percobaan iii - WordPress.com

PERCOBAAN III
TRANSDUSER UNTUK APLIKASI PENGUKURAN TEMPERATUR
A. TUJUAN PERCOBAAN :
1. Mengetahui karakteristik dasar dari sebuah Transduser IC Temperatur.
2. Menyusun sebuah tampilan temperatur digital dengan menggunakan fasilitas
unit DIGIAC 1750.
3. Mengetahui konstruksi dan karakteristik dasar dari sebuah transduser tahanan
platinum(RTD).
4. Mengetahui konstruksi dan karakteristik dasar dari sebuah Thermistor NTC.
5. Mengetahui konstruksi dan karakteristik dasar dari sebuah Thermocouple.
B. TEORI DASAR :
Transduser temperatur dapat digunakan untuk keperluan pengukuran
temperatur. Transduser ini memiliki karakteristik kerja yang peka terhadap
perubahan temperatur atau suhu, sehingga dengan sifat tersebut, sangatlah ideal
untuk diterapkan dalam mendeteksi perubahan temperatur yang diubah kedalam
bentuk energi lain (arus dan tegangan).
Type “K” Thermocoupte
I.C Temperature Sensor
Ext
O/P
O/P
Rel
Int.
Heater
A
B
O/P
B
A
N.T.C Thermistors
Heater Element (12 Max)
O/P
Platinum
I/P
Gambar 3.1 Tata Letak (Layout) dari Fasilitas Transduser Temperatur Unit
DIGIAC 1750.
58
1. Transduser IC Temperatur
Rangkaian terintegrasi (IC LM 335) ini terdiri dari 16 buah transistor, 9
buah resistor dan 2 buah kapasitor yang dimuat dalam sebuah paket transistor.
IC LM 335 menghasilkan output 10mV/°K. Karena itu pengukuran tegangan
outputnya menyatakan temperatur dalam °K. Misalnya pada temperatur 20°C
(293°K), maka tegangan outputnya akan sama dengan 2,93V.
Susunan rangkaian yang disediakan oleh unit DIGIAC 1750 ditunjukkan
pada gambar 3.2 dibawah ini :
+ 5V
1 kOhm
1 kOhm
Ext
O/P
Adj.
LM 355
I nt
Socket for connection
of External LM 335
0V
Gambar 3.2 Susunan Rangkaian yang di Sediakan Oleh Unit DIGIAC 1750
Soket 2 pin disediakan untuk hubungan luar (external) unit LM 335 jika
diperlukan. Unit LM 335 yang dipasang diluar batas pemanasan dan
dipasangkan dalam heat sink(pendingin) thermokopel tipe K, outputnya
diperoleh dari soket “Ref”. Output ini dapat digunakan sebagai indikasi
temperatur ruang diluar batas pemanasan. Dan dari soket”Int” pada gambar
3.2 menunjukkan temperatur yang tidak melebihi
temperatur batas
pemanasan. Output dari soket “Ref” tidak memberikan nilai yang akurat dari
temperatur ruang bila pemanas digunakan. Sebenarnya, sebagian besar
pemanasan disalurkan ke seluruh baseboard melalui hubungan dengan
pemanas (heater). IC LM 335 dioperasikan secara bertahap atau dengan
beberapa metode lainnya yang diperlukan untuk hasil yang akurat dari
temperatur ruang.
59
2. Konstruksi Thermistor Digital dengan Menggunakan fasilitas Unit
DIGIAC 1750.
untuk percobaan ini, tegangan output LM 335 yang dibutuhkan sebesar
2,93V. Pembalik tegangan ke frekuensi (V/F Converter) menghasilkan
frekuensi output sebesar 1KHz/V. Display memiliki 3 digit dan dapat
menghitung maksimal 600 hitungan per detik. Penurunan output LM 335 10
kali akan mengeluarkan output sebesar 0,293V yang menghasilkan frekuensi
293Hz dari V/F Converter dan nilai ini tidak melampaui kemampuan hitung
counter. Penguat buffer digunakan untuk memperkacil pembebanan IC LM
335.
Resistor 10K dan Penguat #1 digunakan untuk mengatur penguatan
tegangan sebesar kalibrasi yang diperbolehkan. Difrensial digunakan untuk
mengatur bentuk gelombang dari V/F converter dan menyesuaikan untuk
input counter/timer.
3. Transduser RTD(Resistance Temperatur Dependent)Platina.
Konstuksi Transduser RTD Platina diperlihatkan pada gambar 3.3.
