TUGAS MATA KULIAH SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA JENIS-JENIS
SENSOR SUHU, KALIBRASI, CONTOH RANGKAIAN, CARA KERJA DAN FUNGSINYA
Dosen: Bp. Iwan Hermawan, Ir.
Disusun oleh: Irfan Irawan: 11221718
S1 FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK TELEKOMUNIKASI ISTN
CIKINI SEMESTER GANJIL 2011/2012
A. JENIS-JENIS SENSOR SUHU DAN FUNGSINYA Berfungsi untuk
mengubah temperatur/suhu menjadi beda potensial listrik.
Jenis-jenis sensor suhu: 1. Thermokopel 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.
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 dijaga pada suhu konstan 320F (00C atau 680F (200C). Bila
ujung T dipanasi hingga terjadi perbedaan suhu terhadap ujung Tr,
maka pada kedua ujung penghantar besi dan konstantan pada pangkal
Tr terbangkit beda potensial (electro motive force/emf) sehingga
mengalir arus listrik pada rangkaian tersebut.
Kombinasi jenis logam penghantar yang digunakan menentukan
karakteristik linier suhu terhadap tegangan.
2
Tipe-tipe kombinasi logam penghantar thermokopel: 1. Tipe E
(kromel-konstantan) 2. Tipe J (besi-konstantan) 3. Tipe K
(kromel-alumel) 4. Tipe R-S (platinum-platinum rhodium) 5. Tipe T
(tembaga-konstantan)
Tegangan keluaran emf (elektro motive force) thermokopel masih
sangat rendah, hanya beberapa milivolt. Thermokopel bekerja
berdasarkan perbedaan pengukuran. Oleh karena itu jika ukntuk
mengukur suhu yang tidak diketahui, terlebih dulu harus diketahui
tegangan Vc pada suhu referensi (reference temperature). Bila
thermokopel digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi makaa akan
muncul tegangan sebesar Vh. Tegangan sesungguhnya adalah selisih
antara Vc dan Vh yang disebut net voltage (Vnet).
Besarnya Vnet ditentukan dengan rumus: Vnet = Vh - Vc Keterangan
: Vnet = tegangan keluaran thermokopel Vh = tegangan yang diukur
pada suhu tinggi Vc = tegangan referensi Gambar grafik tegangan
terhadap suhu pada thermokopel tipe E, J, K dan R :
3
Gambar di bawah ini menunjukkan beberapa thermokopel yang
dihubungkan secara seri membentuk thermopile. Thermopile ini
diletakkan di titik tengah pyrometer radiasi dan lensa yang
digunakan untuk memfokuskan radiasi (pancaran panas) agar jatuh
pada thermopile. Gambar Thermopile:
Gambar Pyrometer Radiasi:
Untuk masa sekarang thermokopel sudah dibuat dengan kemasan yang
mempunyai unjuk kerja yang lebih peka yang disebut thermopile yang
digunakan sebagai pyrometer radiasi. Grafik hubungan suhu terhadap
arus keluaran:
4
2. Thermistor (Thermal Resistor/Thermal Sensitive Resistor)
Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik
yang berbanding terbalik dengan perubahan suhu. Semakin tinggi
suhu, semakin kecil resistansi. Simbol Thermistor dan Konstruksi
Thermistor tipe GM102:
Thermistor dibentuk dari bahan oksida logam campuran, kromium,
kobalt, tembaga, besi atau nikel.
Bentuk Thermistor : a. Butiran Digunakan pada suhu > 7000C
dan memiliki nilai resistansi 100 hingga 1 M. b. Keping Digunakan
dengan cara direkatkan langsung pada benda yang diukur panasnya. c.
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. Pemakaian thermistor didasarkan
pada tiga karakteristik dasar, yaitu: 1. Karakteristik R
(resistansi) terhadap T (suhu) 2. Karakteristik R (resistansi)
terhadap t (waktu) 3. Karakteristik V (tegangan) terhadap I
(arus)
5
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.
