TEMPERATURE MEASUREMENT

TEMPERATURE MEASUREMENT
 Galileo (1592)
• Colored alcohol
 Gabriel Fahrenheit (1700)
• Ice water (0o) - Blood temperature (96o)
 Anders Celcius (1742)
• Melting point of ice (0o)
• Boiling point of water (100o)
 William Thomson, Lord Kelvin (1800)
• K = oC + 273.15 (Absolute temperature)
 W.J.M. Rankine
•
oR
= oF + 459.67
INTERNATIONAL PRACTICAL TEMPERATURE SCALE
IPTS-68
EQUILIBRIUM POINT
K
OC
13.81
-259.34
17.042
-256.108
20.28
-252.87
Boiling Point of Neon
Triple Point of Qxygen
Boiling Point of Neon
Triple Point of Water
27.102
-246.048
54.361
-218.789
90.188
-182.962
273.16
.01
Boiling Point of Water
Freezing Point of Zinc
Freezing Point of Silver
373.16
100
692.73
419.58
1235.08
961.93
Freezing Point of Gold
1337.58
1064.43
Triple Point of Hydrogen
Liquid/Vapor Phase of Hydrogen
Boiling Point of Hydrogen
TEMPERATURE SENSORS
 THERMOCOUPLE
• Thomas Seebeck
 RESISTANCE TEMPERATURE DETECTOR
• Humphry Davy, William Siemens
 THERMISTOR
• Steinhart - Hart
 IC TEMPERATURE TRANSDUCER
• LM335, LM 34, AD592
THERMOCOUPLE
THOMAS SEEBECK (1821)
Dissimilar metals
EFFECT SEEBECK – THERMOELECTRIC CIRCUIT
eAB   T
eAB = Seebeck voltage
 = Seebeck coefficient
TYPE
METAL
 [V/oC]
RANGE [OC]
6
0 to 1820
B
Platinum 6 % Rhodium –
Platinum 30 % Rhodium
E
Nickel – Constantan
58.5
-270 to 1000
J
Iron – Constntan
50.2
-210 to 760
K
Nickel 10 % Cr – Nickel
39.4
-270 to 1372
N (AWG 14)
Nicrosil – Nisil
39
0 to 1300
N (AWG 28)
Nicrosil – Nisil
26.2
-270 to 400
R
Platinum 13 % Rhodium –
Platinum
11.5
-50 to 1768
S
Platinum 10% Rhodium –
Platinum
10.3
-50 to 1768
T
Copper - Constantan
38
-270 to 400
W-Re
Tungsten 5 % Rhodium –
Tungsten 26 % Rhodium
19.5
0 to 2320
NBS POLYNOMIAL COEFFICIENTS
NBS = National Bureau of Standard
Temperature Conversion Equation :
T  a o  a1x  a 2 x 2    a n x
Contoh Soal No. 1.1
Sebuah termokopel tipe J yang digunakan untuk mengukur
temperatur suatu ruang pembakaran menghasilkan tegangan output
sebesar 5,867 mV. Berapa tegangan outputnya bila diukur dengan
termokopel tipe K ?
Termokopel Tipe J
Termokopel Tipe K
Polynomial
Coefficients
ao
- 0,0488683
oC
mV
oC
mV
100
4,095
160
6,539
a1
19873,145
110
4,508
170
6,939
a2
- 218614,54
120
4,919
180
7,338
a3
11569199,8
130
5,327
190
7,737
a4
- 264917531
140
5,733
200
8,137
a5
2018441314
150
6,137
210
8,537
Jawab :
Termokopel Tipe J
Polynomial Coefficients
ao
a1
a2
a3
a4
a5
- 0,0488683
19873,145
- 218614,54
11569199,8
- 264917531
2018441314
3
x  5,867 mV  5,867 x10 V
T  a o  a 1x  a 2 x  a 3 x  a 4 x  a 5 x
2
 111,058 C
o
3
4
5
Termokopel Tipe K
oC
mV
oC
mV
100
4,095
160
6,539
110
4,508
170
6,939
120
4,919
180
7,338
130
5,327
190
7,737
140
5,733
200
8,137
150
6,137
210
8,537
4,919  4,508
V  4,508 
(111,058  110)  4,552 mV
120  110
PENGUKURAN TEMPERATUR MENGGUNAKAN VOLTMETER :
EQUIVALENT CIRCUITS :
Tabel
V  V1  V2
TJ 2  V2

V1  V  V2
V1  TJ1
Contoh Soal No. 1.2
Suatu temperatur diukur dengan menggunakan sebuah termokopel
tipe J dan sebuah DVM (Digital Volt Meter). Temperatur ruangan
pada saat pengukuran adalah 28 oC dan DVM menunjukkan angka
10,933 mV. Tentukan temperatur tersebut.
Jawab :
Dari tabel diperoleh :
TJ 2  28 o C  V2  1,432 mV
V1  V  V2  10,933  1,432  12,365 mV
220,9  220,8
T  220,8 
(12,365  12,331)  220,861 o C
12,387  12,331
External Reference
V  V1  V2   ( t J1  t J 2 )
T  273,15  t

