materi iv termokopel

TERMOKOPEL
TERMOKOPEL
Pendahuluan
Pada tahun 1821, Ilmuwan Jerman
bernama Thomas Johann Seebeck
melakukan percobaan sebagai berikut:
A
E
A
B
Rangkaian Tertutup kawat A dan B
Seebeck mendeteksi adanya tegangan
pada rangkaian tertutup pada kawat
tembaga (A) dan Bismuth (B) apabila
salah satu sambungan kawat
dipanaskan.
Apabila sambungan tersebut didinginkan,
terdeteksi adanya perubahan polaritas
tegangan. Rangkaian ini kemudian di kenal
dengan nama termokopel, yang merupakan
kependekan thermo-electric couple.
Termokopel merupakan salah satu sensor besaran
suhu yang terdiri dari sepasang kawat yang
terbuat dari bahan yang berbeda.
Kedua kawat tersebut disambung pada salah satu
ujungnya sementara ujung yang lain disambungkan
ke alat ukur tegangan melalui kawat tembaga
Ti
A
Cu
Voltmeter
B
Measuring Junction
Cu
Reference Junction
Perbandingan antara termometer tahanan dgn termokopel
Parameter
Termometer Tahanan
Termokopel
Akurasi/Ketidakpastian
Lebih Akurat
Kurang Akurat
Rentang Ukur
Lebih Sempit
Lebih Luas
Stabilitas
Bagus
Sedang
Harga
Lebih Mahal
Lebih Murah
Sensor
Stem
Ujung/sambungan
Respon
Lebih Lambat
Lebih Cepat
Ukuran
Lebih Besar
Sangat Kecil
Titik Acuan
Tidak diperlukan
Diperlukan
Efek Getaran
Kurang Tahan
Lebih Tahan
Efek Self Heating
Ada
Tidak Ada
Kawat Sambungan
Kawat Tembaga
Kawat termokopel sampai
dengan sambungan acuan
Kekuatan
Lebih Lemah
Lebih Kuat
Luaran
Tahanan
Tegangan
Pt-100 : 0,4 ζ/°C
Base Metal : 40 μV/°C
Pt-25 : 0,1 ζ/°C
Noble Metal : 10 μV/°C
Gejala Seebeck
Konduksi panas
Apabila seutas kawat dipanaskan pada
satu ujungnya, panas akan mengalir
dari ujung yang dipanaskan menuju
yang lebih dingin.
Aliran panas ini terjadi dengan dua
Proses.
o Tumbukan antar elektron
o Aliran panas melalui awan elektron
Medan listrik yang terjadi karena
adanya gradien suhu disebut gejala
Seebeck.
T1
Awan elektron bergerak ke sambungan dingin
Menyebabkan polarisasi dan timbulnya medan listrik
Sumber Panas
Proses terjadinya gejala Seebeck
T2
Tegangan Seebeck sebuah kawat Logam
Medan listrik, E, yang terjadi berbanding
lurus dengan gradien suhu kawat, ∂T/∂x,
sehingga,
E = S(x, T)∂T/∂x
Dimana S(x,T) adalah koefisien Seebeck
Diketahui beda potensial antara kedua
ujung logam E= ∂V/∂x, shg
∂V = S(x,T)∂T
Untuk logam homogen, S merupakan fungsi dari T saja; S
= S(T). Sehingga, tegangan Seebeck adalah
ε= ∫Sa(T)dT
Tegangan Seebeck termokopel Untuk sebuah termokopel,
tegangan Seebeck dapat dihitung sebagai berikut :
t2
t1
t3
VAB
Cu
εA
Perhitungan tegangan Seebeck termokopel
V = εA – εB = ∫[SA – SB] dT
V = a1(t2-t1) + a2(t2²-t1²)+….an(t2²-t1²)
Bila t1=0, V=a1t2 - a2t2² +ant2
Nilai tegangan listrik yang dihasilkan
termokopel tidak bergantung pada
panjang kawat atau diameternya, tetapi
bergantung pada bahan dan beda
suhu antar sambungan ukur (t1) dan
sambungan acuan (t2)
Tipe-tipe Termokopel yang popular*
Tipe
Jenis Bahan
Kaki Positif
Kaki Negatif
B
Paduan Platina-30% Rhodium
Platina
E
Paduan Nickel-Chromium
(Chromel)
Paduan Tembaga-Nickel
J
Besi
Paduan Tembaga-Nickel
K
Paduan Nickel-Chromium