3. RTD (Resistance Temperature Detectors) Berfungsi untuk
mengubah suhu menjadi resistansi/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.
6
Konstruksi RTD bahan platinum:
RTD terpasang pada permukaan logam:
Hubungan antara resistansi dan suhu penghantar logam merupakan
perbandingan linear. Resistansi bertambah sebanding dengan
perubahan suhu padanya. Besar resistansinya dapat ditentukan
berdasarkan rumus :
7
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
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.
8
4. IC LM 35 Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi tegangan
tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu.
Gambar rangkaian dan persamaan dasar IC LM 35
Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/0C. Dengan
memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, sesor
ini mampu bekerja pada rentang suhu -550C 1500C. Tegangan keluaran
dapat diatur 0 V pada suhu 00C dan ketelitian sensor ini adalah
10C.
B.
PENGERTIAN KALIBRASI
Menurut ISO/IEC Guide 17025:2005 dan Vocabulary of International
Metrology (VIM), kalibrasi adalah kegiatan yang menghubungkan nilai
yang ditunjukkan oleh instrumen ukur atau nilai yang diwakili oleh
bahan ukur dengan nilai-nilai yang sudah diketahui tingkat
kebenarannya (yang berkaitan dengan besaran yang diukur).
Fungsi Kalibrasi Nilai yang sudah diketahui ini biasanya merujuk
ke suatu nilai dari kalibrator atau standar, yang tentunya harus
memiliki akurasi yang lebih tinggi daripada alat ukur yang di uji
(biasa disebut unit under test atau UUT). Ini sesuai dengan salah
satu tujuan kalibrasi adalah untuk mencapai ketertelusuran
pengukuran atau menjaga agar traceability link ini tidak putus.
9
Atau secara singkatnya fungsi dan manfaat dari kalibrasi adalah
sebagai berikut: a. Menentukan deviasi kebenaran kenvensiaonal
nilai penunjukan suatu instrument ukur, atau deviasi dimensi
rasional yang seharusnya untuk suatu bahan ukur b. Menjamin
hasil-hasil pengukuran sesuai dengan standar nasional maupun
internasional c. Mencapai ketertelusuran pengukuran, hasil
pengukuran dapat dikaitkan sampai ke standar yang lebih tinggi
(internasional) melalui rangkaian perbandingan yang tidak
terputus
Sedangkan manfaatnya adalah: a. Menjaga kondisi onstrumen ukur
dan bahan ukur agar tetap sesuai dengan spesifikasinya b. Untuk
mendukung system mutu yang diteraplan di berbagai industri pada
peralatan laboratorium dan produksi yang dimiliki c. Dengan
melakukan kalibrasi bisa diketahui seberapa jauh perbedaan antara
harga benar dengan harga yang ditunjukkan oleh alat ukur
C. RANGKAIAN SENSOR SUHU Diagram Blok :
Rangkaian :
10
Cara kerja : Rangkaian ini dirancang untuk bekerja pada skala
tegangan masukan ADC sebesar 0-5V. Rangkaian ini juga dilengkapi
dengan pengatur tegangan untuk masukan
Vin(-) dan Vref/2 menggunakan IC LM317, sehingga dapat mengatur
resolusi ADC sesuai dengan range masukan yang ada.
ADC dapat dioperasikan secara manual dengan memberikan sinyal
START dan menunggu sinyal EOC (End-Of-Conversion), ataupun
dioperasikan pada mode free-running (kaki WR dihubungkan ke kaki
INTR). Keluaran ADC0804 selalu terbuka karena kaki RD dihubungkan
ke GND sehingga data hasil konversi siap diambil. Kaki CS juga
dihubungkan ke GNDsehingga ADC0804 selalu siap dioperasikan. Cukup
bagus untuk keperluan eksperimen maupun aplikasi monitoring dan
pengontrolan suhu. Nah, berikut adalah gambar rangkaian
skematiknya.
