2. BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa
berkembang pesat terutama di bidang otomtisasi. Perkembangan ini tampak
jelas terutama di industri manufaktur, di mana sebelumnya banyak pekerjaan
menggunakan tangan manusia, kemudian beralih menggunakan mesin,
berikutnya dengan electro-mechanic (semi otomatis) dan sekarang sudah
menggunakan robotic (full automatic).
Model apapun yang digunakan dalam sistem otomatisasi industri
sangat tergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil
penelitian menunjukan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan
sangat tergantung kepada sensor dan transduser yang digunakan.
Sensor dan transudser merupakan peralatan atau komponen yang
mempunyai peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis.
Bisanya besaran masukan pada kebanyakan sistem kendali bukan merupakan
besaran listrik. Umumnya besaran tersebut adalah besaran fisik, kimia,
mekanis dan sebagainya. Untuk merubah ke dalam besaran listrik pada
sistem, biasanya besaran-besaran tersebut diubah terlebih dahulu menjadi
suatu sinyal listrik melalui sebuah alat yang disebut sensor dan transduser.
Salah satu sensor yang umum digunakan adalah sensor suhu. Sensor
ini sangat sering digunakan dalam proses manufaktur terutama yang berkaitan
dengan proses pemanasan maupun pendinginan. Sensor tersebut bertugas
untuk mengetahui kondisi lingkungan atau sebuah sistem yang digunakan
sebagai input agar dapat ditindaklanjuti dalam sebuah proses atau
pengendalian sistem. Beberapa sensor suhu yang umum digunakan antara lain
termokopel.
3. 1.2 TUJUAN PENULISAN
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk lebih memahami
tentang sensor termokopel, konstruksi sensor termokopel, operasi sensor
temokopel dan aplikasi dari sensor termokopel
1.3 BATASAN MASALAH
Pada Penulisan Makalah ini hanya akan membahas mengenai :
Pengertian Sensor Suhu termokopel
Cara Kerja Sensor Suhu termokopel
Aplikasi Sensor Suhu termokopel dalam Kehidupan Sehari-Hari
4. BAB II
TERMOKOPEL
2.1 Pendahuluan
Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang
banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi
perubahantegangan 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
.
Gambar 2.1 Diagram skematik thermocouple
Dua termoelemen A dan B dihubungkan dan jika temperatur antara
junction pertama (cold junction) dan kedua (hot junction) berbeda maka
akan timbul arus akibat gaya gerak listrik (EMF).
Gambar 2.4. Pengukuran EMF
Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan voltmeter
dengan impedansi yang tak terhingga (besar sekali), seperti yang terlihat
pada gambar 2, maka akan terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan
tersebut dikenal sebagai tegangan Seebeck. Jika thermocouple digunakan
untuk mengukur temperatur hot junction maka tegangan Seebeck pada cold
5. junction, hot junction serta temperatur cold junction harus diketahui terlebih
dahulu.
EMF, sebenarnya timbul karena gradien temperatur sepanjang
kawat yang menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan
mengasumsikan kawat thermocouple homogen maka EMF didapat akibat
perbedaan temperatur hot junction dan cold junction.
Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan
perbedaan temperatur adalah:
𝐸 𝐴𝐵 𝑇 = 𝑆 𝐴𝐵 𝑇 Δ𝑇
Dimana : EAB(T) adalah tegangan Seebeck
S(T) adalah koefisien Seebeck,
ΔT adalah perbedaan temperatur antara hot junction
dengan cold junction.
6. 2.2 Prinsip Kerja Termokopel
Termokopel adalah sebuah alat yang dibuat dari dua jenis kawat dari
logam yang berbeda dan disatukan pada salah satu ujungnya. Ujung ini disebut
dengan istilah ‘junction end’ atau ujung sambungan dan dapat disebut juga ujung
pengukuran (T2). Dua kawat tersebut disebut thermoelement yang merupakan
kaki-kaki dari termokopel. Keduanya dibedakan menjadi kaki positif dan kaki
negatif. Kemudian, ujung laun dari masing-masing kawat disebut dengan ‘tail
end’ (ujung ekor) atau ‘reference end’ (T1).