Bahan dasarnya terbuat dari lapisan tipis platina yang dipadukan dengan
lapisan keramik dan memiliki lempengan emas pada setiap ujungnya yang
berhubungan dengan selaput platina.
Selaput platina disusun dengan sinar laser sehingga resistansinya
sebesar 100Ω pada suhu 0°C. Nilai tahanan selaput meningkat sesuai
peningkatan temperatur karena memiliki koefisien temperatur positif.
Peningkatan resistansinya linier, hubungan antara perubahan resistansi dan
kenaikan temperatur untuk transduser ini sama dengan 0,385Ω/°C.
Rt = Ro + 0,385t
Dimana Rt = Resistansi pada temperatur °C.
Ro = Resistansi pada temperatur 0°C. = 100Ω
60
Laser Trimmed Platinum Film
Ceramic Substrate
Gold
Contact
Plates
Connections
Gambar 3.3 Kontruksi Transduser RTD Platina
Biasanya unit ini akan dihubungkan kesumber DC lewat resistor
seri dan tegangan diambil melalui transduser yang diukur. Arus yang
mengalir pada transduser akan memanaskan transduser. Temperatur
meningkat tidak teratur, yang sebenarnya 0,2°C/mW di dalam transduser.
Susunan rangkaiannya pada unit DIGIAC 1750 sebagai berikut :
O/P
R.T.D
0V
Gambar 3.4 RTD Platina
pada percobaan karakteristik Transduser RTD Platina, RTD Platina
akan dihubungkan seri dengan sebuah resistpor bernilai tinggi ke sumber
DC dan mengukur drop tegangan yang melaluinya. Sebenarnya untuk
resistansi yang bervariasi, perubahan arus dapat diabaikan dan tegangan
pada transduser akan langsung sebanding dengan tahanannya.
4. Transduser NTC ( Negative Temperature Coefficient)
Konstruksi Thermistor NTC ditunjukkan pada gambar 3.5 terdiri
dari bahan dasar elemen yang terbuat dari logam oxida seperti nikel,
magnesium dan kobalt dengan penghubungnya dibuat pada setiap sisi
elemen.
61
+ 5V
Metal
Oxida
Element
Th 1
O/P
Th 2
Contacts
Construction
Electrical Circuit
0V
Gambar 3.5 Kontruksi Thermistor NTC
Selama temperatur elemen meningkat, resistansinya menurun,
karekteristik perbandingan resistansi dan temperatur menjadi titik linier.
Resistansi Thermistor yang disediakan oleh unit DIGIAC 1750 mencapai
5KΩ pada temperatur ambang 20˚C ( 293˚K ). Hubungan antara resistansi
dan temperatur ditunjukkan dengan rumus:
Dimana
R1
= Resistansi pada temperatur T1˚K
R2
= Resistansi pada temperatur T2˚K
E
= 2,718
B
= Temperatur karakteristik = 4350˚K
Dua unit serupa telah dipersiapkan, satu dipasang didalam batas
pemanas, yang dihubungkan dengan sumber –5V dan diberi tanda A. Yang
lainnya dipasang diluar batas pemanas, yang dihubungkan ke 0V dan
diberi tanda B. Susunan rangkaiannya diperlihatkan pada gambar 3.1.
5. Karakteristik Thermistor NTC
pada metode pengukuran resistansi, resistansi thermistor NTC
bervariasi antara 5K – 1,5 KΏ untuk batas temperatur yang diperbolehkan
pada pemanasan. Batas untuk temperatur ambang ( ruang ) sebesar 20ºC.
Untuk skala besar, kita tidak dapat menggunakan metode yang digunakan
pada percobaan transduser RTD untuk mengukur resistansi. Juga, bila
62
hasil pengamatan tetap diambil pada selang waktu 1 menit. Pembacaan
resistansi harus diperboleh dalam waktu singkat.
Metode yang digunakan yaitu menghubungkan thermistor secara
seri dengan resistor yang sesuai ke sumber +5V. Untuk setiap pembacaan,
variabel resistor diatur sampai tegangan pertemuan thermistor dan resistor
setengah dari tegangan sumber. Untuk pengaturan ini akan ada drop
tegangan yang sama pada thermistor dan resistordan resistansinya akan
sama, karena itu nilai resistansi diambil dari resistor yang sesuai dengan
resistansi thermistor.
6. Transduser Temperatur Thermokopel Type K
Gambar 3.6 menunjukkan konstruksi dasar thermokopel, terdiri
dari dua batang kawat yang berbeda, yang disatukan pada salah satu
ujungnya.