V  V1  V2   (TJ1  273,15)  (TJ 2  273,15)
V  (TJ1  TJ 2 )  (TJ1  0)   TJ1

IRON-CONSTANTAN THERMOCOUPLE
REMOVING JUNCTIONS FROM DVM TERMINALS
Isothermal Block = electrical insulator + good heat conductor
V   (T1  TREF )
LAW OF INTERMEDIATE METALS
A = Cu
B = Fe
C=C
V   (T1  TREF )
RESISTANCE TEMPERATURE
DETECTOR
• Humphrey Davy  Seebeck
– Tahanan logam dipengaruhi temperatur
• William Siemens
– Platinum resistance thermometer
• PRTD  Standard
– - 182,96 oC – 630,74 oC
• C.H. Meyers (1932)
– Koil platina digulung pada batang mika
– Dimasukkan ke dalam tabung kaca
BEBERAPA TIPE RTD
COMMON RTD MATERIALS
METAL
RESISTIVITY (OHM/CMF)
cmf = circular mil foot
Gold
Au
13.00
Silver
Ag
8.8
Copper
Cu
9.26
Platinum
Pt
59.00
Tungsten
W
30.00
Nickel
Ni
36.00
PENGUKURAN TAHANAN
• Tahanan PRTD
– Puluhan s/d ribuan ohm
– Standard : DIN 43760
• Ro = 100  pada 0oC
•  = 0,00385 / /oC
• Dapat digunakan jembatan Wheatstone
– Output jembatan sebanding dengan tahanan
RTD
JEMBATAN WHEATSTONE
• Jembatan dibuat setimbang (Vo = 0) dengan
mengatur besarnya tahanan R3 (R1 = R2)
 R3 
 R2 
VS  
VS
Vo  

R  R 
g 
 R1  R 2 
 3
• Jembatan tidak perlu dibuat setimbang
– Rg dihitung sebagai fungsi dari Vo,, R3 dan VS
 R3

1
Vo  
 VS
R  R

2
3
g



R3  Rg
Vo

VS
2(R 3  R g )
 VS  2Vo 

2Vo R 3  2Vo R g  VSR 3  VSR g  R g  R 3 
 VS  2Vo 
EFFECT OF LEAD
RESISTANCE
• Bila lokasi pengukuran jauh, maka tahanan
kawat penghubung harus diperhitungkan
10
(100)(0,00385)
T  26o C
THREE-WIRE BRIDGE
CONFIGURATION
• Bila tahanan kawat A dan B sama besar, maka
efeknya pada tegangan output akan saling
meniadakan
• Hubungan antara tegangan output dan tahanan
 1 tidak linier

(R g  R B )
RTD
menjadi
V
V  
o
2

(R g  R B )  (R 3  R A ) 
S
SELF HEATING ERROR
• Bila arus yang mengalir melalui RTD cukup
besar, maka daya disipasi yang terjadi akan
menyebabkan temperatur RTD naik meskipun
temperatur ruangan yang akan diukur tidak
berubah.
• Terjadi kesalahan pengukuran yang disebut self
heating error, dinyatakan dengan oC/mW
FOUR -WIRE
CONFIGURATION
• Menggunakan sumber arus konstan (CCS)
• Tegangan output yang diukur DVM sebanding
dengan tahanan RTD
• Kerugiannya adalah menggunakan lebih banyak
kawat dibandingkan three-wire configuration
RESISTANCE TO TEMPERATURE
CONVERSION
• RTD lebih linier dari termokopel, tetapi masih
memerlukan curve-fitting
• Persamaan Callendar – Van Dusen :
3



T
T
T
T


 


