Pengukuran Suhu Menggunakan Termometer Inframerah

SEMINAR LITERATUR

PENGUKURAN SUHU MENGGUNAKAN THERMOMETER INFRA MERAH

ZULFA0503111062

JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS RIAUPEKANBARU

2009

1. PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

Panas dan suhu adalah dua hal yang berbeda. Panas adalah energi total dari gerak

molekular di dalam zat, energi panas bergantung pada kecepatan partikel, jumlah partikel

(ukuran atau massa), dan jenis partikel di dalam sebuah benda. Sedangkan suhu adalah

ukuran energi rata-rata dari gerak molekular di dalam zat. Suhu tidak bergantung pada

ukuran atau jenis benda (Hermans et al, 2005). Secara sederhana suhu didefenisikan

sebagai derajat panas atau dinginnya suatu benda. Hal ini berhubungan dengan seberapa

cepat atom dan molekul zat bergerak. Pada level molekul, temperatur didefenisikan sebagai

energi rata-rata gerak mikroskopik partikel yang menyusun zat (Carpy et al, 2008). Untuk

zat padat, pada prinsipnya gerak mikroskopik ini adalah vibrasi atom unsur utama substansi

yang tempatnya dalam zat padat. Untuk gas monoatomik, gerak mikroskopik adalah gerak

translasi unsur partikel gas. Pada gas multi-atomik, gerak mikroskopiknya adalah gerak

vibrasi dan translasi. Selama energi panas diterima objek, energi rata-rata dari gerak

mikroskopik ini meningkat. Makin tinggi energi atom-atom penyusun benda, makin tinggi

suhu benda tersebut (Taylor, 2008).

Radiasi infra merah merupakan bagian dari spektrum elektromagnetik. Range infra

merah diantara cahaya tampak dan gelombang radio. Panjang gelombang infra merah

biasanya dinyatakan dalam mikron, dengan sepektrum infra merah diantara 0.7-1000

mikron. Hanya 0.7-14 micron yang digunakan untuk pengukuran temperatur menggunakan

infra merah. Radiasi infra merah tidak bisa dilihat, namun manusia bisa merasakannya

sebagai panas (Michaud, 1999). Masing-masing benda dengan temperatur diatas nol

absolut (-273.15°C = 0 Kelvin) memancarkan radiasi elektromagnetik dari permukaannya.

Dimana radiasi ini sebanding dengan temperatur intrinsik. Bagian dari temperatur intrinsik

ini adalah radiasi infra merah yang kemudian bisa digunakan untuk mengukur temperatur

benda (Raleigh, 2008).

Pengukuran suhu dapat dilakukan menggunakan sensor. Sensor yang digunakan untuk

mengukur suhu terbagi dua yakni sensor kontak dan sensor non-kontak. Beberapa sensor

kontak adalah termokopel, termistor, dan RTDs. Salah satu sensor non-kontak adalah

termometer infra merah. Alat ini mengukur panas (energi infra merah) dari objek dengan

memfokuskan energi ini melalui sistem optik menggunakan detektor. Signal dari detektor

kemudian disajikan dalam suhu setelah melalui serangkaian proses.

Termometer infra merah menawarkan keuntungan yakni kemampuannya

menentukan temperatur objek tanpa kontak fisik sehingga sistem pengukurannya tidak

terkontaminasi, dan rusak. Banyak penggunaan teknologi ini yang berhubungan dengan

industri yakni memberikan keuntungan pada pencatat temperatur dalam situasi dimana

objek tidak bisa dicapai atau bergerak, dimana kontak tidak mungkin dilakukan karena

temperatur terlalu tinggi atau dibawah pengaruh listrik (Fullam, 2008).

1.2. Tujuan

Tujuan penulisan makalah ini dimaksud untuk mengetahui bagaimana pengukuran

suhu menggunakan termometer infra merah.

