Sensor thermal (panas)

BAB 1

PENDAHULUAN

       AC. Srivastava, (1987), mengatakan temperatur merupakan salah satu dari empat besaran dasar yang diakui oleh Sistem Pengukuran Internasional (The International Measuring System). Lord Kelvin pada tahun 1848 mengusulkan skala temperature termodinamika pada suatu titik tetap triple point, dimana fase padat, cair dan uap berada bersama dalam equilibrium, angka ini adalah 273,16 ^oK ( derajat Kelvin) yang juga merupakan titik es. Skala lain adalah Celcius, Fahrenheit dan Rankine dengan hubungan sebagai berikut:

          ^oF = 9/5 ^oC + 32  atau

^oC = 5/9 (^oF-32)  atau

^oR = ^oF + 459,69  

          Yayan I.B, (1998), mengatakan temperatur adalah kondisi penting dari suatu substrat. Sedangkan  “panas adalah salah satu bentuk energi yang diasosiasikan dengan aktifitas molekul-molekul dari suatu substrat”. Partikel dari suatu substrat diasumsikan selalu bergerak. Pergerakan partikel inilah yang kemudian dirasakan sebagai panas. Sedangkan temperatur adalah ukuran perbandingan dari panas tersebut.

Pergerakan partikel substrat dapat terjadi pada tiga dimensi benda yaitu:

1. Benda padat,

2. Benda cair dan

3. Benda gas (udara)

Aliran kalor substrat pada dimensi padat, cair dan gas dapat terjadi secara :

1. Konduksi, yaitu pengaliran panas melalui  benda padat (penghantar) secara kontak langsung

2. Konveksi, yaitu pengaliran panas melalui media cair secara kontak langsung

3. Radiasi, yaitu pengaliran panas melalui media udara/gas secara kontak tidak langsung

Pada aplikasi pendeteksian atau pengukuran tertentu, dapat dipilih salah satu tipe sensor dengan pertimbangan :

1. Penampilan (Performance)

2. Kehandalan  (Reliable) dan

3. Faktor ekonomis ( Economic)

BAB II

PEMBAHASAN

          Hal-hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan pemilihan jenis sensor suhu adalah: (Yayan I.B, 1998)

1.   Level suhu maksimum dan minimum dari suatu substrat yang diukur.

2.  Jangkauan (range) maksimum pengukuran

3.  Konduktivitas kalor dari substrat

4.  Respon waktu perubahan suhu dari substrat

5.  Linieritas sensor

6.  Jangkauan temperatur kerja

Selain dari ketentuan diatas, perlu juga diperhatikan aspek phisik dan kimia dari sensor seperti ketahanan terhadap korosi (karat), ketahanan terhadap guncangan, pengkabelan (instalasi), keamanan dan lain-lain.

          Setiap sensor suhu memiliki temperatur kerja yang berbeda, untuk pengukuran suhu disekitar kamar yaitu antara -35^oC sampai 150^oC, dapat dipilih sensor NTC, PTC, transistor, dioda dan IC hibrid. Untuk suhu menengah yaitu antara 150^oC sampai 700^oC, dapat dipilih thermocouple dan RTD. Untuk suhu yang lebih tinggi sampai 1500^oC, tidak memungkinkan lagi dipergunakan sensor-sensor kontak langsung, maka teknis pengukurannya dilakukan menggunakan cara radiasi. Untuk pengukuran suhu pada daerah sangat dingin dibawah 65^oK =  -208^oC ( 0^oC = 273,16^oK ) dapat digunakan resistor karbon biasa karena pada suhu ini karbon berlaku seperti semikonduktor. Untuk suhu antara 65^oK sampai -35^oC dapat digunakan kristal silikon dengan kemurnian tinggi sebagai sensor.

          Gambar 2.1. berikut memperlihatkan karakteristik dari beberapa jenis sensor suhu yang ada.

                    

	Thermocouple	RTD	Thermistor	IC Sensor
	V                          T	R                        T	R                        T	V, I                        T
Advantages	-   self powered -   simple -   rugged -   inexpensive -   wide variety -   wide temperature range	-   most stable -   most accurate -   more linear than termocouple	-   high output -   fast -   two-wire ohms measurement	-   most linear -   highest output -   inexpensive
Disadvantages	-    non linear -    low voltage -    reference required -    least stable -    least sensitive	-    expensive -    power supply required -    small ΔR -    low absolute resistance -    self heating	-    non linear -    limited temperature range -    fragile -    power supply required -   self heating	-   T <  200oC -   power supply required -   slow -   self heating -   limited configuration

            Gambar 2.1. Karakteristik  sensor temperature (Schuller, Mc.Name, 1986)

2.1. Bimetal

          Bimetal adalah sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat strika listrik dan lampu kelap-kelip (dimmer). Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang  direkatkan menjadi satu.

          Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah memuai lebih pendek. Oleh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya bimetal dapat dibentuk menjadi saklar Normally Closed (NC) atau Normally Open  (NO).

Gambar 2.2. Kontruksi Bimetal  ( Yayan I.B, 1998)

(2.1)

Disini berlaku rumus pengukuran temperature dwi-logam yaitu :

(2.2)

dan dalam praktek t_B/t_A = 1 dan (n+1).n =2, sehingga;

                  

di mana ρ  = radius kelengkungan

t = tebal jalur total

n = perbandingan modulus elastis, E_B/E_A

m = perbandingan tebal, t_B/t_A

T₂-T₁ = kenaikan temperature

α_A, α_B = koefisien muai panas logamA dan logam B

 

2.2. Termistor

          Termistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif. Umumnya tahanan termistor pada temperatur ruang dapat berkurang 6%  untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1^oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi.

          Termistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan seperti: mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U). Rangkuman tahanannya adalah dari 0,5 W sampai 75 W dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran. Ukuran paling kecil berbentuk mani-manik (beads) dengan diameter 0,15 mm sampai 1,25 mm, bentuk piringan (disk) atau cincin (washer) dengan ukuran 2,5 mm sampai 25 mm. Cincin-cincin dapat ditumpukan dan di tempatkan secara seri atau paralel guna memperbesar disipasi daya.

(2.3)

     Dalam operasinya termistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap temperatur, dan umumnya nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara eksponensial untuk jenis NTC ( Negative Thermal Coeffisien)

Koefisien temperatur α didefinisikan pada temperature tertentu, misalnya 25^oC   sbb.:

(2.4)

Gambar 2.3 . Konfigurasi Thermistor: (a) coated-bead

(b) disk  (c) dioda  case  dan  (d) thin-film

2.3. Resistance Thermal Detector (RTD)

                 RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500^o C. Tembaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi.

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu:

1. Tidak diperlukan suhu referensi

2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi.

3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel

4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah

5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.

Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor dan model matematis linier adalah:

           

dimana : R_o  =  tahanan konduktor pada temperature awal ( biasanya 0^oC)

             R_T =  tahanan konduktor pada temperatur t^oC

             α   =  koefisien temperatur tahanan

             Δt  = selisih antara temperatur kerja dengan temperatur awal

       Sedangkan model matematis nonliner kuadratik adalah:

            

Gambar 2.10.  Resistansi versus Temperatur untuk variasi RTD metal

 Bentuk lain dari Konstruksi RTD

                                  

Gambar 2.11.  Jenis RTD: (a) Wire   (b) Ceramic Tube      (c) Thin Film

2.4. Termokopel

        Pembuatan termokopel didasarkan atas sifat thermal bahan logam. 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 ) yang dihasilkan menurut T.J Seeback (1821) yang menemukan hubungan perbedaan panas (T₁ dan T₂) dengan gaya gerak listrik yang dihasilkan E,  Peltir (1834), menemukan gejala panas yang mengalir dan panas yang diserap pada titik hot-juction dan  cold-junction,  dan Sir William Thomson, menemukan arah arus mengalir dari titik panas ke titik dingin dan sebaliknya, sehingga ketiganya menghasilkan rumus sbb: 

E = C₁(T₁-T₂) + C₂(T₁² – T₂²)                                              (…)

   Efek Peltier      Efek Thomson

atau   E = 37,5(T₁_T₂) – 0,045(T₁²-T₂²)                                          ( ...)

di mana 37,5 dan 0,045 merupakan dua konstanta C₁ dan C₂ untuk termokopel tembaga/konstanta.

            Bila ujung logam yang tidak dipanaskan dihubung singkat, perambatan panas dari ujung panas ke ujung dingin akan semakin cepat. Sebaliknya bila suatu termokopel diberi tegangan listrik DC, maka diujung sambungan terjadi panas atau menjadi dingin tergantung polaritas bahan (deret Volta) dan polaritas tegangan sumber. Dari prinsip ini memungkinkan membuat termokopel menjadi pendingin.

        Thermocouple sebagai sensor temperatur memanfaatkan beda workfunction dua bahan metal

Gambar 2.16. Hubungan Termokopel (a) titik beda potensial

  (b)  daerah pengukuran dan titik referensi

Pengaruh sifat thermocouple pada wiring

Gambar 2.17. Tegangan referensi pada titik sambungan:

       (a) Jumlah tegangan tiga buah metal (b) Blok titik sambungan

Sehingga diperoleh rumus perbedaan tegangan :

                       

BAB III

PENUTUP

Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT, maka terselesaikanlah karya tulis ini. Dan tidak lupa kami sebagai penyusun apabila ada kesalahan dari penulisan dan pemilihan kata. kami selaku penyusun akan menerima segala kritik dan saran yang bisa menjadikan karya tulis yang akan datang bisa lebih baik.

DAFTAR PUSTAKA

http://info.sensor.net

http://id.wikipedia.org/wiki/sensorthermal