R T  R o  R o  T  
 1
 1
  
 100  100   100  100 

RT = Tahana pada temperatur T
Ro = Tahanan pada temperatur 0oC
 = Koefisien temperatur (+ 0,00392 / /oC)
 = 0,11 T <0
=0 T>0
 = 1,49
Contoh Soal 2.1 (UTS TE-318, 18 April 1998)
Sebuah Resistance Temperature Detector (RTD) dipasang pada
suatu quarter-bridge dengan tegangan eksitasi sebesar 3 V. RTD ini
mempunyai tahanan nominal pada 20oC sebesar 100 , koefisien
temperatur sebesar 0,00385 / /oC dan self heating error sebrsar
0,5 oC/mW. Ruangan yang akan diukur temperaturnya terletak 100
m dari ruangan dimana rangkaian jembatan ini diletakkan.
Rangkaian jembatan ini dipasang dengan konfigurasi 3 kawat
dimana kawat tembaga yang digunakan mempunyai diameter
sebesar 1,291 mm dan konduktivitas listrik sebesar 5,8x107 S/m.
Tegangan output yang dihasilkan ternyata adalah 210,1 mV. Hitung
temperatur yang diukur bila :
a). Tahanan kawat dan self heating error diabaikan
b). Tahanan kawat tidak diabaikan dan self heating error diabaikan
c). Tahanan kawat dan self heating error tidak diabaikan
Jawab :
R2
R3
a)
VS
R1
VS  3000 mV
Vo
R 1  R 2  R 3  100 
RT
Vo  210,1 mV
 RT
R1 
RT
210,1 1


Vo  

VS 

  0,57

R T  100 3000 2
 R T  R 3 R1  R 2 
57
R T  0,57 R T  57  R T 
 132,558 
0,43
R T  R 20   R 20 (T  20)
132,558  100  0,00385(100)(T  20)
32,558
T
 20  104,566 o C
0,385
Jawab :
R2
b)
R3
VS
R1
VS  3000 mV
L  100 m
Vo
R 1  R 2  R 3  100 
  5,8x107 S / m
RT
Vo  210,1 mV
d  1,291 mm
 2 
S  d  (1,291x10  3 )  1,309 x10  6 m 2
4
4
L
100
Rw 

 1,317 
7
6
 S (5,8x10 )(1,309 x10 )

RT  Rw
R1 
VS
Vo  

 R T  R w  R 3  R w R1  R 2 
R T  1,317
210,1 1

  0,57
R T  102,634 3000 2
R T  1,317  0,57 (R T  102,634)
0,57(102,634)  1,317
RT 
 132,987 
0,43
R T  R 20   R 20 (T  20)
132,987  100  0,00385(100)(T  20)
32,987
T
 20  105,681 o C
0,385

T  1,115 o C
Jawab :
R2
R3
c)
VS
R1
VS  3000 mV
R 3  100 
Vo
R T  132,987 
RT
R w  1,317 
VS
3000
I

 12,732 mA
R 3  R T  2R w 100  132,987  2(1,317)
P  I 2 R T  (12,732 x10  3 ) 2 (132,987)  21,558 mW
Tself heating  21,558(0,5)  10,779 o C
T  132,987  10,779  122,208 o C
Contoh Soal 2.2 (UTS TE-408, 11 Juli 1996)
Sebuah Resistance Temperature Detector (RTD) dipasang
pada suatu quarter-bridge dengan tegangan eksitasi
sebesar 3 V. RTD ini mempunyai tahanan nominal pada
20oC sebesar 100  dan koefisien temperatur sebesar
0,00385 //oC. Ruangan yang akan diukur
temperaturnya terletak jauh dari ruangan dimana
rangkaian jembatan ini diletakkan. Rangkaian jembatan
ini dipasang dengan konfigurasi 3 kawat dimana kawat
tembaga yang digunakan mempunyai mempunyai tahanan
sebesar 5 . Rangkaian jembatan ini dikalibrasi pada dua
temperatur, yaitu 20oC dan 100oC. Bila pengukuran
dianggap linier, berapa % kesalahan (FS = 80oC) yang
terjadi pada saat temperatur yang diukur adalah 60oC ?
TERMISTOR
• Seperti RTD, termistor adalah tahanan yang
berubah terhadap temperatur
• Perbandingan dengan termokopel dan RTD
– Termokopel paling besar daerah cakupannya
– RTD paling linier
– Termistor paling sensitif
• Termistor terbuat dari bahan semikonduktor
– Mudah rusak
• Umumnya mempunyai koefisien temperatur
negatip
PERSAMAAN STEINHART-HART
1
3
 A  B ln R  C (ln R )
T
T dalam oK
R dalam 
B
T
C
ln R  A
Contoh Soal 3.1 (UTS TE-408, 11 Juli 1996)
Sebuah termistor dikalibrasi pada tiga temperatur, yaitu :
t = 0oC  R = 16320 
t = 50oC  R = 1800 
t = 100oC  R = 339,2 
Bila tahanannya 2700 , berapa oC temperatur yang diukur ?
MODEL TERMISTOR
 1
1 
R T  R o exp B    R o e
  T To 
•
•
•
•
 1 1
 B 
  T To

 
 
Temperatur acuan To = 25oC + 273 = 298 K
Ro = Tahanan pada temperatur To
B = Karakteristik temperatur ( 4000 K)
RT = Tahanan pada temperatur T
KARAKTERISTIK TEMPERATUR
Thermowid (Siemens) :
B(TC )  B[1  (TC  100)]
B  4000 K
  2,5x10
4
  5,0 x10
4
/K
TC  100 C
/K
TC  100 C
o
o
KOEFISIEN TEMPERATUR
R T  R oe
 1 1
 B  
  T To
dR T
 R oex
dT
dR T
  dT 
RT
B  4000 K

