8 TERMOKOPEL
Termokopel (‘thermocouple’), yang berasal dan ‘thermo‘thermo-electric couple’ adalah alat pengukur temperatur berdasarkan prinsip dasar termoelektrik dimana perubahan temperatur mengakibatkan terjadinya gaya gerak listrik (ggl atau emf-’electromotive emf-’electromotive force’) dalam rangkaiannya. Bila dua kawat dari bahan yang berbeda disambungkan kedua ujungnya dan kedua ujung tersebut berada pada temperatur yang berbeda, maka akan mengalir ggl dalam rangkaian tersebut. Fenomena ini disebut efek Seebeck (dan penemunya: Thomas Johann Seebeck (17701831). Sebenarnya efek ini adalah kombinasi dan dua efek lainnya, yaitu efek Peltier (dan Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845) dan efek Thomson (dan William Thomson atau Lord Kelvin (1824-1907). Efek Peltier adalah pembentukan ggl akibat sambungan dua metal yang berbeda dari temperatur sambungan. Pada tahun 1834 Peltier menemukan bahwa bila arus listrik dialirkan dengan arah tertentu melalui sambungan dua kawat yang berbeda, maka sambungan tersebut akan terdinginkan (menyerap kalor), dan bila bila arus listrik tersebut tersebut dialirkan pada arah sebaliknya, sebaliknya, maka sambungan tersebut akan terpanaskan (mengeluarkan kalor.) Efek Peltier ini terjadi bila arus dialirkan pada sambungan tersebut ataupun bila arus terjadi akibat rangkaian termokopel. Jadi, efek Peltier penting untuk diketahui bila alat pengukur ggl rangkaian mungkin mengambil arus dan rangkaian, seperti pada multimeter. Oleh karena itu, multimeter tidak baik untuk dipakai mengukur voltase yang terjadi dalam rangkaian termokopel. Sedangkan poterisiometer, yang tidak menarik arus dan rangkaian, dapat dipakai untuk mengukur voltase termokopel dengan baik. Efek Thomson adalah ggl yang terbentuk akibat adanya gradien temperatur dalam rangkaian termokopel. Efek ini ditemukan pada tahun 1851 dimana arus listrik menimbulkan efek termal yang berbeda yang tergantung pada arah arus, dan daerah dingin ke panas, atau sebaliknya, pada metal yang sama. Ggl yang terbentuk akibat efek Thomson biasanya jauh lebih keciI dan ggl yang terbentuk dan efek Peltier. Pada sebuah rangkaian termokopel, efek Seebeck saja yang perlu diperhatikan. Termokopel dibagi atas beberapa jenis menurut bahan yang dipakai. Pemilihan dan antara jenis ini berdasarkan jangkauan temperatur yang dipakai, kondisi fluida kerja, harga bahan, dll. Beberapa jenis termokopel yang umum dipakai adalah sebagai berikut:
1. E: Kromel (90 % Nikel, 10% Kromium) (+) dan Konstantan (60 % Tembaga, 40% Nikel) (-). 2. J: Besi (+) dan Konstantan (-). 3. K: Kromel (+) dan Alumel (90 % Nikel, 2 % Alumunium dan 8 % Silikon dan Mangan) (-). 4. R: 87 % Platinum, 13 % Rhodium (+) dan Platinum (-). 5. S: 90 % Platinum, 10 % Rhodium (+) dan Platinum (-). 6. T: Tembaga (+) dan Konstantan (-). 7. B: 70 % Platinum, 30% Rhodium (+) dan 94% Platinum, 6 % Rhodium (-) Beberapa tipe termokopel lainnya yang belum umum dipakai dan belum distandarkan adalah tipe V, N, U, G, C dan D. Secara ringkas, jenis-jenis termokopel ini beserta kode warnanya menurut standar Amenika, Inggris, Belanda, Jerman, Jepang dan Perancis diperlihatkan pada Gambar 3.12. Gambar ini juga menunjukkan bahan, jangkauan temperatur yang dapat diukur, jangkauan besar ggl yang dihasilkan, batas kesalahan, dan batasan kondisi udara atau gas yang diukur. Besarnya ggl yang dihasilkan oleh kombinasi beberapa bahan termokopel sebagai fungsi temperatur dengan sambungan acuan pada 0. °C diperlihatkan pada Gambar 3. 13. Gambar ini menunjukkan juga bagaimana linearnya hubungan antara ggl dan temperatur, besar ggl yang dihasilkan untuk perbedaan temperatur yang sama (sensivitas termokopel), dan jangkauan permukaan termokopel. Untuk memudahkan konversi dan ggl ke temperatur dan sebaliknya, telah dibuat Tabel tabel Acuan Termokopel. Selain itu dibuat pula hubungan matematik antara kedua variabel tersebut untuk pemakaian komputer. dihubungan matematik ini disajikan pada Gambar 3.14. Termokopel dapat pula dibagi menurut jenis sambungannya. Pemilihan sambungan berdasarkan konstanta waktu pengukuran yang dikehendaki, adanya gangguan (‘noise’) pada rangkaian, kondisi benda ukur, dll.
