SEMINAR LITERATUR
PENGUKURAN SUHU MENGGUNAKAN THERMOMETER INFRA MERAH
ZULFA 0503111062
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU PEKANBARU 2009
1. PENDAHULUAN 1.1. LATAR BELAKANG Panas dan suhu adalah dua hal yang berbeda. Panas adalah energi total dari gerak molekular di dalam zat, energi panas bergantung pada kecepatan partikel, jumlah partikel (ukuran atau massa), dan jenis partikel di dalam sebuah benda. Sedangkan suhu adalah ukuran energi rata-rata dari gerak molekular di dalam zat. Suhu tidak bergantung pada ukuran atau jenis benda (Hermans et al, 2005). Secara sederhana suhu didefenisikan sebagai derajat panas atau dinginnya suatu benda. Hal ini berhubungan dengan seberapa cepat atom dan molekul zat bergerak. Pada level molekul, temperatur didefenisikan sebagai energi rata-rata gerak mikroskopik partikel yang menyusun zat (Carpy et al, 2008). Untuk zat padat, pada prinsipnya gerak mikroskopik ini adalah vibrasi atom unsur utama substansi yang tempatnya dalam zat padat. Untuk gas monoatomik, gerak mikroskopik adalah gerak translasi unsur partikel gas. Pada gas multi-atomik, gerak mikroskopiknya adalah gerak vibrasi dan translasi. Selama energi panas diterima objek, energi rata-rata dari gerak mikroskopik ini meningkat. Makin tinggi energi atom-atom penyusun benda, makin tinggi suhu benda tersebut (Taylor, 2008). Radiasi infra merah merupakan bagian dari spektrum elektromagnetik. Range infra merah diantara cahaya tampak dan gelombang radio. Panjang gelombang infra merah biasanya dinyatakan dalam mikron, dengan sepektrum infra merah diantara 0.7-1000 mikron. Hanya 0.7-14 micron yang digunakan untuk pengukuran temperatur menggunakan infra merah. Radiasi infra merah tidak bisa dilihat, namun manusia bisa merasakannya sebagai panas (Michaud, 1999). Masing-masing benda dengan temperatur diatas nol absolut (-273.15°C = 0 Kelvin) memancarkan radiasi elektromagnetik dari permukaannya. Dimana radiasi ini sebanding dengan temperatur intrinsik. Bagian dari temperatur intrinsik ini adalah radiasi infra merah yang kemudian bisa digunakan untuk mengukur temperatur benda (Raleigh, 2008).
Pengukuran suhu dapat dilakukan menggunakan sensor. Sensor yang digunakan untuk mengukur suhu terbagi dua yakni sensor kontak dan sensor non-kontak. Beberapa sensor kontak adalah termokopel, termistor, dan RTDs. Salah satu sensor non-kontak adalah termometer infra merah. Alat ini mengukur panas (energi infra merah) dari objek dengan memfokuskan energi ini melalui sistem optik menggunakan detektor. Signal dari detektor kemudian disajikan dalam suhu setelah melalui serangkaian proses. Termometer
infra
merah
menawarkan
keuntungan
yakni
kemampuannya
menentukan temperatur objek tanpa kontak fisik sehingga sistem pengukurannya tidak terkontaminasi, dan rusak. Banyak penggunaan teknologi ini yang berhubungan dengan industri yakni memberikan keuntungan pada pencatat temperatur dalam situasi dimana objek tidak bisa dicapai atau bergerak, dimana kontak tidak mungkin dilakukan karena temperatur terlalu tinggi atau dibawah pengaruh listrik (Fullam, 2008). 1.2. Tujuan Tujuan penulisan makalah ini dimaksud untuk mengetahui bagaimana pengukuran suhu menggunakan termometer infra merah. 1.3. Batasan Masalah Untuk mengarahkan penulisan pada makalah ini, permasalahan yang dibahas dibatasi, yakni hanya membahas bagaimana pengukuran suhu menggunakan termometer infra merah dengan memanfaatkan infra merah yang dipancarkan objek.
