Kata Pengantar Puji dan syukur senantiasa kami panjatkan ke hadirat Allah SWT, Karena atas karunia dan rahmat-Nya serta dengan diiringi dengan usaha yang kami lakukan, kami dapat menyelesaikan makalah kami yang berjudul “Pengukuran Suhu Efek Listrik“. Makalah ini kami susun sesuai dengan materi yang dipelajari pada modul mata kuliah instrumentasi dan pengukuran. Pada makalah ini kami akan membahas pokok pembahasan Pengukuran Suhu Efek Listrik yang terdiri dari : Termometer Tahanan Listrik, Termistor dan Termokopel. Serta akan dibahas aplikasi dari masing- masing sub-bab pembahasan yang ada dalam kehidupan sehari- hari kita terutama mengenai aplikasi elektronika dikehidupan kita dan juga rumus dari masing-masing pokok pembahasan. Kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu kami untuk menyelesaikan makalah ini dengan tepat pada waktunya. Semoga apa yang telah kami tulis mengenai “Pengukuran Suhu Efek Listrik” dapat bermanfaat bagi kita semua kedepannya. Sebelumnya, kami mengucapkan mohon maaf apabila tulisan pada makalah kami ini terdapat kesalahan, karena manusia tidak akan luput dari kesalahan walaupun manusia itu selalu berusaha dan mencoba untuk menjadi Instrumentasi dan Pengukuran Page 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Kata Pengantar
Puji dan syukur senantiasa kami panjatkan ke hadirat Allah SWT, Karena
atas karunia dan rahmat-Nya serta dengan diiringi dengan usaha yang kami
lakukan, kami dapat menyelesaikan makalah kami yang berjudul “Pengukuran
Suhu Efek Listrik“.
Makalah ini kami susun sesuai dengan materi yang dipelajari pada modul
mata kuliah instrumentasi dan pengukuran. Pada makalah ini kami akan
membahas pokok pembahasan Pengukuran Suhu Efek Listrik yang terdiri dari :
Termometer Tahanan Listrik, Termistor dan Termokopel. Serta akan dibahas
aplikasi dari masing-masing sub-bab pembahasan yang ada dalam kehidupan
sehari- hari kita terutama mengenai aplikasi elektronika dikehidupan kita dan juga
rumus dari masing-masing pokok pembahasan.
Kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu
kami untuk menyelesaikan makalah ini dengan tepat pada waktunya. Semoga apa
yang telah kami tulis mengenai “Pengukuran Suhu Efek Listrik” dapat bermanfaat
bagi kita semua kedepannya. Sebelumnya, kami mengucapkan mohon maaf
apabila tulisan pada makalah kami ini terdapat kesalahan, karena manusia tidak
akan luput dari kesalahan walaupun manusia itu selalu berusaha dan mencoba
untuk menjadi seseorang yang sempurna karena kesempurnaan itu hanyalah milik
Allah SWT.
Tim Penyusun
M. Fachry Reza – Nur Wahida Rahmadhani
Instrumentasi dan Pengukuran Page 1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada zaman seka rang banyak s eka l i a l a t - a l a t yang
d igunakan un tuk mengukur ba ik suhu , t ekanan , maupun
l a i nnya . D i s in i kami akan men j e l a skan baga imana
pengukuran suhu s eca ra e f ek l i s t r i k , ba ik da r i penge r t i an ,
maupun da r i p r i n s ip ke r j a dan ap l i ka s i da r i a l a t - a l a t nya .
Pengukuran suhu ca i r an dan ga s me rupakan s a l ah s a tu ha l
yang pa l i ng umum d ip rose s i ndus t r i . A l a t pengukuran
ada l ah sua tu a l a t yang dapa t mende t eks i kebe radaan sua tu
f enomena a l am dan mengukurnya dalam suatu kuantitas fisik dan
mengubahnya menjadi suatu sinyal yang dapat dibaca oleh pengamat atau
alat tertentu. Begitu banyaknya besaran fisik yang dapat diamati
dari sekian banyak fenomena alam yang ada di dunia ini, maka
ada begitu banyak sensor yang diciptakan dan ditemukan oleh
manusia, masing-masing spesifik untuk jenis besaran dan objek
yang diukurnya.
