Termokopel Oleh
advertisement
Termokopel Oleh : Ardhiansyah, MT. Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan temperatur adalah[1]: [1] πΈπ΄π΅ π = ππ΄π΅ π βπ Seorang praktisi kalibrasi Dimana : EAB(T) adalah tegangan Seebeck Pendahuluan S(T) adalah koefisien Seebeck, Termokopel adalah sensor temperatur yang paling banyak βT adalah perbedaan temperatur antara hot digunakan dalam industri disebabkan kesederhanaan dan junction dengan cold junction. kehandalannya. Termokopel terdiri dari dua konduktor atau ”termoelemen” yang berbeda, dihubungkan menjadi Perilaku termokopel ideal dapat dijelaskan dengan hukum satu rangkaian seperti yang terlihat pada gambar 1. termoelektrik berikut: 1. Law of Homogenous Metals; EMF tidak akan ada jika termoelemen A dan B merupakan konduktor dari bahan yang sama. 2. Law of Intermediate metals; jika ada penambahan material C pada rangkaian termokopel, Gambar 1. Diagram skematik termokopel maka tegangan Seebecknya akan sama dengan nol Dua termoelemen A dan B dihubungkan (junction) dan jika jika material temperatur antara junction pertama (cold junction) dan seragam. tersebut pada temperatur yang kedua (hot junction) berbeda maka akan timbul arus akibat gaya gerak listrik (EMF). Gambar 3. Ilustrasi Hukum termoelektrik ke 2. 3. Law of Successive or Intermediate Gambar 2. Pengukuran EMF temperaturs; EMF yang timbul dari termokopel Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan dimana kedua junctionnya pada T 1 dan T3 adalah voltmeter dengan impedansi yang tak terhingga (besar sama dengan EMF junction pada T 1 dan T2 ditambah sekali), seperti yang terlihat pada gambar 2, maka akan EMF junction pada T2 dan T3 (Gambar 4). terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan tersebut dikenal sebagai tegangan Seebeck. Laju perubahan nilai tegangan akibat perubahan temperatur disebut dengan koefisien Seebeck. Jika termokopel digunakan untuk mengukur temperatur hot junction (gambar 2) maka tegangan Seebeck pada cold junction, hot junction serta temperatur cold junction harus diketahui terlebih dahulu. Karena cold junction juga menghasilkan tegangan mempermudah pembacaan Seebeck temperatur maka pada untuk tabel termokopel, cold junction ditempatkan pada ice point of water (titik cair es). EMF, sebenarnya Gambar 4. Ilustrasi hukum termoelektrik ke 3 Konsekuensi dari hukum termoelektrik adalah penyolderan dan pengelasan junction tidak akan mempengaruhi tegangan output, serta penambahan 2 kawat tembaga homogen timbul karena gradien temperatur sepanjang kawat yang menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan mengasumsikan kawat termokopel homogen maka EMF didapat akibat perbedaan temperatur yang menghubungkan termokopel dengan voltmeter akan mempengaruhi tegangan output sehingga tegangan output adalah akumulasi tegangan yang timbul akibat sambungan kawat tembaga dengan dan hot junction. hot junction dan cold junction. Page | 1 Gambar 5. Bak es sebagai reference junction Gambar 7. Ilustrasi model sensor orde satu Termokopel adalah tranduser yang mengubah besaran Dengan mengasumsikan reference junctionnya adalah 0 0C fisis ke besaran elektrik. Output yang dihasilkan adalah maka persamaan [1] menjadi tegangan dc. Output dapat diukur menggunakan voltmeter πΈ0 π = ππ΄π΅ π ππππ dan potensiometer, tetapi mengharuskan penggunaan Dengan mengamsumsikan tidak ada panas yang hilang eksternal kompensator untuk cold junction dimana hal ini maka persamaan kesetimbangan energi menjadi ππ΄ ππππ‘ − tidak efisien karena harus menyediakan media isotermal ππππ ππ‘ = ππΆπππππ untuk reference junction dan memerlukan penggunaan Sehingga fungsi transfer termokopel adalah tabel untuk mengkonversi tegangan menjadi besaran temperatur. Saat ini output termokopel dihubungkan ke thermometer