Untuk Thermokopel type K, dua bahannya adalah alumel dan
chromel. Dengan susunan ini, ketika ujung yang satukan dipanaskan
bersamaan, tegangan output diambil diantara kedua ujung lainnya. Ujung
yang digabungkan, disebut sebagai pertemuan panas (ht junction) dan
ujung yang lainnya disebut sebagai pertemuan dingin (cold junction).
“Hot” Junction
Spot
Welded
Junction
“Cold”
Junction
Output
Voltage
Alumel
Wire
Gambar 3.6 Konstruksi Dasar Thermokopel
Besarnya tegangan output tergantung perbedaan temperatur antara
pertemuan panas dan dingin dan bahan yang dipakai. Untuk thermokopel
type K, tegangan outputnya hampir linier melebihi batas temperatur 0ºC -
63
100ºC dan besarnya berbeda 40,28uV/ºC antara pertemuan panas dan
dingin.
Dua thermokopel disediakan oleh unit DIGIAC 1750, satu pasang
di dalam batas pemanas, yang merupakan unit aktif yang akan memiliki
temperatur yang berbeda pada pertemuan panas dan dingin saat
dioperasikan.
Unit yang lain dipasang diluar batas pemanas dan digabungkan
pada heat sink transduser temperatur IC LM 335 sehingga temperatur
pertemuan dingin thermokopel aktif dapat diukur. Thermokopel yang
kedua ini dihubung seri dengan yang pertama dengan kabel yang sama
menghubungkan keduanya. Hal ini memastikan bahwa hubungan ke
rangkaian output dibuat dari bahan yang sama dengan demikian
meniadakan kemungkinan terjadinya kesalahan dalam rangkaian dengan
kedua bahan penghantar yang berbeda.
Thermokopel yang kedua tidak memperbesar tegangan output
karena pertemuan panas dan dinginnya dipertahankan pada temperatur
yang sama.
+ 5V
1 kOhm
Active
Thermocouple
-
LM 355
O/P
+
Inactive
Thermocouple
0V
Gambar 3.7 Susunan Rangkaian Thermokopel
64
Sebenarnya untuk output tegangan rendah, outputnya memerlukan
penguatan dan faktor penguatan sebesar 248 yang menghasilkan output
sebesar 10mV/ºC.
Selama pengoperasian temperatur pertemuan dingin bervariasi,
sebenarnya sebagian besar penghantar panas dari pemanas keseluruh
baseboard dan juntion mengakibatkan penguapan. Hal ini terjadi karena
pemasangan thermokopel dimana penghubung thermokopel pendek. Untuk
mengatasi masalah tersebut digunakan penghubung yang lebih panjang
dari bahan yang sama atau berbeda yang memiliki sifat termoelektrik yang
sama untuk memperpanjang pertemuan dingin agar mendapat sebuah titik
dimana temperatur tetap dapat dipertahankan. Kabel-kabel tersebut
berfungsi sebagai kabel pengganti.
C. ALAT DAN BAHAN
1. Transduser Temperatur IC LM 335
2. Voltmeter Digital
3. Penguat Buffer
4. Resistor geser karbon 10K
5. Penguat #1
6. V/F Converter
7. Differentiator
8. 3- Digit Counter/Timer
9. Transduser RTD Platina
10. Resistor kawat gulung 10K
11. Thermistor NTC
12. Resistor 10 putaran 10K
13. Thermokopel type K
14. Penguat Instrumen
15. Penguat 100x
16. Kabel penghubung (jumper).
65
D. GAMBAR PERCOBAAN
V
Heater
0V
Gambar 3.8 Karakteristik IC Temperature LM 335
Buffer #1
I.C. Temp.
Sensor
Int
1
100
10
Heater
+12 V
C
V
0V
Amp. #1
0,1
1,0
B
10 kOhm
A
Gambar 3.9 Konstruksi Thermometer Digital
66
I.C. Temp. Sensor
Int.
C
O/P
B
10 kOhm
Platinum R.T.D
V
Heater
A
+5V
0V
+ 12 V
Gambar 3.10 Karakteristik Transduser RTD Platina
+5V
D
R1
G
A
B
12 kOhm
A
C
N.T.C Thermistor
R2
0V
Heater
+ 12 V
Gambar 3.11 Karakteristik Thermistor NTC
+5V
0V
V
Schematic Diagram
Gambar 3.12 Karakteristik Rangkaian Jembatan NTC dengan Satu dan Dua
Thermistor Aktif.