1.2 Tujuan
Menjelaskan mengenai pengertian pengukuran suhu efek listrik.
Menjelaskan aplikasi pengukuran suhu efek listrik dalam
kehidupan sehari- hari.
Instrumentasi dan Pengukuran Page 2
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 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.
2.2 Macam – Macam Alat Pengukuran Suhu Efek Listrik
Klasifikasi transduser yang melakukan pengukuran ini pada dasarnya
terdiri dari 3 tipe yaitu termometer tahanan listrik, termistor dan termokopel.
Pada pokok bahasan ini akan diberikan prinsip-prinsip kerja dan informasi
aplikasi dari ketiga transduser ini :
1. Termometer Tahanan Listrik / RTD (Resistance Temperature
Detectors)
Termometer Hambatan Listrik adalah sebuah sensor suhu yang
merasakan suhu dengan perubahan besarnya arus, tegangan dan elemen
hambatan listrik yang bervariasi pada benda yang diukur. Termometer
Hambatan Listrik digunakan untuk membuat pengukuran suhu yang
akurat. Termometer Hambatan Listrik menggunakan logam
karena Logam akan bertambah besar hambatannya terhadap arus listrik
jika panasnya bertambah. Logam dapat dikatakan sebagai muatan
positif yang berada di dalam elektron yang bergerak bebas. Jika suhu
bertambah, elektron-elektron tersebut akan bergetar dan getarannya
semakin besar seiring dengan naiknya suhu. Dengan besarnya getaran
tersebut, maka gerakan elektron akan terhambat dan menyebabkan nilai
hambatan dari logam tersebut bertambah. Platinum adalah logam yang
Instrumentasi dan Pengukuran Page 3
paling sering digunakan untuk Termometer Hambatan Listrik karena
stabilitasnya dan daya yang tidak berubah drastis dengan tegangan.
Hambatan listrik dari logam akan bertambah apabila suhu logam
naik. Sifat ini yang dipakai sebagai dasar kerja termometer hambatan
listrik. Jika termometer hambatan listrik berbentuk kawat halus yang
panjang, biasanya kawat itu dililitkan pada kerangka tipis untuk
menghindari regangan berlebihan ketika kawat mengerut pada waktu
dingin. Dalam keadaan khusus, kawat itu dapat dililitkan pada atau
dimasukkan dalam bahan yang suhunya akan diukur. Dalam kisaran
suhu rendah, termometer hambatan sering kali terdiri atas hambatan
radio dan terbuat dari komposisi karbon dan kristal germanium yang
didoping dengan arsenik dan dimasukkan dalam kapsul tertutup berisi
helium.
Termometer tahanan listrik berdasarkan perubahan tahanan listrik
suatu logam terhadap perubahan temperature, umumnya bila suatu
logam dipanaskan maka tahanan listriknya akan naik sesuai dengan
temperaturnya menurut hubungan. Konstruksinya seperti pada gambar
v-11, terdiri dari elemen perasa berupa filament listrik diselubungi oleh
sebuah pelindung. Sebagai filament listrik yang baik umumnya
digunakan platina, tembaga dan karbon. Bahan tahanan harus
mempunyai sifat :
1. penghantar panas
2. induktansi minimum
3. tidak tedapat tegangan listrik fisik
4. homogn
Termometer ini lalu ditempelkan pada permukaan zat yang
suhunya akan diukur. Biasanya hambatan diukur dengan
mempertahankan arus tetap yang besarnya diketahui dalam termometer
itu dan mengukur beda potensial kedua ujung hambatan dengan
pertolongan potensiometer yang sangat peka.
Instrumentasi dan Pengukuran Page 4
Termometer jenis ini juga berfungsi berfungsi untuk mengubah
suhu menjadi resistansi atau hambatan listrik yang sebanding dengan
perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar.