Junction end adalah ujung yang digunakan untuk mengukur panas dari
media yang hendak diukur, misalkan ruangan tungku atau oven dengan suhu
200°C sedangkan tail end adalah ujung yang kita sambungkan dengan rangkaian
elektronika dan berada pada suhu ruang, katakanlah 28°C. Tail end mempunyai
dua kutub untuk pengukuran, yaitu positif dan negatif. T1 dan T2 adalah suhu
masing-masing pada posisi tail end dan junction end.
Perbedaan suhu antara T1 dan T2 tersebut dapat diukur pada kedua kutup
positif dan negatif. Oleh karena itu termokopel adalah termasuk temperature-
voltage transducer. Termokopel adalah penghasil tegangan yang dapat diukur
pada kedua kutub tail end yang terjadi akibat perbedaan suhu pada T1 dan T2.
Jadi tinggal diukur dengan voltmeter digital.
Besarnya tegangan keluaran pada termokopel ditentukan dengan rumus:
Vout = Vh - Vc
Keterangan :
Vnet = tegangan keluaran thermokopel
Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi
Vc = tegangan referensi
Tegangannya terlalu kecil sehingga harus diamplify terlebih dulu. Selain
itu nilai yang terbaca oleh voltmeter juga bukan merupakan ekspresi langsung dari
temperature dan masih diperlukan konversi.
7. Untuk mempermudah konversi maka dapat menggunakan table hubungan
tegangan dengan teneprature, sebagai berikut :
Gambar 2. Tabel referensi tegangan ke temperature
Dalam pengukuran tegangan pada termokopel ada beberapa syarat yang
ahrus terpenuhi agar tegangan yang didapat tidak nol. Adapaun syarat-syaratnya
sebagai berikut :
1. Jika kedua kawat atau thermoelement terbuat dari material yang sama
sehingga menyebabka tidak ada perbedaan suhu dianatara kedua ujung
kawat.
2. Suhu T1 sama dengan T2 sehingga menyebabkan termokopel tidak dapat
mengukur suhu ruang karena kedua ujungnya ada pada temperatur yang
relatif sama, yaitu berada pada suhu ruang. Oleh karena itu, kita tiba pada
kondisi ‘tidak mudahnya’ karena pada dasarnya temperatur pada reference
end atau tail end haruslah relatif tetap. Hal yang tidak mungkin tentunya
sehingga ada istilah cold junction compensation untuk menkompensasi
kondisi ini. Sebuah IC seperti misalnya MAX667 bisa dipergunakan untuk
kompensator.
8. 2.3 Konstruksi Termokopel
Untuk skonstruksi sederhana termokopel diperlihatkan oleh gamabar
dibawah ini :
.
Gambar 2. Sirkuit sederhana termokopel
Gambar 2.11 kontruksi dalam Termokopel
Pada konstruksi termokopel terdapt dua buah kawat yang terbuat dari
amterail yang berbeda, salah satunya digunakan sebagai measuring junction (hot)
dan reference junction (cold). Pada kawat rerfernce junction tidak akan
mengalami perubahan dan akan tetap pada suhu reference. Pada pengukuran
perbedaan potensial dari kedua kawat akan menggunakan voltmeter dan
sebelumnya akan di amplify dahulu agar dapat terbaca oleh voltmeter karena
tegangan yang dihasilkan terlalu kecil. Pengukuran panas saluran Thermokopel
9. menghasilkan tegangan yang lebih besar dari tegangan saluran referensi.
Perbedaan antara dua tegangan itu sebanding dengan perbedaan suhu.