67
Amp. #1
B
A
1
100
10
0,1
0V
1,0
V
Gambar 3.13 Karakteristik Thermokopel Type K
E. LANGKAH KERJA
1.Karakteristik IC Temperatur LM 335
1. Menghubungkan voltmeter ke rangkaian seperti pada gambar 3.8,
nyalakan power supply dan catat tegangan outputnya, penunjukan
temperaturnya dalam ºK.
2. Sekarang hubungkan sumber +12V ke soket input heater dan catat
pembacaan tegangan tiap menit sampai pada nilai yang tetap. Masukkan
nilainya pada tebel 3.1.
2.Konstruksi Thermometer Digital
1. Pertama, tombol offset penguat #1 harus diatur dengan tepat. Mulai
sekarang anda harus memahami prosedur, untuk menyegarkan ingatan,
prosedur diberikan ulang. Dengan power supply menyala, hubungkan
input penguat #1 ke 0V dan hubungkan output ke MC Meter + dan
hubungkan soket meter ke 0V. Fine gain penguat #1 pada posisi 1,0 dan
coarse gain pada posisi 10, atur tombol offset untuk output mendekati 0,
lau putar coarse gain ke 100 dan atur output 0. Putar tombol coarse dan
fine gain penguat pada posisi 1 dan 1,0 berurutan.
2. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.9. Geser resistor 10K
pada posisi paling kanan, diferensiator time tetapkan pada posisi 1s dan
tombol counter pada posisi count dan 1s.
68
3. Mencatat pembacaan voltmeter lalu tekan tombol reset pada counter dan
catat nilai tampilan terakhir. Bandingkan nilainya dengan pembacaan
voltmeter.
 Jika nilai tampilan melebihi pembacaan voltmeter, turunkan sedikit
posisi resistor geser lalu tekan kembali tombol reset counter. Catat
kembali tampilannya. Bandingkan nilainya dengan pembacaan tadi.
Ulangi langkah tersebut sampai tampilan dan pembacaan voltmeter
sama.
 Jika nilai tampilan lebih kecil dari pembacaan voltmeter, naikkan fine
gain penguat #1 dan tekan tombol reset counter dan catat kembali
tampilannya.
Ulangi
langkah
tersebut
sampai
tampilan
dan
pembacaan voltmeter sama.
Pemasangan alat harus disesuaikan sehingga menampilkan counter 3
digit untuk nilai temperatur saat tombol reset ditekan.
4. Menghubungkan sumber 12V ke input heater, catat penunjukan tegangan
dengan voltmeter, tekan tombol reset counter. Dan catat nilai
tampilannya. Masukkan nilainya pada tebel 3.2.
5. Mengulangi langkah tersebut, pencatatan nilai voltmeter dan pembacaan
tampilan counter, untuk perbandingan besarnya kanaikan temperatur.
Masukkan nilainya pada tebel 3.3.
3.Karakteristik Transduser RTD Platina
1. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.10, dengan voltmeter
detempatkan pada posisi 2V DC.
2. Dengan power supply menyala, atur tombol resistor 10K sehingga drop
tegangan pada RTD Platina sebesar 0,108V yang ditampilkan oleh
voltmeter digital. Hal ini mengkalibrasikan RTD Platina untuk temperatur
ambang 20ºC, karena resistansi RTD pada suhu 20ºC sama dengan 108Ω.
Catatan : Jika temperatur ambang bukan 20ºC, tegangan dapat diatur ke
nilai yang tepet untuk temperatur ambang bila diperlukan.
69
a. Mengatur voltmeter pada skala 20V dan ukur output dari transduser
IC temperatur untuk mendapatkan temperatur ambang dalam ºK. Lalu
dalam ºC = (ºK-273).
b. Resistansi RTD = 100 + 0,385 X ºC. Atur drop tegangan pada RTD
untuk nilai ini.
3. Sekarang hubungkan sumber 12V ke input heater dan catat nilai tegangan
pada RTD dengan voltmeter. Atur pada skala 2V (ini menyatakan
resistansi RTD) dan tegangan output transduser temperatur dengan
voltmeter yang distel pada skala 20V (ini menyatakan temperatur RTD).
Masukkan nilainya pada tabel 3.4.
4. Mengulangi pengamatan untuk selang waktu 1 menit dan masukkan
nilainya pada tebel 3.4.
5. Menggambar grafik perbandingan resistansi RTD terhadap temperatur
pada bidang yang disediakan.