1.3. Batasan Masalah

Untuk mengarahkan penulisan pada makalah ini, permasalahan yang dibahas dibatasi,

yakni hanya membahas bagaimana pengukuran suhu menggunakan termometer infra merah

dengan memanfaatkan infra merah yang dipancarkan objek.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Radiasi Termal

Konsep dari radiasi termal agak berdasar pada intuisi. Apa yang dirasakan sebagai

panas dari objek, tanpa menyentuh objek itulah radiasi termal. Benda apa saja yang

suhunya diatas nol absolut, akan memiliki energi termal yang berhubungan hanya dengan

suhunya sendiri dan akan meradiasi bagian dari energi termal ini sebagai energi infra

merah. Defenisi formal untuk radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang

dipancarkan dari permukaan sebuah objek yang bergantung pada temperatur objek. Radiasi

termal dihasilkan ketika energi panas dari partikel bermuatan yang bergerak dalam atom

pada objek diubah menjadi radiasi elektromagnetik pada permukaan benda. Frekuensi dari

gelombang yang dipancarkan radiasi termal adalah suatu kemungkinan yang hanya

tergantung pada temperatur benda. Untuk benda hitam, hal ini diberikan oleh hukum radiasi

Plank. Hukum Wien menjelaskan tentang frekuensi radiasi yang dipancarkan, dan hukum

Stefan-Boltzman menjelaskan tentang intensitas panas (Taylor, 2008).

Radiasi termal, tetap pada suhu khusus, terjadi melebihi rentang frekuensi atau panjang

gelombang yang lebar. Seberapa banyak pada masing-masing panjang gelombang diberikan

oleh hukum radiasi Plank yang menyatakan,

………………………………………………………………….1

Dimana:

Radiasi benda hitam yang dipancarkan pada temperatur T, ºK

Konstanta Plank pertama 3.17x10-16 Wm2

Konstanta Plank kedua 1.4388x10-2mK

Panjang gelombang utama akan meningkat seiring dengan peningkatan suhu.

Hubungan ini diberikan oleh hukum wien, sebuah penyederhanaan hukum plank dan

memberikan harga puncak emisi energi.

Dari Hukum pergeseran Wien dapat diketahui bahwa puncak pemancaran energi

bergerak ke panjang gelombang pendek selama kenaikan temperatur. Wien

menyederhanakan Hukum Plank dengan mengeleminasi -1 untuk menghasilkan persamaan,

……………………………………………………………………..2

Kurva pancaran energi pada suhu yang berbeda-beda telah dihitung dari Hukum

Radiasi Plank.

Gambar 2. Kurva Plank.

Panjang gelombang dimana energi puncak terjadi untuk suhu objek benda hitam bisa

ditentukan oleh hukum perpindahan Wien:

…………………………………………………………………………………3

Dimana:

Panjang gelombang dimana energi puncak, m

Konstanta perpindahan Wien, 2.87768x10-3mK

Temperatur benda hitam, K

Formula ini sangat berguna dalam memprediksi panjang gelombang dimana puncak

energi akan terjadi untuk sembarang suhu target yang diberikan.

2.2. Radiasi Elektromagnetik

Radiasi elektromagnetik adalah rambatan gelombang dalam ruang dengan komponen

listrik dan magnet. Radiasi elektromagnetik dikelompokkan berdasarkan frekuensi

gelombang yakni: gelombang radio, gelombang mikro, radiasi infra merah, cahaya tampak,

radisi ultraviolet, sinar X, sinar gamma.

Gambar 3. Radiasi Elektromagnetik.

Panjang gelombang elektromagnetik tergantung pada frekuensi dimana,

…………………………………………………………………………………4

Dimana:

frekuensi, Hz

c = kecepatan cahaya, m/s

λ = panjang gelombang, m

Termometer infra merah menentukan suhu dengan mengukur energi elektromagnetik

yang dipancarkan objek. Sembarang objek yang temperaturnya diatas nol absolut

mempunyai kemampuan meradiasi energi elektromagnetik yang akan merambat melewati

ruang dalam kecepatan cahaya (Taylor, 2008).

