PENGUKURAN SUHU
Perancangan sistem pengukuran pada suhu ruang menggunakan sensor suhu ini mengangkat beberapa isu penting, termasuk bagaimana desain hardware dan desain dari sebuah program yang akan bekerja untuk menjalankan sistem pengukuran suhu ruang.
Sensor Suhu adalah komponen yang biasanya digunakan untuk merubah panas menjadi listrik untuk mempermudah dalam menganalisa besarannya. Untuk membuatnya ada dua cara yaitu dengan menggunakan bahan logam dan bahan semikonduktor. Cara ini digunakan karena logam dan bahan semikonduktor mempunyai perubahan tahanan terhadap arus listrik tergantung pada suhunya. Pada logam semakin besar suhu maka nilai hambatan akan semakin naik, berbeda pada bahan semikonduktor, semakin besar suhu maka nilai hambatan akan semakin turun.
1.Thermistor sebagai sensor suhu
Nama termistor berasal dari Thermally Sensitive Resistor. Termistor biasanya termasuk material-material semikonduktor yang dibagi dua golongan: oksida logam dan semikonduktor kristal tunggal. Negative Temperature Coefficient (NTC) pertama kali ditemukan oleh Faraday pada perak sulfid pada tahun 1833. Termistor atau thermal resistor adalah suatu jenis resistor yang sensitive terhadap perubahan suhu. Prinsipnya adalah memberikan perubahan resistansi yang sebanding dengan perubahan suhu. Perubahan resistansi yang besar terhadap perubahan suhu yang relatif kecil menjadikan termistor banyak dipakai sebagai sensor suhu yang memiliki ketelitian dan ketepatan yang tinggi. Termistor yang dibentuk dari bahan oksida logam campuran (sintering mixture), kromium, kobalt, tembaga, besi, atau nikel, berpengaruh terhadap karakteristik termistor, sehingga Pemilihan bahan oksida tersebut harus dengan perbandingan tertentu. Dimana termistor merupakan salah satu jenis sensor suhu yang mempunyai koefisien temperatur yang tinggi.
Komponen dalam termistor ini dapat mengubah nilai resistansi karena adanya perubahan temperatur. Dengan demikian dapat memudahkan kita untuk mengubah energi panas menjadi energi listrik. Termistor dibedakan dalam 2 jenis, yaitu termistor yang mempunyaikoefisien negatif, yang disebut NTC (Negative Temperature Coefisient), temistor yang mempunyai koefisien positif yang disebut PTC (Positive TemperatureCoefisient). Kedua jenis termistor ini mempunyai fungsinya masing masing, tetapidi pasaran, yang lebih banyak digunakan adalah termistor NTC. NTC merupakan termistor yang mempunyai koefisient negatif. Dimana bahannya terbuat dari logam oksida yaitu dari serbuk yang halus kemudian dikompress dan disinter pada temperatur yang tinggi. Kebanyakan pada material penyusun termistor biasa mengandung unsur - unsur seperti Mn2O3, NiO, CO2O3, Cu2O, Fe2O3, TiO2, dan U2O3. PTC merupakan termistor dengan koefisien yang positif. Termistor PTC memiliki perbedaan dengan NTC antara lain
Koefisien temperatur dari thermistor PTC bernilai positif hanya dalam interfal temperatur tertentu, sehingga diluar interval tersebut akan bernilai nol atau negatif,
Harga mutlak dan koefisien temperatur dari termistor PTC jauh lebih besar daripada termistor NTC.
Gambar 1 Karakteristik dari thermistor
Gambar 2 Karakteristik PTC/NTC dari thermistor
Dalam operasinya termistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap temperatur, dan umumnya nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara eksponensial untuk jenis NTC ( Negative Thermal Coeffisien).
Rt=Roε β(1T-1To)
2.Thermocouple sebagai sensor suhu
Termokopel : Berfungsi sebagai sensor suhu rendah dan tinggi, yaitu suhu serendah 3000 oF sampai dengan suhu tinggi yang digunakan pada proses industri baja, gelas dan keramik yang lebih dari 30000 oF.