readout selain tidak memerlukan media πΈπ ππππ‘ π terbaca dalam besaran Dimana : U adalah koefisien perpindahan panas overall A adalah luas perpindahan panas Tact adalah temperatur yang akan diukur temperatur. Tind adalah temperatur yang terbaca oleh Thermometer readout telah menyediakan kompensator termometer cold junction (CJC) yang tertanam didalamnya. M adalah massa sensor C adalah panas spesifik sensor, dan Thermowell π= Termokopel yang digunakan untuk mengukur temperatur biasanya diberi pelindung atau yang biasa thermowell. Thermowell pelindung Thermowell termokopel [3] π· = ππ·π΄π΅+1 isotermal, kelebihan lain adalah keluaran termokopel langsung [2] logam dan digunakan dari pada untuk gangguan disebut umumnya terdiri insulatornya adalah dari keramik. melindungi mekanik, ππΆ ππ΄ elektrik kawat serta kontaminan. Penggunaan thermowell dapat merubah waktu tanggap dari termokopel dimana salah satu Gambar 8. Ilustrasi model sensor orde dua kelebihan termokopel adalah waktu tanggap yang cepat. Hot junction termokopel pada umumnya dibagi menjadi 3 yaitu: 1) Eksposed junction (dimana kawat termokopel tidak terproteksi tetapi memiliki waktu tanggap yang Setelah termokopel pelindung maka fungsi transfernya menjadi orde 2 πΈπ π· = (π cepat); 2) Ungrounded junction (kawat terproteksi dengan ππππ‘ baik tetapi memiliki waktu tanggap yang lebih lambat); 3) Dimana : ππ΄π΅ [6] π€ π·+1)(π π π·+1) π πΆ ππ€ = π π€ π΄π€ adalah tetapan waktu well π€ Grounded junction (kawat terproteksi dan waktu tanggap cepat). diberi ππ = ππ πΆπ ππ π΄π π€ adalah tetapan waktu termokopel Dari fungsi transfer termokopel setelah menggunakan pelindung maka terlihat waktu tanggapnya menjadi lebih lambat. Gambar 6. Jenis junction Sebelum termokopel diberi pelindung, fungsi transfer termokopel dapat ditentukan sebagai berikut: Selain itu ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan thermowell yaitu, 1. Pada temperatur tinggi termokopel dapat terkontaminasi akibat migrasi atom Chromium ke termoelemen sehingga material tidak homogen lagi. Page | 2 2. 3. 4. Kemampuan insulator keramik (magnesium oxide) πΈ = ππ΄ π1 βπ1 + ππ΄ π2 βπ2 + β― + ππ΄ ππ βππ − ππ΅ π1 βπ1 − sebagai pelindung dari gangguan elektrik akan ππ΅ π2 βπ2 − β― − ππ΅ ππ βππ menurunkan akibat umur dan penyerapan uap air. Persamaan di atas memperlihatkan bahwa tegangan tidak Perbedaan koefisien ekspansi termal antara kawat tergantung termokopel dan pelindung logam tidak boleh terlalu junction dan cold junction, tetapi pengaruh gradient besar karena akan menyebabkan ekstra regangan temperatur pada kawat termokopel ketika dilakukan proses kekompleksitasan persamaan [7], maka perlu diperhatikan anealing pada termokopel. beberapa hal berikut: Penggunaan thermowell menyebabkan penambahan 1. kawat penyambung Berdasarkan hukum sebagai cold termoelektrik sepanjang temperatur antara kawat. Oleh hot karena yang sama sedemikian sehingga SA(Ti)=SB(Ti), maka kawat penghubung harus memiliki perilaku termoelektrik perbedaan Jika semua kawat termokopel dari satu material junctionnya. maka pada [7] tegangan output sama dengan nol. 2. Konsekuensi dari pernyataan di atas adalah jika yang sama dengan material termokopel. Untuk base salah satu kawat termokopel lebih panjang maka metal kawat penyambungnya adalah termokopel pertambahan sejenis tegangan output. tetapi untuk nobel metal, biasanya menggunakan ekstension wire yaitu kawat (dari 3. panjangnya tidak mempengaruhi Jika SA(Ti) dan SB(Ti) adalah fungsi temperatur saja bahan yang jauh lebih murah dari termokopel) yang maka tegangan output hanya dipengaruhi oleh memiliki perbedaan temperatur cold junction dan hot junction karakteristik termoelektrik yang sama sehingga dengan termokopel pada temperatur kamar. termokopel dapat digunakan untuk