(Chromel)
Paduan Nikel-Aluminium
N
Nicrosil
Nisil
R
Paduan Platina-13% Rhodium
Platina
S
Paduan Platina-10%
Platina
T
Tembaga
Paduan Tembaga- Nikel
*ASTM E-230-96: Kaki positif suatu termokopel diberi notasi P dan
kaki negatifnya diber notasi N. Contohnya kaki positigf termokopel
tipe KP dan kaki negatifnya KN dst
Batas Maksimum Suhu (°C)*
Tipe
Diameter
Kawat
3.25
1.53
0.81
0.51
0.33
B
-
-
-
1705
-
E
871
649
538
427
427
J
760
593
482
371
371
K
1260
1093
982
871
871
R
-
-
-
1482
-
S
-
-
-
1482
-
T
-
371
260
204
204
*ASTM E-230-96: Suhu diatas dicapai dgn memasang insulasi keramik yg
tertutup pada satu ujung. Suhu yg lebih tinggi dapat dicapai dgn
kompensasi umur dan kestabilan termokopel
Kode Warna termokopel dgn isolasi duplex*
Warna Bungkus
Tipe
Kaki positif
Kaki negatif
Warna Bungkus
Keseluruhan
E
Ungu
Merah
Coklat
J
Putih
Merah
Coklat
K
Kuning
Merah
Coklat
T
Biru
Merah
Coklat
R
(Hitam)
(Merah)
(Coklat)
S
(Hitam)
(Merah)
(Coklat)
*ASTM E-230-96
Cuplikan tabel ASTM E-230-96 untuk termokopel tipe S
EMF IN Millivolts
°C
0
1
2
Reference junctions at 0 ˚C
---
4
5
---
8
9
10
THERMOELECTRIC VOLTAGE IN MILLIVOLTS
0
0.000
0.005
0.011
---
---
---
---
0.044
0.050
0.055
10
0.055
0.061
0.067
---
---
---
---
0.101
0.107
0.113
20
0.113
0.119
0.125
---
---
---
---
0.161
0.167
0.173
…..
----
---
---
---
---
---
---
---
---
---
….
----
---
---
---
---
---
---
---
---
---
….
----
---
---
---
---
---
---
---
---
---
100
0.646
0.653
0.661
---
---
---
---
0.705
0.713
0.720
110
0.720
0.727
0.735
---
---
---
---
0.780
0.788
0.795
120
----
---
---
---
0.826
0.834
---
---
---
---
….
-----
---
---
---
---
---
---
---
---
---
Penentuan koefisien Seebeck dari
tabel acuan
Dapat dilihat pada tabel 5, untuk
termokopel tipe S pada suhu 100˚C,
Apabila suhu naik 1˚C, tegangan naik
sebesar 7 μV. Pada suhu 0˚C,
koefisien Seebeck termokopel sebesar
5 μV/˚C.
Contoh penggunaan tabel acuan
Sebuah termokopel tipe S dipakai untuk
mengukur sebuah oven. Suhu sambungan
acuan adalah 0˚C dan tegangan outputnya
diukur dengan digital voltmeter (DVM) yg
impedansi inputnya sangat tinggi. Bila
penunjukkan DVM = 0.715 mV, berapakah
suhu minyak silikon tersebut?
Solusi
Dari tabel termokopel tipe S (tabel 5) dapat dilihat
bahwa nilai tegangan yang paling mendekati adalah:
Va = 0.713 mV
ta = 109˚C
Vb = 0.720 mV
tb = 110˚C
Vx = 0.715 mV
antara ta & tb
Cu
Vx
Vb
DVM
t1 =0°
Cu
Vx
Va
tx
ta
tx
tb
Contoh Pengukuran dgn sambungan acuan 0˚C
Harga tx yang sebenarnya dapat dicari dengan
cara interpolasi dgn asumsi bahwa untuk
interval suhu 1˚C hubungan antara V dan t
adalah linear. Dari grafik gambar 5 dpt
dituliskan persamaan Sbg:
tx - ta = Vx - Va
tx - tx Vb - Va
Jadi,
tx = ta +(tb - ta)x Vx - Va
Vb - Va
= 109 +(1)x 0.715 - 0.713
0.720 - 0.713
= 109,29˚C
Penggunaan tabel acuan apabila ≠0˚C
Persamannya:
T
 S (T )dT  
0
tref
T
tref
S (T )dT 
 S (T )dT
0
V(T , 0)  V(T ,ref )  V( ref , 0 )
Perhitungan menjadi salah apabila tegangan
terukur di konversi menggunakan tabel
acuan kemudian baru ditambahkan suhu
acuan (tref) pada hasil konversi tersebut.