2.3. Spektrum Elektromagnetik

Spektrum adalah intensitas campuran dari gelombang elektromagnetik sebagai fungsi

panjang gelombang atau frekuensi. Semua tipe radiasi elektromagnetik mengikuti prinsip

difraksi, refraksi, dan polarisasi. Radiasi Infra merah mencakup bagian terbatas dari

spektrum elektromagnetik, yakni dari range cahaya tampak 0.78 µm sampai 14 µm yang

berguna dalam pengukuran suhu. Diatas panjang gelombang ini level energi sangat rendah,

dimana detektor tidak cukup peka untuk mendeteksi (Raleigh, 2008).

Gambar 1. Spektrum Elektromagnetik, dengan range 0.7-14 µm.

Termometer infra merah dibuat untuk merespon panjang gelombang dalam spektrum

infra merah. Hampir semua pancaran infra merah tidak terlihat oleh mata. Hal ini bisa

diatasi dengan pemfokusan yang dilakukan dengan menggunakan sistem optik pada

detektor dalam termometer infra merah (Taylor, 2008).

2.4. Absorpsi, Transmisi, dan Refleksi

Ketika energi infra merah diradiasi objek mengenai objek lain, satu bagian dari energi

yang diterima akan diserap, satu bagian akan direfleksikan, dan jika objek tidak opak maka

akan ada satu bagian yang diteruskan. Jumlah total dari ketiga komponen ini selalu harus

berjumlah harga awal radiasi yang meninggalkan sumber.

Jika a, r dan t adalah absorpsi, refleksi, dan transmisi dari objek, maka,

……………………………………………………………………………5

Gambar 4. Absorpsi, Transmisi, dan Refleksi.

2.5. Benda Hitam

Benda yang secara keseluruhan non-reflective dan buram akan menyerap energi radiasi

yang diterima permukaan benda itu. Tipe benda ini adalah absorber sempurna dan akan

menjadi pemancar sempurna radiasi infra merah yang biasa disebut benda hitam. Perlu

diingat bahwa benda hitam adalah alat secara teori, dimana tidaklah sama dengan hitam

pada warna. Di lapangan, ditemukan bahwa permukan benda bukan absorber sempurna dan

cenderung untuk memancarkan dan merefleksikan energi infra merah. Objek non-benda

hitam akan menyerap energi lebih sedikit dibanding benda hitam pada kondisi yang sama.

Karena itu objek non-benda hitam akan meradiasi lebih sedikit energi infra merah

meskipun pada temperatur yang sama. Pemahaman akan kemampuan permukaan untuk

meradiasi energi infra merah sangat penting untuk mencapai pengukuran akurat dengan

termometer infra merah (Taylor, 2008).

2.6. Emisivitas

Emisivitas adalah perbandingan antara energi yang diradiasi oleh material terhadap

energi yang diradiasi benda hitam pada temperatur yang sama. Ini berhubungan dengan

mengukur kemampuan material untuk menyerap dan meradiasi energi. Benda hitam

sesungguhnya memiliki ε = 1 sedangkan benda nyata memiliki ε < 1. Gambar 5

menunjukkan mengapa benda bukan merupakan pemancar infra merah yang sempurna.

Selama energi internal objek bergerak ke arah permukaan, satu bagian akan direfleksikan

ke dalam, dan refleksi energi internal ini tidak akan pernah meninggalkan alat radiatif.

Gambar 5. Refleksi Internal.

Emisivitas merupakan nilai numerik dan tidak memiliki satuan.

ε =

Kemampuan benda untuk memancarkan energi infra merah tergantung pada beberapa

faktor, yakni jenis material, kondisi permukaan, panjang gelombang, dan temperatur.

Faktor-faktor ini memiliki pengaruh emisivitas untuk variasi besar. Harga emisivitas untuk

objek adalah ekspresi kemampuannya untuk meradiasikan energi infra merah. Tabel berikut

memberikan harga emisivitas untuk beberapa material.

Tabel 1. Harga Emisivitas untuk beberapa material.