mengukur temperatur. Y. A. Abdelaziz dan F. Edler dalam penelitiannya [3] menyebutkan bahwa inhomogenitas adalah variasi spasial dari koefisien seebeck sepanjang termoelemen. Inhomogenitas memberikan kontribusi terbesar dalam budget ketidakpastian kalibrasi termokopel. Penentuan inhomogenitas dilakukan atas sebuah kawat termoelemen Gambar 9a. Diagram Gambar 9b. skematik thermowell Thermocouple well Inhomogenitas Seperti yang pernah disinggung sebelumnya bahwa koefisien seebeck bukan hanya fungsi temperatur saja dimana emf timbul karena perbedaan temperatur hot platina dan copper masing-masing mewakili noble metal termokopel dan base metal termokopel. Penentuan inhomogenitas menggunakan metode two-gradient yaitu menggunakan sebuah heater yang dapat bergerak sepanjang termoelemen. Diagram skematik pengujian inhomogenitas dapat dilihat pada gambar berikut: junction dan cold junction, Pada kenyataannya emf timbul karena gradient temperatur sepanjang kawat termokopel, karena kawat termokopel bukanlah kawat yang benarbenar homogen. Pandang termokopel ideal pada berikut: Gambar 11. Set up peralatan pengujian inhomogenitas termoelemen[3] Kesalahan dalam pengukuran Kesalahan – kesalahan yang mungkin timbul dalam Gambar 10. Kawat termokopel yang dibagi n kali pengukuran temperatur menggunakan termokopel adalah EMF timbul karena gradien temperatur sepanjang kawat sebagai berikut: termokopel yang menghubungkan cold junction dengan 1. Resolusi voltmeter hot junction maka, tegangan total sepanjang termokopel adalah: Page | 3 Jika menggunakan voltmeter untuk mengukur Ts adalah temperatur sistem yang akan tegangan termokopel maka perlu memperhatikan koefisien seebeck termokopel yang digunakan. Sebagai termokopel tipe ilustrasi, koefisien seebeck rata-rata 0,04 K diukur Ti adalah temperatur awal termokopel memiliki mV/0C, Jika termometer mendapat input step maka solusi jika persamaan di atas adalah menggunakan voltmeter dengan resolusi 1 mV maka −π‘ kesalahan pembacaan adalah 0,5 dibagi 0,04 adalah Kesalahan pengukuran sebelum terjadi keadaan 12,5 0C. 2. steady state adalah Heat capacity[1] Prinsip −π‘ pengukuran kesetimbangan [11] ππ = ππ 1 − π π temperatur termal antara adalah termometer [12] ππ = − ππ − ππ π π terjadi Gambar waktu tanggap input step adalah dan sistem yang akan diukur. Temperatur sistem pasti akan berubah karena termometer yang digunakan untuk mengukur menyerap atau melepas panas ke sistem. Sehingga hasil pengukuran menjadi salah. Besar kecilnya kapasitas kesalahan termal dari tergantung termometer. kepada Persentase kesalahan akibat heat capacity adalah[1]: ππ πΆ ππ −ππ [8] π‘ = − πΆ +πΆ π Gambar 12. Waktu tanggap termometer jika π‘ mendapat input step[1] Dimana : Te adalah kesalahan Ts adalah temperatur sistem Jika termometer mendapat input ramp Ti adalah temperatur awal termometer ππ = π΄ π‘ − π − π΄ππ π Ct adalah kapasitas panas termometer Kesalahan pengukurannya adalah: −π‘ Cs adalah kapasitas panas sistem 3. −π‘ Immersion depth and stem losses [1] Kesalahan pengukuran juga disebabkan [13] oleh ππ1 = − π0 − π΄π − ππ π π [14] ππ2 = −π΄π [15] Gambar waktu tanggap waktu input ramp adalah perpindahan panas sepanjang batang termometer ke lingkungan. Di bawah ini adalah persamaan untuk menentukan kedalaman pencelupan yang dibolehkan untuk kesalahan yang diinginkan, ππ = − ππ − ππ π0 π −πΏ πΏ0 [9] Dimana : Ta adalah temperatur ambien L adalah kedalaman pencelupan termometer L0 adalah kedalaman pencelupan ideal, Gambar 13. Waktu tanggap termometer jika besarnya adalah 15 kali diameter batang mendapat input ramp[1] termometer. 4. 