Misalnya apabila pd contoh sebelumnya (gambar
5), sambungan
Acuan adalah 20˚C.
V(ref,0)=tegangan dari suhu 20˚C ke
suhu 0˚C, dari tabel 5 di dapatkan
0,113 mV
V(T,ref)=tegangan yg ditunjukkan DVM,
yaitu 0,715 mV
Sehingga V(T,0)=0,715+0,113 = 0,828 mV
Kalibrasi Termokopel
Kalibrasi termokopel dapat dilakukan
dengan 2 cara :
 Metode fixed point
Menggunakan titik-titik tetap ITS-90
sebagai standar
Keuntungan: akurasi yang tinggi
 Metode perbandingan relatif
Memungkinkan untuk dilakukannya
otomatisasi proses kalibrasi
Metode Perbandingan
Termometer standar yg digunakan adalah
standar tipe S dan termokopel yang
dikalibrasi adalah termokopel tipe K.
Media kalibrasi (furnace) yg digunakan
harus diketahui keseragaman
suhunya. Pengaruh ketidakseragaman
Suhu media dapat dikurangi dgn
meletakkan kedua termokopel sedekat
mungkin
Dalam memilih DVM utk membaca luaran termokopel perlu
diingat bahwa termokopel mempunyai sensitifitas
(koefisien Seebeck) antara 5 μV~40 μV, bergantung pada
tipe termokopel dan suhu yg diukur. Gambar dibawah ini
memperlihatkan set up kalibrasi termokopel dgn metode
perbandingan
Switch
furnace
DVM
Termokopel yg dikalibrasi
Titik es
Tabel dibawah ini memperlihatkan hasil kalibrasi berikut
perhitungan koreksinya. Kolom I adalah set point
media kalibrasi. Nilai tersebut tidak harus tercapai
secara akurat, tetapi media harus stabil pada
suhu sekitar set point.
Hasil
Pengukuran
Hasil
Perhitungan
Koreksi
Set point
(°C)
Vtest
(μV)
Vstd
(μV)
Koreksi
(μV)
Vstd corrected
(μV)
Tstd
(°C)
Vref
(μV)
Vref –
Vtest
(μV)
…
…
….
….
….
….
…
…
100
4076
645
1
646
100
4096
20
…
….
…
…
…
…
…
…
Kolom II dan III adalah hasil pembacaan
DVM utk kedua termokopel. Pembacaan
biasanya dilakukan lima kali dan hitung
rata-ratanya. Kolom IV adalah koreksi
luaran termokopel standar yang nilainya
di dapatkan dari sertifikat kalibrasi
termokopel. Kolom V adalah hasil
penjumlahan kolom II dan IV disebut
nilai terkoreksi.
Kolom VI di dapatkan dgn melakukan
konversi nilai tegangan pada kolom V
ke besaran suhu disebut suhu acuan,
Tstd. Kolom VII adalah hasil konversi
nilai suhu pada kolom VI
menggunakan tabel termokopel tipe K
disebut tegangan acuan, Vref. Kolom
VIII selisih antara tegangan acuan dgn
tegangan termokopel.
Kalibrasi biasanya dilakukan pada 5-8 titikukur, misalnya 400°C,
600°C, 800°C,1000°C. Untuk mendapatkan koreksi pada nilai
suhu yang lain, melakukan interpolasi Tstd thd koreksi
Perhitungan Ketidakpastian Koreksi
No.
Sumber Ketidakpastian
Tipe
1
Pengukuran Berulang
2
+
B*t
A
+
0
Regresi
A
+
0
3
Sertifikat Standar
B
+
4
Sertifikat DVM (std)
B
+
0
5
Sertifikat DVM (test)
B
+
0
6
Distribusi media
B
+
0
7
Titik es (std)
B
+
0
8
Titik es (test)
B
+
0
9
Ketidakseragaman termokopel
B
+
0,001
Keidakpastian Kombinasi (Uc)
A
0
+
Faktor Cakupan
Ketidakpastian Bentangan (U95)
+
TERIMA KASIH