Termokopel PDF

Preview

Summary

1. Berasal dari kata “Thermo” yang berarti panas “Couple” yang bererti pertemuan dari dua buah benda. Termokopel adalah perangkat yang terdiri dari dua konduktor yang berbeda, biasanya paduan paduan logam (metal alloy) yang menghasilkan tegangan berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara kedua u...

Description

1. Berasal dari kata “Thermo” yang berarti panas “Couple” yang bererti pertemuan dari dua buah benda. Termokopel adalah perangkat yang terdiri dari dua konduktor yang berbeda, biasanya paduan paduan logam (metal alloy) yang menghasilkan tegangan berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara kedua ujung pasangan konduktor Pada dunia elektroniaka, termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam bendamenjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperature dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas keslahan pengukuran kurang dari 1 C.

Gambar 1.1 Diagram skematik termokopel

Dua termoelemen A dan B dihubungkan dan jika temperature antara junction pertama /cold junction/ dan kedua /hot junction/ berbeda maka akan timbul arus akibat gaya gerak listrik/EMF/.

Gambar 1.2 Pengukuran EMF

Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan voltmeter dengan impedansi tak terhingga (besar sekali), seperti yang terlihat dalam gambar 1.2 maka akan terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan tersebut disebut tegangan Seebeck. Jika termokopel digunakan untuk mengukur temperature hot junction maka tegangan Seebeck pada cold junction, hot junction serta temperature cold junction harus diketahui terlebih dahulu. EMF, sebenarnya timbul karena gradient temperature sepanjang kawat yang menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan mengasumsikan kawat termokopel homogeny maka EMF didapat akibat perbedaan temperaturhot junction dan cold junction. Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan temperature adalah :

EABT=SABT∆T Dimana : EAB(T) adalah tegangan Seebeck S(T) adalah koefisien Seebeck, ∆T adalah perbedaan temperature antara hot junction dengan cold junction.

Termokopel adalah sebuah alat yang terbuat dari dua jenis kawat dari logam yang berbeda dan disatukan pada salah satu ujungnya. Ujung ini disebut dengan istilah junction end atau ujung sambungan dan dapat disebut juga ujung pengukuran (T2). Dua kawat tersebut disebut thermoelemen yang merupakan kaki1kaki termokopel. Keduanya dibedakan menjadi kaki positif dan kaki negativ. Kemudian, ujung laun dari masing1masing disebut dengan ‘tail end’ (ujung ekor) atau ‘reference end’ (T1). Junction end adalah ujung yang digunakan untuk mengukur panas dari media yang hendak diukur, misalkan ruangan, tungku atau oven dengan suhu 200C sedangkan tail end adalah ujung yang kita smbungkan dengan rangkaian elektronika dan berada pada suhu ruang. Tail end memiliki dua kutub untuk pengukuran, yaitu positif dan negatif. T1 dan T2 adalah suhu masing1masing pada posisi tail end dan junction end. Perbedaan suhu antara T1 dan T2 dapat diukur padaa kedua kutub positif dan negatif. Oleh karena itu termokopel termasuk voltage transducer. Termokopel adalah penghasil tegangan yang dapat diukur pada kedua kutubtail end yang terjadi akibat perbedaan suhu pada T1 dan T2. Besaran tegangan yang keluar dari termokopel dituntukan dengan rumus : Vnet = Vh1Vc Keterangan : Vnet = tegangan keluaran termokopel Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi Vc = tegangan referensi. Tegangannya terlalu kecil sehingga harus diamplify terlebih dahulu. Selain itu yang terbaca oleh voltmeter bukan merupakan ekspresi langsung dari temperature dan masih diperlukan konversi. Untuk mempermudah konversi maka dapat digunakan tabel hubungan teganagan dengan temperature, sebagai berikut :

Gambar 2 Tabel referensi tegangan ke temperatur

Dalam pengukuran tegangan pada termokopel ada beberapa syarat yang harus dipenuhi agar tegangan yang didapat tidak nol. Adapun syatnya sebagai berikut : 1. Jika kedua kawat atau thermoelement terbuat dari material yang sam sehingga menyebabkan tidak adanya perbedaan suhu diantara kedua ujung kawat. 2. Suhu T1 sama dengan T2 sehing mengakibatkan termokopel tidak bias mengukur suhu ruang karena kedua ujungnya ada pada temperature yang relatif sama, yaitu berada pada suhu ruang. Oleh karena itu, kita tiba pada kondisi ‘tidak mudahnya’ karena pada dasarnya temperature pada reference end atau tail end haruslah relatif tetap. Hal ynag mungkin tentunya sehingga ada istilah cold junction kompensasion untuk mengkompensasi kondisi ini. Sebuah IC seperti misalnya MAX667 bisa digunkan untuk kompensator.

