Thermalert - Laboratorium Fisika Dan Instrumentasi

LAPORAN PROYEK
Diajukan untuk memenuhi tugas mata kuliah
Komponen Sistem Kontrol
SENSOR THERMALERT
Disusun oleh:
David / 0922020
Edy / 0922023
Regie / 0922030
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHA
BANDUNG
2011
1. Definisi
Thermalert merupakan salah satu sensor suhu yang menggunakan inframerah dalam
pengukuran dimana tidak perlu kontak fisik langsung dengan objek yang akan diukur
sehingga sistem pengukurannya tidak terkontaminasi dan rusak. Thermalert dapat disebut
juga sebagai Termometer Inframerah. Thermalert ditujukan pada permukaan obyek dan
secara langsung memberikan pembacaan suhu. Alat ini sangat berguna untuk pengukuran di
tungku atau suhu permukaan dan lain sebagainya dalam situasi dimana objek tidak bisa
dicapai atau bergerak, atau kontak tidak mungkin dilakukan karena temperatur terlalu tinggi
atau dibawah pengaruh listrik.
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.
Radiasi inframerah merupakan bagian dari spektrum elektromagnetik. Panjang
gelombang inframerah biasanya dinyatakan dalam mikron, dengan spektrum inframerah
diantara 0.7-1000 mikron. Hanya 0.7-14 mikron yang digunakan untuk pengukuran
temperatur menggunakan inframerah. Diatas panjang gelombang ini level energi sangat
rendah, dimana detektor tidak cukup peka untuk mendeteksi. Radiasi inframerah tidak bisa
dilihat, namun manusia bisa merasakannya sebagai panas.
Gambar 1. Spektrum Elektromagnetik, dengan range 0.7-14 µm.
Masing-masing benda dengan temperatur diatas nol Kelvin memancarkan radiasi
elektromagnetik dari permukaannya, dimana radiasi ini sebanding dengan temperatur.
Bagian dari temperatur ini adalah radiasi infra merah yang kemudian bisa digunakan untuk
mengukur temperatur benda.
2. 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.
3. 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 2 menunjukkan mengapa benda bukan hitam
tidak merupakan pemancar inframerah 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 2. Refleksi Internal.
Emisivitas merupakan nilai numerik dan tidak memiliki satuan.
ε=
energi yang diradiasi material
energy yang diradiasi benda hitam
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 inframerah. Tabel berikut memberikan 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.

Temperatur
Emisivitas akan selalu berubah terhadap temperatur jika sifat permukaan material berubah.
Sebagai contoh, jika lapisan menjadi berkilau atau menjadi buram.
4. Thermalert
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.
Gambar 3. (Manual Book Raytek Thermalert)
Respon spektral
Resolusi Optik
Range Temperatur
Akurasi Sistem
Pengulangan Sistem
Koefisien Temperatur
Resolusi Temperatur
Waktu Respon Sistem
Emisivitas
Transmisi
Pemrosesan Sinyal
Spesifikasi Pengukuran
8 – 14 micron
2:1 atau 10:1
-40 – 600oC (-40 – 1112oF)
±1% pembacaan atau ±1oC
±0.5% pembacaan atau ±0.5oC(1oF)
0.15K per K
0.3oC atau 0.5oF
150ms (95%)
0.100 – 1.100 disesuaikan secara digital dengan penambahan 0.001
0.100 – 1.100 disesuaikan secara digital dengan penambahan 0.001
Peak Hold, Valley Hold, Variable Averaging Filter, adjustable up to 998
seconds
Thermalert dibuat untuk merespon panjang gelombang dalam spektrum infra merah.
Hampir semua pancaran inframerah tidak terlihat oleh mata. Hal ini bisa diatasi dengan
pemfokusan yang dilakukan dengan menggunakan sistem optik pada detektor dalam
thermalert.