5. Thermal lag[1] Radiation error[1] Kesetimbangan termal antara media yang akan Perpindahan panas antara sistem dan termometer diukur dengan termokopel, memerlukan waktu terjadi dalam 3 cara yaitu konduksi, konveksi dan karena itu waktu tanggap termokopel terhadap radiasi. Radiasi tidak memerlukan kontak fisik temperatur sehingga yang akan diukur tidak langsung mencapai keadaan tunak tetapi memerlukan waktu gangguan tergantung tetapan waktu dari termokopel tersebut. pengukuran Fungsi transfer termokopel adalah: permukaan ππ ππ π· = 1 ππ· +1 Dimana : ο΄ adalah tetapan waktu termokopel [10] termometer radiasi termal temperatur benda lebih gas sensitif terhadap khususnya dan dibandingkan dalam temperatur konduksi dan konveksi. Lihat model analog sebuah pengukuran temperatur gas berikut: Page | 4 energi kinetik terdisispasi menjadi panas maka, temperatur akibat energi kinetik adalah 1 ππ£2 π£2 ππ£ = 2ππΆ = Gambar 14. Model analog listrik dari termometer [19] 2πΆ Sehingga temperatur total adalah untuk pengukuran temperatur gas Ti = Ts +Tv Panas yang berpindah dari temperatur gas ke [20] Dimana : m adalah massa gas temperatur termometer adalah sebanding dengan v adalah kecepatan gas panas yang berpindah dari temperatur termometer C adalah panas jenis gas ke temperatur dinding, maka Tv adalah temperatur akibat ππ −π π−ππ€ π [16] = π πΏ energi kinetik π Ti adalah temperatur total Dimana : untuk gas, Ts adalah temperatur statik gas. π πΏ = ππ·π π π Pada prakteknya gas tidak benar-benar stagnan saat T adalah temperatur termometer terjadi tumbukan antara gas dengan termometer Tw adalah temperatur dinding maka persamaan di atas menjadi Tg adalah temperatur gas RL adalah hambatan termal antara termal antara ππ = ππ + adalah hambatan [21] 2πΆ Dimana r adalah faktor recovery yang bernilai antara termometer dan gas RR ππ£2 0,6 ~ 0,8. Pengaruh kecepatan terhadap kenaikan temperatur termometer dengan dinding dapat dilihat dalam gambar berikut ο₯ adalah emisivitas termometer d adalah diameter termometer Φ adalah faktor yang tergantung diameter, kecepatan gas, dan T w (lihat diagram berikut) Gambar 16. Grafik pengaruh kecepatan gas yang diukur terhadap Kenaikan temperature[1] Kalibrasi[1,2,4,5] Gambar 15. Grafik hubungan Φ terhadap perkalian kecepatan dengan diameter kawat[1] ππ·π 6. [17] Velocity effects[1] Ketika sebuah setelah mencapai keadaan steady state) termokopel menggunakan salah satu dari dua metode yaitu pertama Kesalahan pengukurannya adalah ππ = − 1+ππ·π ππ − ππ€ Pada umumnya kalibrasi statik (pengambilan data kalibrasi metode kalibrasi menggunakan fixed point cells, yang kedua adalah metode membandingkan termometer digunakan untuk perbandingan langsung output secara langsung yaitu antara termometer acuan dengan unit under test (UUT) dalam mengukur temperatur gas dengan kecepatan relatif media tinggi maka akan timbul efek pemanasan karena menginginkan energi kinetik. digunakan untuk mengkalibrasi termokopel logam mulia Energi kinetik gas adalah (tipe πΈ= 1 2 ππ£ 2 [18] isotermal. S) Sedangkan Metode pertama dilakukan jika akurasi yang lebih baik dan biasanya dan standar utama laboratorium metode yang kedua kalibrasi. digunakan untuk Diasumsikan pada saat tumbukan gas dengan mengkalibrasi termokopel standar kerja dan kelas industri. termometer, kecepatan gas menjadi nol dan semua Metode fixed point cells Page | 5 Sebelum dilakukan kalibrasi, termokopel tipe S yang akan koefisien perpindahan panas dan itu sulit dilaksanakan, dikalibrasi maka penentuan tetapan waktu dilakukan dengan kalibrasi perlu dipanaskan dilakukan sampai pada anealing dengan temperatur kemudian dibiarkan selama cara maksimumnya kurang lebih 45 menit kondisi dinamis. Tidak seperti kalibrasi statis, penentuan tetapan waktu kemudian didinginkan sampai pada temperatur ruang. dilakukan dengan cara, alat ukur diberi input step Kalibrasi termokopel menggunakan Triple point of water kemudian temperatur termokopel dan waktu di catat (lebih 0 0 (0.01 C), Tin freezing point (231,928 C), Zinc freezing 0 0 point (419,527 C), Aluminium freezing point (660,323 C), Silver freezing point (961.78 0C). mudah menggunakan sistem akuisisi data otomatis). Dari persamaan [11] didapat 1− Kalibrasi untuk menentukan emf termokopel berdasarkan temperatur fixed point cells dimana memiliki nilai tegangan tertentu, kemudian dari hasil kalibrasi tersebut dibuat persamaan matematis yang menghubungkan tegangan π‘ π0 = π −π ππ Data tersebut kemudian diplot dalam skala semilogaritmik. π β πΏπππ 1 − π0 π‘ =− ππ π dan temperatur. ππ 1 =− ππ‘ π πΈ π‘ = π + ππ‘ + ππ‘ 2 Jika Z diplot terhadap waktu akan didapat garis lurus Dimana a, b dan c adalah konstanta yang akan dicari dengan slope − 1 π , kemudian tetapan waktu dapat Metode perbandingan langsung ditentukan dengan mudah. Untuk termokopel base metal tidak perlu dilakukan proses anealing. Termometer standar yang akan digunakan adalah termometer tahanan platina standar atau termokopel tipe S yang telah dikalibrasi menggunakan fixed point cells. Data kalibrasi digunakan untuk membuat persamaan πΈπππ − πΈ = π + ππ + ππ 2 dimana Eref diperoleh dari tabel termokopel standar. Sumber-sumber ketidakpastian yang perlu diperhitungkan, yaitu meliputi : 1. Ketidakpastian termometer acuan berdasarkan setifikat kalibrasi 2. Ketidakpastian indikator standar berdasarkan sertifikat kalibrasi 3. Ketidakpastian Gambar 17. Uji fungsi tangga sistem orde 1[2] Untuk sistem orde 2 tipe nol Solusi atau waktu tanggap indikator UUT berdasarkan sistem orde 2 tipe nol overdamped terhadap input step sertifikat kalibrasi adalah 4. Ketelitian indikator yang digunakan ο΄1 dan ο΄2 dapat ditentukan sebagai berikut: 5. Stabilitas dan uniformity media yang digunakan 6. Stabilitas dan uniformity media reference junction percent incomplete response Rpi ππ dengan persamaan π ππ β 1 − π 100 2. 7. Inhomogenitas termokopel 8. Standard Error Estimate persamaan regresi 9. Compensation lead thermovoltage Tentukan π yang digunakan 10. Parasitic 1. jika pada skala linear. Kurva akan mengikuti garis lurus untuk t yang besar. Perpanjang garis lurus tadi sampai t = 0, perpontongan garis tersebut menggunakan di sumbu Rpi diberi label P1. Kemudian ο΄1 dapat ekstension wire ditentukan dari waktu dimana asimptot garis Tetapan waktu termokopel Sebelumnya telah dibahas tentang pentingnya tetapan waktu dan pengaruhnya terhadap keakuratan pengukuran. Karena pentingnya parameter ini terhadap waktu tanggap dinamik dari sistem pengukuran sedangkan penentuan secara teoritis tidaklah mudah karena harus mengetahui Plot Rpi pada skala logaritmik versus waktu t lurus memiliki nilai sebesar 0.368P1. 3. Plot pada grafik yang sama, kurva perbedaan antara asimptot garis lurus dengan Rpi. Jika kurva tersebut tidak garis lurus maka sistem bukan orde 2. Jika garis lurus maka waktu Page | 6 dimana garis lurus tersebut memiliki nilai 0.368(P1 – 100) adalah ο΄2. Gambar 18. Uji input tangga sistem orde 2 overdamped[2] Daftar Pustaka 1. J.V. Nicholas and D.R. White, Traceable Temperaturs: An Introductory Guide to Temperatur Measurement and Calibration, New Zealand Departement of Scientific and Industrial Research, Wellington, 1982. 2. Doebelin, O. Ernest. Measurement Sistems: Application and Design, Fourth edition. McGraw-Hill Book Co. 1990. 3. Y. A. Abdelaziz and F. Edler, A Method for Evaluation of The Inhomogeneity of Termoelemens, Measurement Science and Technology 20 (2009) 055102 (9pp). 4. G. W. Burns and M. G. Scroger, The Calibration of Thermocouples and Thermocouple Materials, NIST Special Publication 250-35, U.S. Departement of Commerce, 1989. 5. Anonim, Calibration of Thermocouples, Publication reference EAL-G31, European Cooperation for Accreditation of laboratories, 1997. Page | 7