RTD terbuat dari sebuah kumparan kawat platinum pada papan
pembentuk dari bahan isolator. RTD dapat digunakan sebagai sensor
suhu yang mempunyai ketelitian 0,03 0C dibawah 5000C dan 0,1 0C
diatas 10000C.
Konstruksi RTD bahan platinum:
RTD terpasang pada permukaan logam:
Hubungan antara resistansi dan suhu penghantar logam
merupakan perbandingan linear. Resistansi bertambah sebanding
Instrumentasi dan Pengukuran Page 5
dengan perubahan suhu padanya. Besar resistansinya dapat ditentukan
berdasarkan rumus :
Besar resistansi pada suhu tertentu dapat diketahui dengan rumus:
Keterangan :
R1 = resistansi pada suhu awal
R2 = resistansi pada suhu tertentu
Untuk menghasilkan tegangan keluaran dapat diperoleh dengan
mengalirkan arus konstan melalui RTD atau dengan memasangnya pada
salah satu lengan jembatan wheatstone.
Gambar rangkaian jembatan wheatstone dengan RTD:
Persamaan rangkaian jembatan wheatstone:
Instrumentasi dan Pengukuran Page 6
Prinsip kerja rangkaian: Bila RTD berada pada suhu kamar maka
beda potensial jembatan adalah 0 Volt. Keadaan ini disebut keadaan
setimbang. Bila suhu RTD berubah maka resistansinya juga berubah
sehingga jembatan tidak dalam kondisi setimbang. Hal ini
menyebabkan adanya beda potensial antara titik A dan B. Begitu juga
yang berlaku pada keluaran penguat diferensial.
Amplifier diferensial (penguat diferensial) menggunakan IC op-
amp yang berfungsi untuk menguatkan tegangan keluaran dari
rangkaian jembatan menjadi tegangan yang lebih besar. Jika rangkaian
jembatan pada posisi setimbang maka pada titik A dan B mempunyai
tegangan dan arus yang sama.
2. Termistor
Termistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang
berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperature
yang tinggi (William D.Cooper,1999). Nama Thermistor berasal
dariThermally Sensitive Resistor.Thermistor memiliki prinsip kerja
memberikan perubahan resistansi terhadap perubahan suhu. Thermistor
terdiri dari 2 jenis yaitu PTC(Positive Temperature Coefficient)dan
NTC(Negative Temperature Coefficieent). Pada thermistor jenis PTC,
nilai resistansi berbanding senilai terhadap perubahan suhu.Sedangkan
pada NTC, nilai resistansi berbanding terbalik terhadap nilai perubahan
suhu.Thermistor PTC terbuat dari material Kristal tunggal sedangkan
Thermistor NTC terbuat dari material logam oksida.Hal inilah yang
menyebabkan tipe NTC lebih banyak tersedia di pasaran.
Beberapa Karakteristik dari Thermistor diantaranya:
Nilai resistansi tinggi dengan kisaran 30 ohm hingga 41.5Kohm
Instrumentasi dan Pengukuran Page 7
Respon waktu terhadap suhu cepat sekitar ½ detik
Sensitivitas sangat tinggi
Perubahan resistansi besar
Harga Relatif murah
Termometer dengan jenis ini erfungsi untuk mengubah suhu
menjadi resistansi/hambatan listrik yang berbanding terbalik dengan
perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin kecil resistansi.
Simbol Termistor :
Konstruksi Thermistor tipe GM102 :
Termistor dibentuk dari bahan oksida logam campuran, kromium,
kobalt, tembaga, besi atau nikel. Berikut adalah jenis termistor dengan
berdasarkan ukuran dan penggunaannya ;.
a. Bentuk termistor : Butiran, Digunakan pada suhu > 7000C dan
memiliki nilai resistansi 100 Ω hingga 1 MΩ.
b. Bentuk termistor : Keping, Digunakan dengan cara direkatkan
langsung pada benda yang diukur panasnya.
c. Bentuk termistor : Batang, Digunakan untuk memantau perubahan
panas pada peralatan elektronik, mempunyai resistansi tinggi dan
disipasi dayanya sedang. Thermistor dibuat sekecil-kecilnya agar
mencapai kecepatan tanggapan (respon time) yang baik.