Desain utama Thermalert terdiri dari lensa pemfokus energi infra merah pada detektor,
dapat mengubah energi menjadi sinyal elektrik yang bisa ditunjukkan dalam unit temperatur
setelah disesuaikan dengan variasi temperatur lingkungan. Konfigurasi fasilitas pengukur suhu
ini bekerja dari jarak jauh tanpa menyentuh objek. Dengan demikian, thermalert berguna
mengukur suhu pada keadaan dimana termokopel atau sensor tipe lainnya tidak dapat
digunakan atau tidak menghasilkan suhu yang akurat untuk beberapa keperluan pengukuran.
5. Proses Sistem Pengukuran
Thermalert 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 4 menunjukkan aliran proses sistem
pengukuran inframerah.
Gambar 4. Sistem Pengukuran Inframerah.
6. Optik atau Window
Sistem optik Thermalert menangkap energi inframerah yang dipancarkan objek melalui circular
measurement spot dan memfokuskannya pada detektor. Target harus menempati spot ini, jika
tidak, thermalert 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 thermalert
dari target dan diameter spot (D:S).
Gambar 5. Perbandingan Spot dan Terget untuk pengukuran.
7. Detektor
Bentuk Detektor merupakan inti dari thermalert. 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.
Gambar 6. Detektor Inframerah
Detektor termal mengubah temperatur tergantung pada radiasi tumbukan. 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.
8. Pengujian Alat
VOLTMETER
DC SUPPLY 15V
Kontroler Suhu
IRtek M400 Black Body
D
B
Permukaan
IRtek M400 Black Body
yang akan diuji
A
E
C
9. Proses Kerja
Sensor Inframerah
Diarahkan Ke Objek
Pada lensa, energi inframerah yang
dipancarkan objek dikumpulkan dan
difokuskan ke detektor
Detektor mengubah
energi inframerah
menjadi sinyal listrik
Untuk keperluan display, sinyal
kemudian diubah menjadi
sinyal digital oleh ADC
Pengolahan sinyal digital mengubah
sinyal menjadi harga keluaran yang
sesuai dengan temperature objek
Temperatur bisa
ditampilkan pada display
10. Data Pengamatan
 Pengukuran Suhu Benda Hitam
BLACK
BODY
50
75
100
125
150
175
200
TEMPERATUR (oC)
THERMALERT THERMALERT THERMALERT THERMALERT THERMALERT
POSISI A
POSISI B
POSISI C
POSISI D
POSISI E
49.8
49.5
49.6
49.2
49.4
73.5
73
73.5
73
74
99
98.5
98.6
96.5
99
123
122.6
123.2
120
122.6
147.3
147.6
147.4
146.5
147.4
171
169.8
170.1
168
171.3
194
193
192.5
193
193.6
Tabel 1. Data Pengukuran Suhu Black Body Menggunakan Thermalert
250
200
150
BLACK BODY
100
THERMALERT
POSISI A
50
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 1. Grafik Perbandingan Suhu Black Body
Dengan Thermalert Pada Posisi A
250
200
150
BLACK BODY
100
THERMALERT
POSISI B
50
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 2. Grafik Perbandingan Suhu Black Body Dengan Thermalert Pada Posisi B
250
200
150
BLACK BODY
100
THERMALERT
POSISI C
50
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 3. Grafik Perbandingan Suhu Black Body Dengan Thermalert Pada Posisi C
250
200
150
BLACK BODY
100
THERMALERT
POSISI D
50
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 4. Grafik Perbandingan Suhu Black Body Dengan Thermalert Pada Posisi D
250
200
150
BLACK BODY
100
THERMALERT
POSISI E
50
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 5. Grafik Perbandingan Suhu Black Body Dengan Thermalert Pada Posisi E