2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Radiasi Termal Konsep dari radiasi termal agak berdasar pada intuisi. Apa yang dirasakan sebagai panas dari objek, tanpa menyentuh objek itulah radiasi termal. Benda apa saja yang suhunya diatas nol absolut, akan memiliki energi termal yang berhubungan hanya dengan suhunya sendiri dan akan meradiasi bagian dari energi termal ini sebagai energi infra merah. Defenisi formal untuk radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dari permukaan sebuah objek yang bergantung pada temperatur objek. Radiasi termal dihasilkan ketika energi panas dari partikel bermuatan yang bergerak dalam atom pada objek diubah menjadi radiasi elektromagnetik pada permukaan benda. Frekuensi dari gelombang yang dipancarkan radiasi termal adalah suatu kemungkinan yang hanya tergantung pada temperatur benda. Untuk benda hitam, hal ini diberikan oleh hukum radiasi Plank. Hukum Wien menjelaskan tentang frekuensi radiasi yang dipancarkan, dan hukum Stefan-Boltzman menjelaskan tentang intensitas panas (Taylor, 2008). Radiasi termal, tetap pada suhu khusus, terjadi melebihi rentang frekuensi atau panjang gelombang yang lebar. Seberapa banyak pada masing-masing panjang gelombang diberikan oleh hukum radiasi Plank yang menyatakan, J λT ∂λ =
C1
λ5 e
C2
λT
………………………………………………………………….1 − 1
Dimana:
J λT ∂λ = Radiasi benda hitam yang dipancarkan pada temperatur T, ºK C1 = Konstanta Plank pertama 3.17x10-16 Wm2 C 2 = Konstanta Plank kedua 1.4388x10-2mK
Panjang gelombang utama akan meningkat seiring dengan peningkatan suhu. Hubungan ini diberikan oleh hukum wien, sebuah penyederhanaan hukum plank dan memberikan harga puncak emisi energi. Dari Hukum pergeseran Wien dapat diketahui bahwa puncak pemancaran energi bergerak
ke
panjang
gelombang
pendek
selama
kenaikan
temperatur.
Wien
menyederhanakan Hukum Plank dengan mengeleminasi -1 untuk menghasilkan persamaan, J λT ∂λ =
C1 C2 ……………………………………………………………………..2 λ5 e λT
Kurva pancaran energi pada suhu yang berbeda-beda telah dihitung dari Hukum Radiasi Plank.
Gambar 2. Kurva Plank. Panjang gelombang dimana energi puncak terjadi untuk suhu objek benda hitam bisa ditentukan oleh hukum perpindahan Wien:
λm =
b …………………………………………………………………………………3 T
Dimana:
λ m = Panjang gelombang dimana energi puncak, m b = Konstanta perpindahan Wien, 2.87768x10-3mK T = Temperatur benda hitam, K
Formula ini sangat berguna dalam memprediksi panjang gelombang dimana puncak energi akan terjadi untuk sembarang suhu target yang diberikan. 2.2. Radiasi Elektromagnetik Radiasi elektromagnetik adalah rambatan gelombang dalam ruang dengan komponen listrik dan magnet. Radiasi elektromagnetik dikelompokkan berdasarkan frekuensi gelombang yakni: gelombang radio, gelombang mikro, radiasi infra merah, cahaya tampak, radisi ultraviolet, sinar X, sinar gamma.