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi emisivitas material. Perlu diketahui bagaimana

pengaruh faktor-faktor ini pada harga emisivitas:

Panjang Gelombang

Emisivitas logam berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Material non-logam

emisivitasnya cenderung meningkat seiring peningkatan panjang gelombang. Material semi

tembus cahaya seperti film plastik menunjukkan variasi yang tajam dengan panjang

gelombang.

Kondisi Permukaan

Pada kasus material logam, emisivitas akan menurun dengan pengkilapan dan akan

meningkat dengan kekesatan atau kekasaran permukaan dan kadar oksidasi. Logam yang

menjadi bahan dalam proses industri, sebagai contoh baja biasanya memiliki lapisan oksida

berat dan memiliki emisivitas tinggi dan stabil. Material yang memiliki lapisan oksida yang

tipis seperti logam ringan (bright metals) bisa memiliki emisivitas yang bergantung pada

ketebalan oksida. Pada panjang gelombang yang panjang lapisan oksida menjadi jelas dan

termometer mengukur permukaan metal non-oksida.

Temperatur

Emisivitas akan selalu berubah terhadap temperatur jika sifat permukaan material

berubah. Sebagai contoh, jika lapisan menjadi berkilau atau menjadi suram (Taylor, 2008).

Efek Emisivitas Pada Pengukuran Temperatur

Karena termometer inframerah dikalibrasi terhadap sumber radiasi benda hitam,

termometer infra merah akan selalu terbaca salah ketika mengukur suhu target dengan

emisivitas kecil dari 1.0. Penyesuaian emisivitas secara normal diperlukan pada

termometer, dimana ketika pengaturan harga emisivitas target, akan mengimbangi karena

sifat non-benda hitam dan memungkinkan suhu yang tepat untuk kemudian diukur. Untuk

menghasilkan pengukuran suhu yang akurat dan terpercaya adalah penting untuk

mengetahui emisivitas material target (Raleigh, 2008).

3. PEMBAHASAN

3.1. Aliran Sistem Pengukuran Infra Merah

Termometer infra merah bisa dianalogikan dengan mata manusia. Lensa mata

merepresentasikan optik dimana radiasi (aliran foton) dari objek menyentuh lapisan

fotosensitif (retina) via atmosfer untuk kemudian diubah menjadi signal untuk dikirim ke

otak. Gambar 7 menunjukkan aliran proses sistem pengukuran inframerah.

Gambar 7. Sistem Pengukuran Inframerah.

3.1.1. Optik atau Window

Sistem optik Termometer inframerah menangkap energi inframerah yang

dipancarkan objek melalui circular measurement spot dan memfokuskannya pada detektor.

Target harus menempati spot ini, jika tidak, termometer inframerah akan “melihat” radiasi

temperatur yang lain dari lingkungan sehingga nilai pengukuran menjadi tidak akurat.

Resolusi optik didefenisikan sebagai hubungan antara jarak alat ukur dalam hal ini

termometer inframerah dari target dan diameter spot (D:S).

Gambar 9. Perbandingan Spot dan Terget untuk pengukuran.

3.1.2 Detektor

Bentuk Detektor merupakan inti dari termometer inframerah. Detektor mengubah

radiasi inframerah yang diterima menjadi signal listrik, yang kemudian dipancarkan sebagai

nilai temperatur oleh sistem elektronik. Detektor inframerah dibagi menjadi 2 kelompok

utama yakni detektor Quantum (foton detector) dan detektor termal.

Detektor termal mengubah temperatur tergantung pada radiasi tumbukan (Klaus et al,

2007). Pada detektor termal peristiwa radiasi diserap sebagai panas, kenaikan temperatur

hasil menghasilkan signal keluaran yang menyerap semua panjang gelombang, respon

spektral menjadi terbatas oleh tranmisi ke sistem optik. Karena operasi tergantung pada

pencapaian keseimbangan temperatur, jumlah radiasi terbatas diperlukan tergantung pada

massa termal. Respon cepat membutuhkan konstruksi tipis dan adalah tidak mudah untuk

membuat detektor dengan respon waktu kecil dari 100 ms. Menentukan perbedaan antara

detektor quantum dengan detektor termal adalah reaksi cepat pada radiasi yang diserap.