SUHU (oC)
BLACK
BODY
50
75
100
125
150
175
200
TEGANGAN OUTPUT (Volt)
THERMALERT THERMALERT THERMALERT THERMALERT THERMALERT
POSISI A
POSISI B
POSISI C
POSISI D
POSISI E
0.49
0.496
0.496
0.491
0.494
0.732
0.73
0.735
0.731
0.74
0.991
0.986
0.988
0.965
0.99
1.22
1.216
1.223
1.19
1.227
1.463
1.462
1.467
1.46
1.465
1.697
1.686
1.692
1.67
1.701
1.92
1.92
1.916
1.93
1.933
Tabel 2. Tegangan Output Thermalert
Thermalert Posisi A
2.5
2
1.5
Thermalert Posisi A
1
0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 6. Grafik Tegangan Output Thermalert Posisi A
Thermalert Posisi B
2.5
2
1.5
Thermalert Posisi
B
1
0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 7. Grafik Tegangan Output Thermalert Posisi B
Thermalert Posisi C
2.5
2
1.5
Thermalert Posisi C
1
0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 8. Grafik Tegangan Output Thermalert Posisi C
Thermalert Posisi D
2.5
2
1.5
Thermalert Posisi
D
1
0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 9. Grafik Tegangan Output Thermalert Posisi D
Thermalert Posisi E
2.5
2
1.5
Thermalert Posisi E
1
0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
Grafik 10. Grafik Tegangan Output Thermalert Posisi E
 Percobaan Objek Dihalangi Kaca
Suhu Black Body= 75oC
Suhu yang terbaca thermalert saat dihalangi kaca = 33oC
Suhu yang terbaca thermalert saat tidak dihalangi kaca = 75oC
11. Sensitivitas
SUHU (oC)
BLACK
BODY
50
75
100
125
150
175
200
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 =
THERMALERT
SUHU
Vout
(oC)
49.5
73.4
98.32
122.28
147.24
170.04
193.22
(Volt)
0.4934
0.7336
0.984
1.2152
1.4634
1.6892
1.9238
△ 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒 𝑉𝑜𝑢𝑡
(1,9238 − 0,4934)𝑉
=
= 0,009953 𝑉⁄℃
(193,22 − 49,5)℃
△ 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒 𝑆𝑢ℎ𝑢
12. Kesimpulan
Dari percobaan pengukuran suhu Black Body yang suhunya dijaga konstan yang diukur
menggunakan sensor Thermalert menunjukan bahwa Thermalert dapat mengukur suhu dengan
cukup akurat di beberapa titik permukaan Black Body. Bisa dilihat pada grafik bahwa pembacaan
suhu dengan menggunakan sensor Thermalert mendekati dengan suhu Black Body dan menunjukan
kenaikan suhu yang cukup linear. Akan tetapi Thermalert tidak dapat digunakan untuk mengukur
suhu benda yang terhalang oleh kaca.
13. Sumber
Temperatur Inframerah
http://id.wikipedia.org/wiki/Termometer_infra_merah
Pengetahuan Tentang Pengukuran Temperatur Inframerah
http://www.ir-family.com/id/category/pengetahuan-tentang-pengukuran-temperaturinframerah
Manual Book Raytek Thermalert® MIDTM MICTM
https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:lvPtJiEmjWAJ:infratemp.com.br/produtow.asp
%3Fid%3D11,manual+manual+book+raytek+thermalert&hl=id&gl=id&pid=bl&srcid=ADGEESgd
M8A8AUaTUN_6Mp4g6vVQ3tSTx8DCQjRKJtnXOwbta8Co718vz11oe2ii2L0o8t18bEVE2Dw0goOErCcyfvl6INDCKW135TZtA1MgxvXKM62H1JBWzPtOGLqIjyh5kOtf6Rs&sig=AHIE
tbSm-0QbS_0SDCIC6bfs9vtehz3JaQ
Temperature sensors type,
http://www.temperatures.com/sensors.html
Emissivity of Most Common Materials,
http://www.raytek.com/Raytek/en-r0/IREducation/Emissivity.htm
Key Elements of Correct Infrared Temperature Measurement,
http://www.raytek.com/Raytek/en-r0/IREducation/AccurateMeasurement.htm
LAMPIRAN