Termokopel berasal dari kata "Thermo" yang berarti energi panas dan "Couple" yang berarti pertemuan dari dua buah benda. Thermocouple adalah sensor suhu aktif yang tersusun dari dua buah logam berbeda dengan titik pembacaan pada pertemuan kedua logam dan titik yang lain sebagai outputnya. Termokopel ditemukan oleh seorang fisikawan Estonia bernama Thomas Johann Seebeck pada tahun 1821. Termokopel adalah jenis sensor suhu yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur suhu melalui dua jenis logam konduktor berbeda yang digabung pada ujungnya sehingga menimbulkan efek "Thermo-electric" atau disebut juga dengan "Efek Seebeck".
Termokopel terdiri dari dua sambungan logam, yaitu:
Reference Junction (Cold Junction ) ,merupakan sambungan acuan yang suhunya dijaga konstan dan biasanya diberi suhu yang dingin ( 0oC ).
Measuring Junction (Hot Junction ), merupakan sambungan yang dipakai untuk mengukur suhu atau disebut juga sambungan panas.
Jenis-jenis Termokopel (Thermocouple)
Termokopel terbuat dari berbagai macam bahan dan rentang suhu yang berbeda. Gabungan jenis-jenis logam konduktor yang berbeda ini akan menghasilkan rentang suhu operasional yang berbeda pula. Berikut ini adalah Jenis-jenis atau tipe Termokopel yang umum digunakan berdasarkan Standar Internasional.
Jenis
Bahan Logam Konduktor Positif
Bahan Logam Konduktor Negatif
Rentang Suhu
Tipe E
Nickel-Chromium
Constantan
-200˚C – 900˚C
Tipe J
Iron (Besi)
Constantan
0˚C – 750˚C
Tipe K
Nickel-Chromium
Nickel-Aluminium
-200˚C – 1250˚C
Tipe N
Nicrosil
Nisil
0˚C – 1250˚C
Tipe T
Copper (Tembaga)
Constantan
-200˚C – 350˚C
Tipe U (kompensasi Tipe S dan Tipe R)
Copper (Tembaga)
Copper-Nickel
0˚C – 1450˚C
Prinsip kerja dari Termokopel
Prinsip kerja termokopel secara sederhana berupa dua buah kabel dari jenis logam yang berbeda ujungnya, hanya ujungnya saja, disatukan (dilas). Titik penyatuan ini disebut hot junction. Prinsip kerjanya memanfaatkan karakteristik hubungan antara tegangan (volt) dengan temperatur. Setiap jenis logam, pada temperatur tertentu memiliki tegangan tertentu pula. Pada temperatur yang sama, logam A memiliki tegangan yang berbeda dengan logam B, terjadilah perbedaan tegangan (kecil sekali, miliVolt) yang dapat dideteksi.
Jika sebuah batang logam dipanaskan pada salah satu ujungnya maka pada ujung tersebut elektron-elektron dalam logam akan bergerak semakin aktif dan akan menempati ruang yang semakin luas, elektron-elektron saling desak dan bergerak ke arah ujung batang yang tidak dipanaskan. Dengan demikian pada ujung batang yang dipanaskan akan terjadi muatan positif.
Table referensi tegangan ke temperature, ini sesuai dengan tipe dari termokopel yang dipakai
Besarnya tegangan keluaran pada termokopel ditentukan dengan rumus:
Vout = Vh – Vc
Keterangan :
Vout = tegangan keluaran thermokopel, Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi, Vc = tegangan referensi
3.(RTD) sebagai sensor suhu
Resistive Temperature Detector (RTD)
Resistive Temperature Detector atau disingkat dengan RTD memiliki fungsi yang sama dengan Thermistor jenis PTC yaitu dapat mengubah energi listrik menjadi hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Namun Resistive Temperature Detector (RTD) lebih presisi dan memiliki keakurasian yang lebih tinggi jika dibanding dengan Thermistor PTC. Resistive Temperature Detector pada umumnya terbuat dari bahan Platinum sehingga disebut juga dengan Platinum Resistance Thermometer (PRT).
Keuntungan dari Resistive Temperature Detector (RTD)
Rentang suhu yang luas yaitu dapat beroperasi di suhu -200 C hingga +650 C.