Gambar 3. Radiasi Elektromagnetik. Panjang gelombang elektromagnetik tergantung pada frekuensi dimana,
f =
c …………………………………………………………………………………4
λ
Dimana: f = frekuensi, Hz
c = kecepatan cahaya, m/s λ = panjang gelombang, m Termometer infra merah menentukan suhu dengan mengukur energi elektromagnetik yang dipancarkan objek. Sembarang objek yang temperaturnya diatas nol absolut mempunyai kemampuan meradiasi energi elektromagnetik yang akan merambat melewati ruang dalam kecepatan cahaya (Taylor, 2008). 2.3. Spektrum Elektromagnetik Spektrum adalah intensitas campuran dari gelombang elektromagnetik sebagai fungsi panjang gelombang atau frekuensi. Semua tipe radiasi elektromagnetik mengikuti prinsip difraksi, refraksi, dan polarisasi. Radiasi Infra merah mencakup bagian terbatas dari spektrum elektromagnetik, yakni dari range cahaya tampak 0.78 µm sampai 14 µm yang berguna dalam pengukuran suhu. Diatas panjang gelombang ini level energi sangat rendah, dimana detektor tidak cukup peka untuk mendeteksi (Raleigh, 2008).
Gambar 1. Spektrum Elektromagnetik, dengan range 0.7-14 µm.
Termometer infra merah dibuat untuk merespon panjang gelombang dalam spektrum infra merah. Hampir semua pancaran infra merah tidak terlihat oleh mata. Hal ini bisa diatasi dengan pemfokusan yang dilakukan dengan menggunakan sistem optik pada detektor dalam termometer infra merah (Taylor, 2008). 2.4. Absorpsi, Transmisi, dan Refleksi Ketika energi infra merah diradiasi objek mengenai objek lain, satu bagian dari energi yang diterima akan diserap, satu bagian akan direfleksikan, dan jika objek tidak opak maka akan ada satu bagian yang diteruskan. Jumlah total dari ketiga komponen ini selalu harus berjumlah harga awal radiasi yang meninggalkan sumber. Jika a, r dan t adalah absorpsi, refleksi, dan transmisi dari objek, maka, a + r + t = 1 ……………………………………………………………………………5
Gambar 4. Absorpsi, Transmisi, dan Refleksi. 2.5. Benda Hitam
Benda yang secara keseluruhan non-reflective dan buram akan menyerap energi radiasi yang diterima permukaan benda itu. Tipe benda ini adalah absorber sempurna dan akan menjadi pemancar sempurna radiasi infra merah yang biasa disebut benda hitam. Perlu diingat bahwa benda hitam adalah alat secara teori, dimana tidaklah sama dengan hitam pada warna. Di lapangan, ditemukan bahwa permukan benda bukan absorber sempurna dan cenderung untuk memancarkan dan merefleksikan energi infra merah. Objek non-benda hitam akan menyerap energi lebih sedikit dibanding benda hitam pada kondisi yang sama. Karena itu objek non-benda hitam akan meradiasi lebih sedikit energi infra merah meskipun pada temperatur yang sama. Pemahaman akan kemampuan permukaan untuk meradiasi energi infra merah sangat penting untuk mencapai pengukuran akurat dengan termometer infra merah (Taylor, 2008). 2.6. Emisivitas Emisivitas adalah perbandingan antara energi yang diradiasi oleh material terhadap energi yang diradiasi benda hitam pada temperatur yang sama. Ini berhubungan dengan mengukur kemampuan material untuk menyerap dan meradiasi energi. Benda hitam sesungguhnya memiliki ε = 1 sedangkan benda nyata memiliki ε < 1. Gambar 5 menunjukkan mengapa benda bukan merupakan pemancar infra merah yang sempurna. Selama energi internal objek bergerak ke arah permukaan, satu bagian akan direfleksikan ke dalam, dan refleksi energi internal ini tidak akan pernah meninggalkan alat radiatif.
Gambar 5. Refleksi Internal. Emisivitas merupakan nilai numerik dan tidak memiliki satuan. ε=
energi yang diradiasi material energy yang diradiasi benda hitam
Kemampuan benda untuk memancarkan energi infra merah tergantung pada beberapa faktor, yakni jenis material, kondisi permukaan, panjang gelombang, dan temperatur. Faktor-faktor ini memiliki pengaruh emisivitas untuk variasi besar. Harga emisivitas untuk objek adalah ekspresi kemampuannya untuk meradiasikan energi infra merah. Tabel berikut memberikan harga emisivitas untuk beberapa material. Tabel 1. Harga Emisivitas untuk beberapa material.