Cara operasi detektor quantum berdasarkan efek foto. Foton tertahan dari radiasi

inframerah menuju peningkatan elektron ke level energi tinggi didalam material

semikonduktor. Temperatur elemen sensitif pada detektor termal berubah relatif lambat.

Konstanta waktu detektor termal biasanya besar daripada konstanta waktu detektor

quantum (Taylor, 2008).

3.2. Konstruksi dan Operasi Termometer Inframerah

Gambar berikut merupakan konstruksi umum Thermometer Inframerah.

Gambar 8. Diagram Blok Thermometer Inframerah.

4. KESIMPULAN

Termometer inframerah merupakan salah satu sensor non-kontak yang digunakan untuk

mengukur suhu. Setiap benda diatas nol absout akan memancarkan radiasi infra merah.

Range infra merah yang digunakan dalam pengukuran adalah 0.78 µm-14 µm. Diatas

panjang gelombang ini level energi sangat rendah, dimana detektor tidak cukup peka untuk

mendeteksi. Termometer inframerah bekerja dengan mengukur energi infra merah yang

dipancarkan objek. Dengan mengukur energi infra merah yang dipancarkan objek, melalui

serangkain proses maka suhu objek itu bisa diketahui.

DAFTAR PUSTAKA

Carpy, A. Martha, M, (2008), Temperature,

http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=48

Fullam, B (2008), INFRARED THERMOMETERS, THEORY AND

CONSTRUCTION, http://72.14.235.132/search?

q=cache:omq4IFvxRekJ:www.mikroninfrared.co

m/assets/0/32/82/c5ef3e99d7ee4358ae1e40e9693650de.pdf+construction+of+IR+th

ermometer&hl=en&ct=clnk&cd=1&client=opera

Herman, L, Dou, D, (2006), Temperature,

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/temper.html

Michaud, P (1999), Infrared Radiation-Warmth From The Cold of Space,

http://www.gemini.edu/public/infrared.html,

Raleigh (2008), Basics of noncontacs temperature measurement,

http://www.micro-epsilon.com/staticcontent/PDF/optris/optris--basics-infrared-

temperature-measurement--en.pdf

Taylor, J (2008), Infrared Training Notes,

http://www.landinst.com/infrared/downloads/pdf/InfraredTrainingNotesLevel1.pdf

Taylor, J (2008), Infrared Training Notes Level 2 Process Imaging

http://www.landinst.com/infrared/downloads/pdf/Level2_TrainingNotes.pdf

Principles of Noncontact Temperature Measurement,

http://support.fluke.com/rayteksales/Download/Asset/9250315_ENG_A_W.PDF

Emissivity of Most Common Materials,

http://www.raytek.com/Raytek/en-r0/IREducation/Emissivity.htm

Temperature sensors type,

http://www.temperatures.com/sensors.html

What is Temperature,

http://www.weatherwizkids.com/temperature.htm

Key Elements of Correct Infrared Temperature Measurement,

http://www.raytek.com/Raytek/en-r0/IREducation/AccurateMeasurement.htm

What is Sensor Technology?,

http://www.dcu.ie/~best/st.htm

Noncontacs sensors,

http://www.tycoelectronics.com/documentation/whitepapers/pdf/eDigest-Non-

Contact_Sensors_Technology_Overview.pdf

REKOMENDASI…

DALAMI DAN PELAJARI,

1. MENGAPA DISEBUT TERMOMETER INFRAMERAH?

2. BEDA SENSOR DENGAN DETEKTOR?

3. KONSTRUKSI DAN OPERASI IRT?

4. KURVA PLANK?

5. BENDA HITAM?

6. DETEKTOR UNTUK IRT?

7. EMISIVITAS DAN PENGARUHNYA?

[email protected] (Ym)

[email protected]