! Untuk kondisi sederhana termokopel diperlihatkan oleh gambar di bawah ini :

Gambar 3.1 Sirkuit sederhana termokopel

Gambar 3.2 Kontruksi dalam Termokopel

Pada kontruksi kontruksi termokopel ada 2 buah kawat yang terbuat dari material yang berbeda, salah satu nya digunkan untuk measuring junction /hot reference junction /cold. Pada kawat reference junction tidak akan mengalami perubahan dan akan tetap pada suhu reference. Pelapis dinding termokopel (termowell) terbagi atas 3 yaitu : 1. Eksposed junction (dimana kawat termokopel tidak terproteksi tetapi memiliki waktu tanggap yang cepat) 2. Ungrounded junction (kawat terproteksi dengan baik tetapi memilik waktu tanggap yang lebih lambat) 3. Grounded junction (kawt terproteksi dan waktu tanggap cepat)

Gambar 3.3 Termowell

Penggunaan thermawell menyebabkan penambahan kawat penyambung sebagai cold junctionnya. Berdasarkan hokum termoelektrik maka kawat penghubung harus memiliki prilaku termoelektrik yang sama dengan bahan termokopel. Untuk base metal kawat penyambungnya adalah termokopel sejenis untuk nobel metal, biasanya menggunakan ekstension wire yaitu kawat (dari bahan yang jauh lebih murah dari termokoppel) yang memiliki karakteristik termoelektrik yang sama dengan termokopel pada temperature kamar.

" Beberapa jenis termokopel berdasarka aplikasi penggunaannya :

Gambar 4.1 Tipe-tipe termokopel

1. Tipe K (Cromel (Ni1Cr alloy)/Alumel (Ni1Al Alloy) Termokopel untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu 1200◦C hingga +1200◦C. 2. Tipe E (Cromel/Constantan (Cu1Ni Alloy)) Tipe memiliki Output yang besar (68µ V/◦C) membuatnya cocok digunakan dalam temperature rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetic. 3. Tipe J (Iron/Constantan) Rentangnya terbatas (140 hingga +750◦C) membuatnya kurang popular dari tipe K. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar 152µV/◦C. 4. Tipe N (Nicrosil(Ni1Si Alloy)/Nisil (Ni1Si Alloy)) Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu diatas 1200◦C. Sensitifitasnya sekitar 39µV/◦C pada 900◦C, sedikit dibawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan tipe K. 5. Type B (Platinum1Rhodium/Pt1Rh) Cocok mengukur suhu diatas 1800◦C. Tipe B member output yang sama ada suhu 0◦C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50◦C. 6. Tipe R (Platinum/Platinum with 7%Rhodium) Cocok mengukur suhu diatas 1600◦C. Sensitivitas rendah (10µV/◦C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok untuk tujuan umum. 7. Tipe S (Platinum/Platinum with 10%Rhodium)

Cocok mengukur suhu diatas 1600◦C. Sensitivitas rendah (10µV/◦C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok untuk tujuan umum. Karena stabilitasny yang tinggi. Tipe S digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064,43◦C). 8. Tipe T (Copper/Constantan) Cocok untuk pengukuran antara 1200◦C 1 350◦C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negative terbuat dari constantan. Sering digunakan sebagai alat pengukur alternative sejak penelitian kawat tembaga. Tipe T memiliki sensitivitas 143µV/◦C.

Gambar 4.2 Karakteristik bahan termokopel yang digunakan dengan Platinum

Adapun kelebihan dan kekurangan termokopel adalah sebagai berikut : Kelebihan dari termokopel : a. b. c. d. e.