Instrumentasi dan Pengukuran Page 8
Pemakaian thermistor didasarkan pada tiga karakteristik dasar, yaitu:
a. Karakteristik R (resistansi) terhadap T (suhu)
b. Karakteristik R (resistansi) terhadap t (waktu)
c. Karakteristik V (tegangan) terhadap I (arus)
Grafik hubungan antara resistansi terhadap suhu thermistor :
Cara kerja rangkaian:
Saat temperatur masih dingin hambatan thermistor sangat besar
dibandingkan dengan R2, sehingga transistor dalam kondisi menghantar
lalu rele kontak (terhubung) dan heater (pemanas) menghasilkan panas.
Akan tetapi, ketika ruangan menjadi panas, thermistor juga ikut panas
sehingga hambatannya turun. Hambatan paralel thermistor dengan R2
menjadi kecil, sehingga tegangan bias Tr juga kecil, mengakibatkan Tr
dalam kondisi cut off, rele tidak kontak dan heater tidak bekerja.
Akibatnya, suhu ruangan turun. Demikian seterusnya proses akan
berulang dari awal dan suhu ruangan menjadi konstan.
Instrumentasi dan Pengukuran Page 9
3. Termokopel
Prinsip kerja termokopel secara sederhana berupa dua buah kabel
dari jenis logam yang berbeda ujungnya, hanya ujungnya saja,
disatukan (dilas). Titik penyatuan ini disebut hot junction. Prinsip
kerjanya memanfaatkan karakteristik hubungan antara tegangan (volt)
dengan temperatur. Setiap jenis logam, pada temperatur tertentu
memiliki tegangan tertentu pula. Pada temperatur yang sama, logam A
memiliki tegangan yang berbeda dengan logam B, terjadilah perbedaan
tegangan (kecil sekali, miliVolt) yang dapat dideteksi.
Jika sebuah batang logam dipanaskan pada salah satu ujungnya
maka pada ujung tersebut elektron-elektron dalam logam akan bergerak
semakin aktif dan akan menempati ruang yang semakin luas, elektron-
elektron saling desak dan bergerak ke arah ujung batang yang tidak
dipanaskan. Dengan demikian pada ujung batang yang dipanaskan akan
terjadi muatan positif.
Kerapatan electron untuk setiap bahan logam berbeda tergantung
dari jenis logam. Jika dua batang logam disatukan salah satu ujungnya,
dan kemudian dipanaskan, maka elektron dari batang logam yang
memiliki kepadatan tinggi akan bergerak ke batang yang kepadatan
elektronnya rendah, dengan demikian terjadilah perbedaan tegangan
diantara ujung kedua batang logam yang tidak disatukan atau
dipanaskan. Besarnya termolistrik atau gem ( gaya electromagnet )
mengalir dari titik hot-juction ke cold-junction atau sebaliknya. Setelah
terdeteksi perbedaan tegangan (volt). Beda tegangan ini linear dengan
perubahan arus, sehingga nilai arus ini bisa dikonversi kedalam bentuk
tampilan display. Sebelum dikonversi, nilai arus di komparasi dengan
nilai acuan dan nilai offset di bagian komparator, fungsinya untuk
menerjemahkan setiap satuan amper ke dalam satuan volt kemudian
dijadikan besaran temperatur yang ditampilkan melalui layar/monitor
Instrumentasi dan Pengukuran Page 10
berupa seven segmen yang menunjukkan temperatur yang dideteksi
oleh termokopel.