Rangkaian termokopel mengikuti beberapa Hukum Termokopel yang dapat dipakai untuk menganalisa rangkaian. Hukum-hukum ini diperoleh berdasarkan eksperimen tanpa dipenuhi dengan pembuktian teoritis. Ketiga hukum ini adalah sebagai berikut: 1. Hukum Bahan Homogen : Arus termoelektrik tidak dapat tetap ada dalam rangkaian satu
bahan yang homogen, walaupun rangkaian tersebut mempunyai penampang berbeda, akibat dipanaskannya rangkaian tersebut. 2. Hukum Bahan Antara : Jumlah ggl dalam rangkaian yang terdiri dan beberapa jenis bahan
adalah nol bila seluruh rangkaian tersebut berada pada temperatur yang sama. 3. Hukum Temperatur Antara : Jika dua bahan homogen meghasilkan ggl E1 ketika
sambungannya berada pada temperatur T1 dan T2 dan ggl E2 ketika sambungannya berada pada temperatur T2 dan T3 maka ggl yang terjadi ketika sambungan tersebut berada pada temperatur T1 dan T3 adalah sebesar E1 + E2.
Konsekuensi Hukum Bahan Homogen adalah bahwa diperlukannya dua bahan
homogen yang berbeda untuk menghasilkan ggl dalam suatu rangkaian. Selain itu, dapat pula diartikan bahwa bila terjadi ggl pada rangkaian kawat yang dipanaskan, maka kawat tersebut dapat dikatakan tidak homogen. Konsekuensi Hukum Bahan Antara adalah bahwa bahan ketiga yang homogen dapat
diselipkan dimanapun dalam rangkaian termokopel tanpa adanya perubahan ggl dalam rangkaian biIa kedua ujung bahan ketiga ini berada pada temperatur yang sama. Oleb karena itu, alat pengukur ggl dapat diselipkan pada titik manapun dalam rangkaian termokopel asalkan sambungan dengan alat tersebut berada pada temperatur yang sama. Selain itu, Hukum ini juga menyatakan bahwa metoda penyambungan kawat (solder, brazing, dll.) tidak akan mengubah ggl asalkan temperatur sambungan seragam dan kualitas sambungan cukup sempurna. Hukum ini juga menyatakan bahwa bila ggl yang terjadi pada dua metal yang berbeda relatif tehadap sebuah metal acuan diketahui, maka ggl yang terjadi akibat kombinasi kedua metal tersebut adalah jumlah ggl berdasarkan metal acuan tersebut. Konsekuensi dan Hukum Temperatur Antara adalah bahwa termokopel dapat
dikalibrasi berdasarkan suatu temperatur acuan, dan dapat dikoreksi bila temperatur äcuan yang
lain dipergunakan. Selain itu, Hukum ini juga menyatakan bahwa kawat sambungan dengan karakteristik termoelektrik yang sama dengan kawat termokopel dapat dipakai tanpa mengubah ggl dalam rangkaian. Dalam meyambung sebuah rangkaian termokopel, perlu diingat ketiga hukum termokopel di atas agar pengukuran dapat dilakukan dengan benar. Dua rangkaian yang umum dipakai untuk pengukuran dengan termometer dapat dilihat pada Gambar 3.16. Perhatikan bahwa dalam rangkaian termokopel perlu didapat dua sambungan. Satu sambungan dipakai untuk mengukur temperatur sedangkan sambungan lainnya dipakai sebagai acuan temperatur disebut sambungan acuan (‘reference junction’). Sambungan acuan ini biasanya dipakai sebagai titik cair es, sehingga besarnya tegangan yang timbul dalam rangkaian bila sambungan pertama berada pada temperatur yang berbeda dapat ditabulasikan. Tabel acuan dan hubungan matematik antara temperatur dan ggl untuk beberapa termokopel popular telah dibahas sebelumnya. Sedangkan konstruksi sambungan acuan pada titik cair es disajikan pada Gambar 3.17. Ketelitian sambungan acuan ini dapat dibuat sebesar 0,00 1 C°, tetapi dapat mencapai 1 C° bila tidak dibuat dengan baik. Kesalahan yang terjadi biasanya akibat dan kurang tinggi dimasukkannya tabung gelas beserta ujung termokopel, dan akibat terlalu banyaknya air di dasar tempat es. Dengan meningkatnya pemakaian elektronik akhir-ak.hir ini, sambungan acuan berupa es mencair ini tidak diperlukan lagi. Analog Devices telah membuat chip yang memperbesar harga ggl yang diukur, melinearisasikan keluarannya, dan menghilangkan sambungan acuan dengan menggunakan bahan elektronik yang sensitif terhadap temperatur luar. Akibatnya, kawat termokopel dapat langsung dihubungkan pada kaki-kaki chip dan diperoleh dan pasangan kaki chip lainnya keluaran voltase sebesar 10 mV/°C. Chip ini disebut dengan ‘AD594’