2.4 Karakteristik Termokopel
2.4.1 Beberapa jenis thermocouple berdasarkan aplikasi penggunaannya
1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)
Thermocouple untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk
rentang suhu −200 °C hingga +1200 °C.
Gambar 2.2 NiCr-NiSi (Tipe K)
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.
Gambar 2.3 NiCr – CuNi (Tipe E)
3. Tipe J (Iron / Constantan)
Rentangnya terbatas (−40 hingga +750 °C) membuatnya kurang
populer dibanding tipe K. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 µV/°C.
10. Gambar 2.4 Fe-CuNi (Tipe J)
4. 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
Gambar 2.5 Nicrosil-Nisil (Tipe N)
5. 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.
Gambar 2.6 Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh)
6. Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium)
11. Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10
µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk
tujuan umum.
Gambar 2.7 Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium)
7. 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).
Gambar 2.8 Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium)
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 µV/°C.
Gambar 2.9 Type T (Copper / Constantan)
12. Gambar 2.10 karakteristik bahan termokopel yang digunakan bersama platinum
2.4.2 Adapun kelebihan dan kekurangn dari termokopel adalah sebagai berikut :
kelebihan dari termokopel adalah:
a. Mudah dibaca, karena memiliki layar yang tidak mudah keruh dan skala
yang jelas
b. Respon cepat untuk setiap adanya perubahan suhu
c. Akurasi yang tepat dalam pengukuran suhu
d. Baik digunakan untuk pengukuran variasi suhu dengan jarak kurang
dari 1 cm
e. Termokopel tidak mudah rusak dan tahan lama
Sementara itu, termokopel juga memiliki kekurangan dalam pemakaiannya, yakni:
a. Kalibrasi yang sulit, saat termokopel dinyalakan, suhu yang tertera adalah
suhu pada ruangan tersebut
b. Hanya dapat digunakan untuk mengukur perbedaan suhu
c. Termokopel membutuhkan perlengkapan tambahan yang harganya
biasanya cukup mahal
13. 2.5 APLIKASI TERMOKOPEL
Thermocouple cocok untuk mengukur rentang suhu yang besar,
sampai 2300°C. Mereka kurang cocok untuk aplikasi di mana perbedaan
suhu lebih kecil harus diukur dengan akurasi yang tinggi, misalnya rentang
0-100°C dengan 0,1°C akurasi. Contoh Penggunaan Thermocouple yang
umum yaiutu pada industry besi dan baja yang dalam pengoperasiannya
menggunakan suhu yang sangat tinggi.
14. BAB III
SIMPULAN DAN SARAN
3.1 KESIMPULAN
1. Sensor termokopel dapat digunakan sebagai pengukur suhu
2. Sensor termokopel bekerja dengan membandingkan perbedaan
potensial yang terjadi di kedua ujung termoelemen akibat perbedaan
panas dikedua ujungnya.
3. Terdapat beberapa jenis termokopel diantara
a. Tipe E (kromel-konstantan)
b. Tipe J (besi-konstantan)
c. Tipe K (kromel-alumel)
d. Tipe R-S (platinum-platinum rhodium)
e. Tipe T (tembaga-konstantan)
4. Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan
temperatur adalah :
𝐸 𝐴𝐵 𝑇 = 𝑆 𝐴𝐵 𝑇 Δ𝑇
5. Termokopel cocok untuk mengukur rentang suhu yang besar, sampai
2300°C. Mereka kurang cocok untuk aplikasi di mana perbedaan suhu
lebih kecil harus diukur dengan akurasi yang tinggi, misalnya rentang 0-
100°C dengan 0,1°C akurasi.
3.2 SARAN
Penggunaan termokopel dalam pengukuran suhu yang tinggi sudah
sangat mumpuni dalam hal instreumentasi terlihat dari banyaknya kelebihan
dari sensor tersebut.
Namun ada pula kekurangan dari termokopel yaittu kalibrasi yang
sulit dan perlengkapan tambahan yang harganya cukup mahal.
