatif
media
tinggi maka akan timbul efek pemanasan karena
menginginkan
energi kinetik.
digunakan untuk mengkalibrasi termokopel logam mulia
Energi kinetik gas adalah
(tipe
πΈ=
1 2
ππ£ 2
[18]
isotermal.
S)
Sedangkan
Metode
pertama
dilakukan
jika
akurasi yang lebih baik dan biasanya
dan standar utama laboratorium metode
yang
kedua
kalibrasi.
digunakan
untuk
Diasumsikan pada saat tumbukan gas dengan
mengkalibrasi termokopel standar kerja dan kelas industri.
termometer, kecepatan gas menjadi nol dan semua
Metode fixed point cells
Page | 5
Sebelum dilakukan kalibrasi, termokopel tipe S yang akan
koefisien perpindahan panas dan itu sulit dilaksanakan,
dikalibrasi
maka penentuan tetapan waktu dilakukan dengan kalibrasi
perlu
dipanaskan
dilakukan
sampai
pada
anealing
dengan
temperatur
kemudian dibiarkan selama
cara
maksimumnya
kurang lebih 45
menit
kondisi dinamis. Tidak seperti kalibrasi statis, penentuan tetapan waktu
kemudian didinginkan sampai pada temperatur ruang.
dilakukan dengan cara, alat ukur diberi input step
Kalibrasi termokopel menggunakan Triple point of water
kemudian temperatur termokopel dan waktu di catat (lebih
0
0
(0.01 C), Tin freezing point (231,928 C), Zinc freezing 0
0
point (419,527 C), Aluminium freezing point (660,323 C), Silver freezing point (961.78 0C).
mudah menggunakan sistem akuisisi data otomatis). Dari persamaan [11] didapat 1β
Kalibrasi untuk menentukan emf termokopel berdasarkan temperatur fixed point cells dimana memiliki nilai tegangan tertentu, kemudian dari hasil kalibrasi tersebut dibuat persamaan matematis yang menghubungkan tegangan
π‘ π0 = π βπ ππ
Data tersebut kemudian diplot dalam skala semilogaritmik. π β πΏπππ 1 β
π0 π‘ =β ππ π
dan temperatur.
ππ 1 =β ππ‘ π
πΈ π‘ = π + ππ‘ + ππ‘ 2
Jika Z diplot terhadap waktu akan didapat garis lurus
Dimana a, b dan c adalah konstanta yang akan dicari
dengan slope β 1 π , kemudian tetapan waktu dapat
Metode perbandingan langsung
ditentukan dengan mudah.
Untuk termokopel base metal tidak perlu dilakukan proses anealing. Termometer standar yang akan digunakan adalah
termometer
tahanan
platina
standar
atau
termokopel tipe S yang telah dikalibrasi menggunakan fixed point cells. Data kalibrasi digunakan untuk membuat persamaan πΈπππ β πΈ = π + ππ + ππ 2 dimana Eref diperoleh dari tabel termokopel standar. Sumber-sumber ketidakpastian yang perlu diperhitungkan, yaitu meliputi : 1.
Ketidakpastian termometer acuan berdasarkan setifikat kalibrasi
2.
Ketidakpastian indikator
standar
berdasarkan
sertifikat kalibrasi 3.
Ketidakpastian
Gambar 17. Uji fungsi tangga sistem orde 1[2] Untuk sistem orde 2 tipe nol Solusi atau waktu tanggap
indikator
UUT
berdasarkan
sistem orde 2 tipe nol overdamped terhadap input step
sertifikat kalibrasi
adalah
4.
Ketelitian indikator yang digunakan
ο΄1 dan ο΄2 dapat ditentukan sebagai berikut:
5.
Stabilitas dan uniformity media yang digunakan
6.
Stabilitas dan uniformity media reference junction
percent
incomplete
response
Rpi
ππ
dengan persamaan π
ππ β 1 β π 100 2.
7.
Inhomogenitas termokopel
8.
Standard Error Estimate persamaan regresi
9.
Compensation lead thermovoltage
Tentukan
π
yang digunakan
10. Parasitic
1.
jika
pada skala linear. Kurva akan mengikuti garis lurus untuk t yang besar. Perpanjang garis lurus tadi sampai t = 0, perpontongan garis tersebut
menggunakan
di sumbu Rpi diberi label P1. Kemudian ο΄1 dapat
ekstension wire
ditentukan dari waktu dimana asimptot garis
Tetapan waktu termokopel Sebelumnya telah dibahas tentang pentingnya tetapan waktu dan pengaruhnya terhadap keakuratan pengukuran. Karena pentingnya parameter ini terhadap waktu tanggap dinamik dari sistem pengukuran sedangkan penentuan secara teoritis tidaklah mudah karena harus mengetahui
Plot Rpi pada skala logaritmik versus waktu t
lurus memiliki nilai sebesar 0.368P1. 3.
Plot pada grafik yang sama, kurva perbedaan antara asimptot garis lurus dengan Rpi. Jika kurva tersebut tidak garis lurus maka sistem bukan orde 2. Jika garis lurus maka waktu
Page | 6
dimana
garis
lurus
tersebut
memiliki
nilai
0.368(P1 β 100) adalah ο΄2.
Gambar 18. Uji input tangga sistem orde 2 overdamped[2] Daftar Pustaka 1.
J.V.
Nicholas
and
D.R.
White,
Traceable
Temperaturs: An Introductory Guide to Temperatur Measurement
and
Calibration,
New
Zealand
Departement of Scientific and Industrial Research, Wellington, 1982. 2.
Doebelin,
O.
Ernest.
Measurement
Sistems:
Application and Design, Fourth edition. McGraw-Hill Book Co. 1990. 3.
Y. A. Abdelaziz and F. Edler, A Method for Evaluation of
The
Inhomogeneity
of
Termoelemens,
Measurement Science and Technology 20 (2009) 055102 (9pp). 4.
G. W. Burns and M. G. Scroger, The Calibration of Thermocouples and Thermocouple Materials, NIST Special Publication 250-35, U.S. Departement of Commerce, 1989.
5.
Anonim, Calibration of Thermocouples, Publication reference
EAL-G31,
European
Cooperation
for
Accreditation of laboratories, 1997.
Page | 7