Mudah dibaca, karena memiliki layar yang tidak mudah keruh dan skala yang jelas Respon yang cepat setiap adanya perubahan suhu Akurasi yang tepat dalam pengukuran suhu Baik digunakan untuk pengukuran variasi dengan jarak kurang dari 1cm Termokopel tahan lama

Sementara itu kekurangan termokopel : a. Kalibrasi yang sulit, saat termokopel dinyalakan, suhu yangtertera adalah suhu pada ruangan tersebut b. Hanya digunakan untuk mengukur perubahan suhu c. Termokopel membutuhkan perlengkapan tambahan yang harganya biasanya cukup mahal

#

$

Termokopel cocok untuk mengukur rentang suhu yang besar, sampai 2300◦C. mereka kurang cocok diplikasikan di mana perbedaan suhu lebih kecil harus diukur dengan akurasi yang tinggi, mislanya rentang 01100◦C dengan 0,1◦C akurasi. Contoh penggunaan termokopel yang umum yaitu pada industry besi dan baja yang dalam pengoperasiannya menggunakan suhu yang tinggi. Contoh pengaplikasiannya untuk kebutuhan pengukuran suhu pada Teeming Ladle dryer yang ada di PT Krakatau Posco diambil range pengukuran maksimal suhu ladle 1000◦C. Maka sesuai dengan range yang akan digunakan pada dryer ini adalah jenis termokopel dengan batas 0◦C 1 1000◦C, yaitu termokopel jenis J memiliki sensitivitas sekitar 152µV/◦C.

Gambar 5.1 diagram pengendali teeming ladle dryer

%

&'

Termokopel secara sederhana merupakan perpadduan antara dua logam yang berbeda jenis, yang persambungan kedua logam diberikan pengkondisian suhu yang berbeda. Setting alat untuk melakukan kalibrasi yaitu, missal kita sebut saja logam A dan logam B merupakan bahan logam pada termokopel. Ujung logam A dan B disambungdan ujung yang lainnya dihubungkan kea lat ukur listrik dan dimasukkan ke dalam kondisi suhu dingin, dan untuk yang dikopel dimasukkan ke suhu panas.

Proses pengkalibrasian termokopel yaitu, setelah setting alat diatas selesai maka langkah awal adalah mengukur suhu air yang di dalamnya yang di dalamnya diletakkan bagian perssambungan (kopel) dari termokopel dengan thermometer, setelah thermometer menunjukkan suhu puncak air maka langkah selanjutnya adalah mengamati besarnya tegangan yang ditimbulkan termokopel pada voltmeter.Langkah berikutnya adalah membandingkan suhu yang dituinjukkan oleh thermometer dengan tegangan yang ditimbulkan termokopel, nilai tegangan itulah konbversi suhu yang diukur. Jadi, nilai tegangan itu setara dengan suhu yang terukur oleh thermometer, sehingga didapatkan nilai tegangan sekian = suhu sekian, dan proses kalibrasi telah selesai. Dan untuk menentukan suhu berikutnya maka suhu air diturunkan dan disetarakan dengan nilai tegangan yang timbul., jadi akan didapatkan nilai tegangan dan nilai suhu pada setiap penurunan suh air. Proses pengkalibrasian dilakukan saperti pada langkah awal yaitu, tegangan sekian setara dengan suhu sekian.Hasil akhirnya kita mendapatkan alat ukur yaitu termokopel yang telah sesuai nilainya dengan thermometer yang digunakan untuk mengkalibrasi.

( ) & 1. Teeming ladle dryer menggunskan termokopel J digunakan untuk mengukur temperature dalam teeming ladle menghasilkan tegangan output 5,867 mV. Berapa tegangan outputnya jika diukur dengan termokopel K ?

Jawab : Termokopel Tipe J Polynomial Coefficients Ao 10,0488683 A1 19873,145 A2 1218614,54 A3 11569199,8 A4 1264917531 A5 2018441314 X = 5,867 mv = 5,867 x 1013V T = Ao +a1X+A2x2+A3x3+A4x4+A5x5 = 111,058◦C

2. Udara pada suhu (20±0,5)◦C bertiup di atas cover teeming ladle dryer (50x75±0,1) cm. Suhu cover dryer dijaga (250±0,5)◦C. Koefisien perpindahan kalor konveksi h = 25 W/m2C. Hitunglah perpindahan kalor yang terjadi ! Jawab. Q = h.As.(Tw1T∞) UQ = Q (p,l,∆t) +

UQ = =

. .∆

+

+ . .∆

∆

∆

+

. .∆ ∆

∆

= ((0,75.230).1013) + ((0,5.230).1013) + ((0,75. 0,5).0,5) = 0,17+0,11+0,187 = 0,46 kWatt Q = h.As.(Tw1T∞) = 25 W/m2.◦C x (0,75. 0,5)m2 x 230◦C = 2,156 kWatt UQ = (2,156 ±0,46) kWatt...