Rangkaian penguat tak-membalik menggunakan LM358 dengan faktor
penguaran maksimum 6 kali. Untuk peregulasi tegangan masukan Vin(-)
dan VRef/2, digunakan IC LM317 sehingga terjamin kestabilannya.
Frekuensi clock ADC yang dibentuk oleh R-10K dan C-150pF adalah
11
sekitar 606kHz. Untuk kemudahan interfacing, tersedia header
data ADC0804 dan header kontrol ADC0804 yakni kaki WR dan INTR.
Kaki WR dan INTR dapat dihubung-singkat jika diinginkan ADC0804
bekerja free-running (mengkonversi tegangan masukan secara
terusmenerus).
D. APLIKASI SENSOR SUHU PANAS (TRANSDUSER TERMOKOPEL) Berasal
dari kata Thermo yang berarti energi panas dan Coupleyang berarti
pertemuan dari dua buah benda. Termokopel adalah transduser aktif
suhu yang tersusun dari dua buah logam berbeda dengan titik
pembacaan pada pertemuan kedua logam dan titik yang lain sebagai
outputnya.
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 Instrument , Application Note 043) berikut : (National
Jenis Termokopel Tersedia beberapa jenis termokopel, tergantung
aplikasi penggunaannya 1. Tipe K (Chromel (NiCr alloy) / Termokopel
untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu 200 C
hingga +1200 C.
Alumel (Ni-Al alloy)
2. Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy))
Tipe E memiliki output yang besar (68 V/C) membuatnya cocok
digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah
tipe non magnetik.
12
3. Tipe
J
(Iron
/
Rentangnya terbatas (40 hingga +750 C) membuatnya kurang populer
dibanding tipe K. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 V/C
Constantan)
4. Tipe
N
(Nicrosil 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.
(Ni-Cr-Si
Nisil (Ni-Si alloy))
Sensitifitasnya sekitar 39 V/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 V/C) mereka biasanya
hanya digunakan untuk mengukur temperatur tinggi
(>300 C).
5. Type B (PlatinumRhodium/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.
6. Type
R
(Platinum
Cocok mengukur suhu di atas 1600 C. sensitivitas rendah (10 V/C)
dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan
umum.
/Platinum with 7% Rhodium)
7. Type
S
(Platinum
Cocok mengukur suhu di atas 1600 C. sensitivitas rendah (10 V/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).
/Platinum with 10% Rhodium)
13
8. Type T (Copper / Constantan)
Cocok untuk pengukuran antara 200 to 350 C. Konduktor positif
terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari constantan.
Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian
kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 V/C
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 E J K T R S B Material( + dan -)
Ni-Cr dan Cu-Ni Fe dan Cu-Ni Ni-Cr dan Ni-Al Cu dan Cu-Ni Pt dan
Pt(87%)-Rh(13%) Pt dan Pt(90%)-Rh(10%) Pt(70%)-h(30%)dan
Pt(94%)-Rh(6%) Temp.Kerja(0C) Sensitivitas(V/0C) -270 ~ 1000 -210 ~
1200 -270 ~ 1350 -270 ~ 400 -50 ~ 1750 -50 ~ 1750 -50 ~ 1750 60.9
51.7 40.6 40.6 6 6 6
Sumber :
www.wfunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmeple_intro.cfm
14
E.
PERTANYAAN : APA YANG TERJADI JIKA R2 DAN R3 POSISINYA
DITUKAR?
Dari contoh rangkaian sederhana di atas dapat dijelaskan bahwa:
Sebelum ditukar : Lampu L akan hidup jika R2 diputar ke nilai yang
kecil Setelah ditukar : Lampu L akan hidup jika R2 diputar ke nilai
yang besar
Secara Teori Syarat Lampu hidup adalah: Basis T2 mendapat arus /
tegangan, arus akan mengalir dari lampu melewati CollectorEmitor
T2. Syarat T2 mendapat arus / tegangan Basis T1 tidak dialiri arus
/ tegangan
15