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi emisivitas material. Perlu diketahui bagaimana pengaruh faktor-faktor ini pada harga emisivitas: Panjang Gelombang Emisivitas logam berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Material non-logam emisivitasnya cenderung meningkat seiring peningkatan panjang gelombang. Material semi tembus cahaya seperti film plastik menunjukkan variasi yang tajam dengan panjang gelombang. Kondisi Permukaan Pada kasus material logam, emisivitas akan menurun dengan pengkilapan dan akan meningkat dengan kekesatan atau kekasaran permukaan dan kadar oksidasi. Logam yang menjadi bahan dalam proses industri, sebagai contoh baja biasanya memiliki lapisan oksida berat dan memiliki emisivitas tinggi dan stabil. Material yang memiliki lapisan oksida yang tipis seperti logam ringan (bright metals) bisa memiliki emisivitas yang bergantung pada ketebalan oksida. Pada panjang gelombang yang panjang lapisan oksida menjadi jelas dan termometer mengukur permukaan metal non-oksida. Temperatur Emisivitas akan selalu berubah terhadap temperatur jika sifat permukaan material berubah. Sebagai contoh, jika lapisan menjadi berkilau atau menjadi suram (Taylor, 2008). Efek Emisivitas Pada Pengukuran Temperatur Karena termometer inframerah dikalibrasi terhadap sumber radiasi benda hitam, termometer infra merah akan selalu terbaca salah ketika mengukur suhu target dengan emisivitas kecil dari 1.0. Penyesuaian emisivitas secara normal diperlukan pada termometer, dimana ketika pengaturan harga emisivitas target, akan mengimbangi karena sifat non-benda hitam dan memungkinkan suhu yang tepat untuk kemudian diukur. Untuk menghasilkan pengukuran suhu yang akurat dan terpercaya adalah penting untuk mengetahui emisivitas material target (Raleigh, 2008).
3. PEMBAHASAN 3.1. Aliran Sistem Pengukuran Infra Merah Termometer infra merah bisa dianalogikan dengan mata manusia. Lensa mata merepresentasikan optik dimana radiasi (aliran foton) dari objek menyentuh lapisan fotosensitif (retina) via atmosfer untuk kemudian diubah menjadi signal untuk dikirim ke otak. Gambar 7 menunjukkan aliran proses sistem pengukuran inframerah.
Gambar 7. Sistem Pengukuran Inframerah. 3.1.1. Optik atau Window Sistem optik Termometer inframerah menangkap energi inframerah yang dipancarkan objek melalui circular measurement spot dan memfokuskannya pada detektor. Target harus menempati spot ini, jika tidak, termometer inframerah akan “melihat” radiasi temperatur yang lain dari lingkungan sehingga nilai pengukuran menjadi tidak akurat. Resolusi optik didefenisikan sebagai hubungan antara jarak alat ukur dalam hal ini termometer inframerah dari target dan diameter spot (D:S).
Gambar 9. Perbandingan Spot dan Terget untuk pengukuran. 3.1.2 Detektor Bentuk Detektor merupakan inti dari termometer inframerah. Detektor mengubah radiasi inframerah yang diterima menjadi signal listrik, yang kemudian dipancarkan sebagai nilai temperatur oleh sistem elektronik. Detektor inframerah dibagi menjadi 2 kelompok utama yakni detektor Quantum (foton detector) dan detektor termal.