4.Karakteristik Thermistor NTC
1. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.11. Atur saklar
rangkaian jembatan wheatstone ke out untuk memutus resistor 12K dan
Rx dari rangkaian dan tempatkan resistor putar pada posisi 500.
2. Menyalakan power supply, atur tombol resistor sampai tegangan pada
voltmeter = 2,5V dan catat pembacaan resistor putar dan temperatur
dengan menghubungkan voltmeter sementara ke soket “Int” transduser IC
temperatur. Masukkan nilai pembacaan angkan dan temperatur dalam
tabel 3.5.
3. Sekarang hubungkan sumber 12V ke input heater dan selang waktu 1
menit, catat pembacaan nilai resistor putar untuk memperoleh tegangan
resistansi 2,5V dan juga temperatur. Masukkan nilainya pada tabel 3.6.
4. Menggambar grafik perbandingan antara resistansi thermistor dan
temperatur pada tempat yang disediakan.
5. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.11 dan atur saklar
rangkaian jembatan wheatstone ke out. Gunakan salah satu voltmeter
70
digital atau gabungan dari penguat differensial, penguat #1 dan meter
kumparan putar sebagai galvanometer.
6. Menyeimbangkan jembatan untuk keadaan dengan thermistor B(a) dingin
dan B(b) panas dan hitung resistansinya untuk setiap keadaan.
5.Karakteristik Rangkaian Jembatan NTC dengan Satu dan Dua
Thermistor Aktif
1.
Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.12 dan atur saklar
rangkaian jembatan wheatstone pada posisi out.
2.
Menghubungkan voltmeter antara soket NTC A dan 0V. Nyalakan power
supply dan atur resistor 10 putaran 10K sehingga pembacaan voltmeter =
2,5V. Sekarang resistor 10K dan thermistor Th1 diatur untuk resistansi
yang sama.
3.
Sekarang hubungkan voltmeter diantara soket NTC A dan soket B
resistor kawat gulung 10K dan atur tombol resistor kawat gulung untuk
pembacaan tegangan 0V.
4.
Menghubungkan voltmeter antara soket NTC A dan soket B resistor geser
carbon 10K dan atur posisi resistor geser untuk tegangan output 0V.
Sekarang kedua jembatan diatur untuk output 0 dengan thermistor pada
temperatur ambang.
Catat temperatur dengan mengukur tegangan output dari soket “Int”
transduser IC temperatur dan masukkan nilainya kedalam tabel 3.7
5.
Sekarang hubungkan sumber 12V ke input heater dan pada selang waktu
1 menit catat temperatur dan tegangan output dari tiap rangkaian
jembatan. Tegangan-tegangan output diukur diantara soket NTC A dan
soket B resistor kawat gulung 10K dan resistor geser carbon 10K.
Masukkan nilainya ke dalam tabel 3.8.
6.
Menggambar grafik perbandingan tegangan output terhadap temperatur
untuk kedua rangkaian jembatan pada bidang yang sama yang disediakan.
71
6.Karakteristik Thermokopel Type K
1. Menghubungkan rangkaian seperti pada gambar 3.13. Atur voltmeter
pada skala 2V dan atur tombol coarse gainpada posisi 10 dan fine gain
pada posisi 0,25V pada penguat #1.
2. Menyalakan power supply lalu atur tombol offset penguat #1 seperti yang
ditunjukkan. Hubung singkat rangkaian penghubung input ke instrumen
penguat dan atur tombol offset untuk penunjukan 0 pada voltmeter.
3. Menghubungkan kembali output thermokopel ke instrumen penguat
seperti pada gambar 3.15. Tegangan output
harus tetap nol dengan
pertemuan panas dan dingin pada temperatur yang sama.
4. Mencatat temperatur didalam dan diluar batas pertemuan dingin dengan
mengatur voltmeter pada skala 20V, lalu ukur output tegangan dari soket
“Int” transduser temperatur IC, lalu dari soket output”Ref”IC LM 335
yang disediakan unit thermokopel type K. Masukkan nilainya pada tabel
3.9.
5. Menghubungkan sumber 12V ke heater dan pada selang waktu 1menit,
catat nilai tegangan output thermokopel dan tegangan tersebut
menunjukkan temperatur pertemuan panas dan dingin thermokopel.
Masukkan nilainya pada tabel 3.9.
6. Menggambar grafik perbandingan tegangan output thermokopel terhadap
perbedaan temperatur antara pertemuan panas dan dingin pada tempat
yang disediakan.
72