3.1 Hubungan Suhu dan Tegangan pada Termokopel
Hubungan antara perbedaan suhu dengan tegangan yang
dihasilkan termokopel bukan merupakan fungsi linier melainkan
fungsi interpolasi polinomial. Namun demikian, untuk pengukuran
suhu yang lebih kecil perubahan tegangan relative linear. Secara
matematis ditunjukkan sebagai berikut:
V= α(T1-Tref)
Dimana:
V = TeganganUkur
T1 = suhu ukur(K)
Tref = suhu referensi (K)
α = koefisien seebek
3.2 Berbagai Sifat dan Tipe Termokopel
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 nilaiS akan bersifat non-linear di
atas rentang tegangan dari termokopel tersebut.
Instrumentasi dan Pengukuran Page 11
Termokopel diberi tanda dengan hurup besar yang
mengindikasikan komposisinya berdasar pada aturan American
National Standard Institute (ANSI), seperti dibawah ini :
Tabel Sifat dari beberapa tipe termokopel pada 250C ;
Tipe Material( + dan -)Temp.Kerja
(0C)
Sensitivitas
(µV/0C)
E Ni-Cr dan Cu-Ni -270 ~ 1000 60.9
J Fe dan Cu-Ni -210 ~ 1200 51.7
K Ni-Cr dan Ni-Al -270 ~ 1350 40.6
T Cu dan Cu-Ni -270 ~ 400 40.6
RPt dan Pt(87%)-
Rh(13%)-50 ~ 1750 6
SPt dan Pt(90%)-
Rh(10%)-50 ~ 1750 6
B
Pt(70%)-
h(30%)dan
Pt(94%)-Rh(6%)
-50 ~ 1750 6
Tipe-Tipe Termokopel
Tersedia beberapa jenis termokopel tergantung aplikasi penggunaannya,
yaitu :
1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)
Termokopel untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk
rentang suhu −200 °C hingga +1200 °C.
2. Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy)
Tipe E memiliki output yang besar (68 µV/°C) membuatnya cocok
digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah
tipe non magnetik.
Instrumentasi dan Pengukuran Page 12
3. Tipe J (Iron / Constantan)
Rentangnya terbatas (−40 hingga +750 °C) membuatnya kurang
populer dibanding tipe K.
4. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 µV/°C
5. 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 1200 °C. Sensitifitasnya sekitar 39 µV/°C
pada 900 °C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan
tipe K.
Termokopel tipe B, R, dan S adalah termokopel logam mulia
yang memiliki karakteristik yang hampir sama. Mereka adalah
termokopel yang paling stabil, tetapi karena sensitifitasnya rendah
(sekitar 10 µV/°C) mereka biasanya hanya digunakan untuk mengukur
temperatur tinggi (>300 °C).
1. Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh)
Cocok mengukur suhu di atas 1800 °C. Tipe B memberi output
yang sama pada suhu 0 °C hingga 42 °C sehingga tidak dapat
dipakai di bawah suhu 50 °C.
2. Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium)
Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10
µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai
untuk tujuan umum.
3. Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium)
Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10
µV/°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 (1064.43 °C).
4. Type T (Copper / Constantan)
Cocok untuk pengukuran antara −200 to 350 °C. Konduktor positif
terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari constantan.
Instrumentasi dan Pengukuran Page 13
Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian
kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 µV/°C
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.
Berfungsi sebagai sensor suhu rendah dan tinggi, yaitu suhu
serendah 3000F sampai dengan suhu tinggi yang digunakan pada proses
industri baja, gelas dan keramik yang lebih dari 30000F. Thermokopel
dibentuk dari dua buah penghantar yang berbeda jenisnya (besi dan
konstantan) dan dililit bersama.
3.3 Prinsip Kerja
Jika salah satu bagian pangkal lilitan dipanasi, maka pada
kedua ujung penghantar yang lain akan muncul beda potensial
(emf). Thermokopel ditemukan oleh Thomas Johan Seebeck tahun
1820 dan dikenal dengan Efek Seebeck.
Efek Seebeck:
Sebuah rangkaian termokopel sederhana dibentuk oleh 2
buah penghantar yang berbeda jenis (besi dan konstantan), dililit
bersama-sama. Salah satu ujung T merupakan measuring junction
dan ujung yang lain sebagai reference junction. Reference junction