Detektor termal mengubah temperatur tergantung pada radiasi tumbukan (Klaus et al, 2007). Pada detektor termal peristiwa radiasi diserap sebagai panas, kenaikan temperatur hasil menghasilkan signal keluaran yang menyerap semua panjang gelombang, respon spektral menjadi terbatas oleh tranmisi ke sistem optik. Karena operasi tergantung pada pencapaian keseimbangan temperatur, jumlah radiasi terbatas diperlukan tergantung pada massa termal. Respon cepat membutuhkan konstruksi tipis dan adalah tidak mudah untuk membuat detektor dengan respon waktu kecil dari 100 ms. Menentukan perbedaan antara detektor quantum dengan detektor termal adalah reaksi cepat pada radiasi yang diserap. Cara operasi detektor quantum berdasarkan efek foto. Foton tertahan dari radiasi inframerah menuju peningkatan elektron ke level energi tinggi didalam material semikonduktor. Temperatur elemen sensitif pada detektor termal berubah relatif lambat. Konstanta waktu detektor termal biasanya besar daripada konstanta waktu detektor quantum (Taylor, 2008). 3.2. Konstruksi dan Operasi Termometer Inframerah Gambar berikut merupakan konstruksi umum Thermometer Inframerah.
Gambar 8. Diagram Blok Thermometer Inframerah.
4. KESIMPULAN Termometer inframerah merupakan salah satu sensor non-kontak yang digunakan untuk mengukur suhu. Setiap benda diatas nol absout akan memancarkan radiasi infra merah. Range infra merah yang digunakan dalam pengukuran adalah 0.78 µm-14 µm. Diatas panjang gelombang ini level energi sangat rendah, dimana detektor tidak cukup peka untuk mendeteksi. Termometer inframerah bekerja dengan mengukur energi infra merah yang dipancarkan objek. Dengan mengukur energi infra merah yang dipancarkan objek, melalui serangkain proses maka suhu objek itu bisa diketahui.
DAFTAR PUSTAKA Carpy, A. Martha, M, (2008), Temperature, http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=48 Fullam, B (2008), INFRARED THERMOMETERS, THEORY AND CONSTRUCTION, http://72.14.235.132/search?q=cache:omq4IFvxRekJ:www.mikroninfrared.co m/assets/0/32/82/c5ef3e99d7ee4358ae1e40e9693650de.pdf+construction+of+IR+th ermometer&hl=en&ct=clnk&cd=1&client=opera Herman, L, Dou, D, (2006), Temperature, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/temper.html
Michaud, P (1999), Infrared Radiation-Warmth From The Cold of Space, http://www.gemini.edu/public/infrared.html, Raleigh (2008), Basics of noncontacs temperature measurement, http://www.micro-epsilon.com/staticcontent/PDF/optris/optris--basics-infraredtemperature-measurement--en.pdf Taylor, J (2008), Infrared Training Notes, http://www.landinst.com/infrared/downloads/pdf/InfraredTrainingNotesLevel1.pdf Taylor, J (2008), Infrared Training Notes Level 2 Process Imaging http://www.landinst.com/infrared/downloads/pdf/Level2_TrainingNotes.pdf Principles of Noncontact Temperature Measurement, http://support.fluke.com/rayteksales/Download/Asset/9250315_ENG_A_W.PDF Emissivity of Most Common Materials, http://www.raytek.com/Raytek/en-r0/IREducation/Emissivity.htm Temperature sensors type, http://www.temperatures.com/sensors.html What is Temperature, http://www.weatherwizkids.com/temperature.htm Key Elements of Correct Infrared Temperature Measurement, http://www.raytek.com/Raytek/en-r0/IREducation/AccurateMeasurement.htm What is Sensor Technology?, http://www.dcu.ie/~best/st.htm
Noncontacs sensors, http://www.tycoelectronics.com/documentation/whitepapers/pdf/eDigest-NonContact_Sensors_Technology_Overview.pdf
REKOMENDASI… DALAMI DAN PELAJARI, 1. MENGAPA DISEBUT TERMOMETER INFRAMERAH? 2. BEDA SENSOR DENGAN DETEKTOR? 3. KONSTRUKSI DAN OPERASI IRT? 4. KURVA PLANK? 5. BENDA HITAM? 6. DETEKTOR UNTUK IRT? 7. EMISIVITAS DAN PENGARUHNYA?
[email protected] (Ym)
[email protected]