 
 
1
1
x  B  
 T To 
dx
 R oe
dT
B
T2
 1 1
 B  
  T To

 
 

R T  R oex
B B
 2 RT
2
T
T
 tidak konstan  tidak linier
T  298 K

 4000

 4,5%
2
(298)
Contoh Soal 3.2
Cara lain yang lebih sederhana untuk menyatakan tahanan sebuah
termistor adalah dengan persamaan :
 B
R T  A exp    Ae
T
B
T
Tentukan harga A bila B = 4200 K dan RT = 100 k pada 25oC..
Jawab :
R T  R oe
A  105 e
 1 1
 B 
  T To

4200
298

 
 

 0,0757 
A  R oe

B
To
R T  0,0757 e

4200
T
LINIERISASI TERMISTOR
• RT dipasang paralel dengan sebuah R
RR T
Rp 
R  RT
• Agar Rp linier, maka Rp harus melewati tiga
buah titik dalam garis lurus
R p1  R p 2  R p 2  R p 3
RR T 3
RR T1
RR T 2
RR T 2



R  R T1 R  R T 2
R  R T 2 R  R T3
RR T 3
RR T1
RR T 2
RR T 2



R  R T1 R  R T 2
R  R T 2 R  R T3
RR T 3
RR T1
2RR T 2


R  R T1 R  R T 3
R  R T2
R 2 R T1  RR T1R T 3  R 2 R T 3  RR T1R T 3
2RR T 2

2
R  RR T1  RR T 3  R T1R T 3
R  R T2
R 3R T1  2R 2 R T1R T 3  R 3R T 3  R 2 R T1R T 2
 2RR T1R T 2 R T 3  R 2 R T 2 R T 3  2R 3R T 2
 2R R T1R T 2  2R R T 2 R T 3  2RR T1R T 2 R T 3
2
2
R R T1  2R R T1R T 3  R R T 3  R R T1R T 2
3
2
3
2
 2RR T1R T 2 R T 3  R R T 2 R T 3  2R R T 2
2
3
 2R 2 R T1R T 2  2R 2 R T 2 R T 3  2RR T1R T 2 R T 3
RR T1  2R T1R T 3  RR T 3  R T1R T 2  R T 2 R T 3 
2RR T 2  2R T1R T 2  2R T 2 R T 3
R (R T1  R T3  2RR T 2 )  R T 2 (R T1  R T3 )  2R T1R T3
R T 2 (R T1  R T 3 )  2R T1R T 3
R 
R T1  R T 3  2RR T 2
Contoh Soal 3.3 (UTS TE-421, 30 Oktober 1996)
Sebuah tachometer yang beroperasi pada temperatur ruangan dari 0o
C sampai 40oC, menggunakan gulungan kawat tembaga yang
mempunyai tahanan sebesar RS sebesar 1500  pada temperatur
20oC dan koefisien temperatur sebesar 0,004 / /oC. Untuk
menanggulangi perubahan temperatur ruangan, rangkaian
kompensasi yang terdiri dari sebuah termistor RT yang diparalel
dengan sebuah tahanan R dipasang seri dengan gulungan kawat tadi.
Bila termistor yang tersedia mempunyai konstanta temperatur
sebesar 4000 K, tentukan besarnya tahanan termistor pada 20oC (Ro)
dan tahanan paralel R yang sesuai.
Contoh Soal 3.4 (UTS TE-421, 30 Oktober 1996)
Sebuah termistor dengan tahanan 25 k  pada 25oC mempunyai
karakteristik temperatur sebesar 4200 K. Oleh karena termistor ini
akan digunakan untuk mengukur temperatur dari 10oC sampai 40oC,
maka sebelum dipasang pada rangkaian jembatan Wheatstone,
termistor ini terlebih dahulu dipasang paralel dengan sebuah tahanan
agar menjadi linier. Bila R1 = 10  dengan VS = 1,5 V tentukan R2
dan R3 agar pada 10oC outputnya 10 mV dan pada 40oC outputnya
40 mV ?
HARDWARE COMPENSATION
Dipasang sebuah baterai yang besarnya sesuai untuk
melawan (mengeliminasi) tegangan junction C-Fe
Dirancang hanya untuk range yang kecil (perubahan
temperatur ruangan
RANGKAIAN BRIDGE + RTD/TERMISTOR
IC TEMPERATURE SENSOR
Temperatur ruangan berubah  Arus berubah
Arus dilewatkan ke RH  Tegangan VH berubah
VH mengeliminasi selisih junction Cu-Fe dan Cu-C