Lebih linier jika dibanding dengan Thermistor dan Thermocouple
Lebih presisi, akurasi dan stabil.
Gbr4. RTD
4.SENSOR SUHU dengan Termostat (Thermostat)
Thermostat adalah jenis Sensor suhu Kontak (Contact Temperature Sensor) yang menggunakan prinsip Electro-Mechanical. Thermostat pada dasarnya terdiri dari dua jenis logam yang berbeda seperti Nikel, Tembaga, Tungsten atau aluminium. Dua Jenis Logam tersebut kemudian ditempel sehingga membentuk Bi-Metallic strip. Bi-Metallic Strip tersebut akan bengkok jika mendapatkan suhu tertentu sehingga bergerak memutuskan atau menyambungkan sirkuit (ON/OFF). Thermostat sering digunakan pada peralatan listrik seperti Oven, Seterika dan Water Heater.
Prinsip Kerja Termostat – Termostat adalah suatu perangkat yang dapat memutuskan dan menyambungkan arus listrik pada saat mendeteksi perubahan suhu di lingkungan sekitarnya sesuai dengan pengaturan suhu yang ditentukan. Pada umumnya, Termostat yang digunakan saat ini dapat kita bedakan menjadi dua jenis utama yaitu Termostat Mekanikal dan Termostat Elektronik. Termostat Mekanikal pada dasarnya merupakan jenis Sensor suhu Kontak (Contact Temperature Sensor) yang menggunakan prinsip Electro-Mechanical sedangkan Termostat Elektronik menggunakan komponen-komponen elektronika untuk mendeteksi perubahan suhunya. Termostat yang bahasa Inggrisnya ditulis menjadi Thermostat ini berasal dari istilah bahasa Yunani kuno yaitu Thermo yang artinya adalah Panas dan Statos yang memiliki arti sebagai status quo atau tetap sama. Jika Kedua kata tersebut disatukan maka akan menjadi arti sebagai "menjaga panas tetap sama". Jadi pada saat terlalu dingin, maka termostat akan menyalakan pemanasnya sehingga suhu menjadi tetap hangat. Perangkat pendeteksi suhu ini banyak digunakan di perangkat-perangkat listrik seperti Oven, Kulkas, Air Conditioner (AC), pengendalian suhu mesin di mobil dan Seterika. Termostat pertama yang ditemukan oleh seorang inovator Belanda yang bernama Cornelis Drebbel di Inggris pada abad ke-17 adalah Termostat Merkuri yang digunakan untuk mengatur suhu inkubator ayam. Termostat Modern pertama yang menggunakan Bi-Metallic ditemukan oleh seorang ahli kimia Skotlandia yang bernama Andrew Ure pada tahun 1830 untuk mengendalikan suhu di mesin produksi pabrik tekstil.
Pada saat Normal, Strip yang berfungsi sebagai jembatan tersebut akan selalu dalam kondisi terhubung dan mengaliri arus listrik, rangkaian yang terhubungnya akan dalam kondisi ON juga. Ketika Strip tersebut menjadi panas, salah satu logam diantaranya akan mengembang dan merubah bentuk menjadi sedikit melekuk dan akan semakin melekuk seiring dengan semakin panasnya strip tersebut yang pada akhirnya akan memisahkan hubungan strip dengan rangkaiannya sehingga aliran listrik ke rangkaian sistem pemanas atau pendingin juga menjadi terputus atau menjadi kondisi OFF. Termostat kemudian berubah menjadi kondisi OFF (Switch OFF) atau terjadi pemutusan arus listrik ke sistem pemanas atau pendingin yang terhubung ke Termostat tersebut. Pada saat kondisi OFF, tidak ada arus listrik yang mengalir melewat strip Bimetal tersebut. Secara bertahap Strip Bimetal tersebut akan kembali menjadi dingin. Logam yang melekuk tadi akan mulai berubah bentuk menjadi bentuk semula sehingga terhubung kembali dan arus listrik mulai mengalir melewati strip bimetal lagi. Kondisi Termostat menjadi ON kembali dan rangkaian sistem pemanas ataupun pendingin menjadi ON lagi.
