ALAT UKUR (MEASURING DEVICES) (Bag. 1) Temperature Measurements

Pengukur Suhu (Temperature Measurements)

Teperatur adalah ukuran panas atau dingin suatu benda. Kulit manusia mampu merasakan apakah suatu benda panas atau dingin, namun rasa panas atau dingin tersebut relatif terhadap temperature kulit itu sendiri (tidak dapat teramati secara kuantitatif).  Temperature adalah besaran relative, tergantung pada acuan yang digunakan. Berbagai besaran temperatur menggunakan suatu acuan sebagai harga dasarnya. Beberapa sifat fisika benda yang digunakan sebagai acuan pengukuran temperatur dicantumkan pada tabel di bawah.

Besaran temperatur tidak diukur secara langsung. Ukuran temperatur selalu berdasarkan perubahan sifat fisik benda tertentu akibat pengaruh perubahan temperatur. Berbagai perubah yang digunakan sebagai prinsip dasar suatu termometer, antar lain :

1.    Perubahan dimensi benda, misalnya :

a.    Termometer cair dalam bulb (termometer air raksa), berdasarkan prinsip perubahan volume cairan dalam bulb jika dihubungkan dengan medium pada temperatur tertentu yang ingin diketahui.

b.    Termometer bimetal, berdasarkan perbedaan koefisien ekspansi dua buah plat logam yang direkatkan.

2.    Perubahan tegangan listrik, berdasarkan perbedaan sifat termoelektrik dua buah bahan, misalnya : thermocouple.

3.    Perubahan tahanan listrik suatu benda, misalnya : RTD dan Thermistor.

4.    Perubahan tekanan cairan dalam bulb, misalnya pressure termometer.

A. Bimetal Thermometer

Termometer ini terdiri dari dua logam dengan koefisien muai atau ekspansi berbeda yang dilekatkan menjadi satu. Logam yang mempunyai koefisien ekspansi lebih besar akan mempunyai pertambahan dimensi yang lebih besar dari logam lainnya akibat kenaikan temperature. Sehingga menyebabkan batang bimetal berdefleksi pada arah tertentu, penurunan temperatu menyebabkan defleksi pada arah yang berlawanan. Simpangan batang digunakan untuk menyatakan ukuran temperatu di sekitar batang bimetal. Untuk mendapatkan sensitivitas yang lebih besar, maka dipilih bahan A yang mempunyai koefisien ekspansi besar dan bahan B mempunyai koefisien ekspansi kecil. Contoh : bahan bimetal terbuat dari paduan bahan invar (campuran besi-nikel) yang mempunyai koefisien ekspansi kecil dengan bahan Aluminium yang mempunyai koefisien ekspansi besar.

Bimetal thermometer digunakan secara luas di dalam industri proses sebagai indicator lokal dari temperatur proses. Skala pengukuran dapat dibuat dari (- 100 ~ 1000 ) ºF. Skala pengukurannya adalah linier terhadap range dan range akurasinya sekitar ± ½ ~ ± 2 % atau lebih tinggi.

B.  Thermocouple

Pada tahun 1821 ahli fisika Germany, Estonian Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa suatu konduktor apapun (misalnya metal) akan menghasilkan suatu tegangan (voltage) ketika diberikan gradien thermal. Peristiwa ini dikenal sebagai efek Seebeck atau efek termoelektrik. Thermocouple adalah suatu sensor temperatur termoelektris yang terdiri dari dua kawat logam yang berlainan (misalnya chromel dan constantan) dengan penggabungannnya pada probe tip (measurement junction) dan reference junction (temperature yang diketahui). Perbedaan temperatur antara probe tip dan reference junction dideteksi dengan mengukur perubahan tegangan voltage (electromotive force, EMF) pada reference junction. Pembacaan absolute temperature kemudian bisa diperoleh dengan kombinasi informasi dari temperatur acuan yang diketahui dengan perbedaan temperature antara probe tip dengan reference.

Beberapa jenis-jenis sambungan thermocouple yang umum digunakan adalah sebagai berikut :

Secara komersial jenis thermocouple ditetapkan oleh ISA (Instrument Society of America). Jenis E, J, K dan T adalah base-metal thermocouple dan dapat digunakan untuk mengukur temperature hingga 1000°C (1832°F). Jenis S, R dan B adalah noble-metal thermocouples dan dapat digunakan untuk mengukur temperature hingga 2000°C (3632°F). Berikut table spesifikasi dasar dari thermocouple.

C. Resistance Temperature Detector (RTD)

Tahanan (resistance) dari suatu material metal akan berubah terhadap perubahan temperaturnya. Hal ini merupakan suatu dasar metoda deteksi temperature. Bahan yang digunakan untuk sensor ini dibagi menjadi dua macam yaitu bahan konduktor (logam) dan bahan semikonduktor. Bahan konduktor ditemukan terlebih dahulu dan disebut “Resistance-Termometer” sekarang disebut “Resistance Temperature Detector (RTD)”. Jenis  semikonduktor muncul lebih akhir dan diberi nama “thermistor”.

Hubungan Resistance (R) dengan Temperature (T) adalah sangat berperan didalam Resistance Temperature Detector (RTD). Hubungan R-T dari beberapa bahan-bahan RTD digambarkan sebagai berikut dimana y-axis adalah resistance yang dinormalisir terhadap resistance pada 0 C (32 F)  dan x-axis adalah temperature.

Secara komersial resistance RTD yang tersedia terbentang dari 10 ~ 25,000 Ω. Lebih umum adalah 100, 200, dan 1000 Ω untuk strain-free platinum probe (> 99.999%) dan 10 Ω copper probe. Range temperature dari material yang digunakan untuk RTD seperti platinum, copper, nickel, BalcoTM (70% Ni-30% Fe) dan tungsten dapat dilihat pada table berikut :

D. Thermistor

Serupa dengan Resistance Temperature Detector (RTD), thermistor (Bulk Semiconductor Sensor) menggunakan resistance untuk mendeteksi temperatur. Bagaimanapun, tidak sama dengan RTD metal probe dimana resistance meningkat dengan temperatur, thermistor menggunakan material ceramic semiconductor dimana responya terbalik dengan temperatur.

Thermistor adalah resistance thermometer, dimana hubungan antara Resistance dan Temperature adalah sangat nonlinear. Resistance berubah secara negatif dan tajam dengan suatu perubahan positif didalam temperature, seperti ditunjukkan pada grafik di bawah.

Sensor thermistor dapat mengukur temperatur dari –40 ~ 150 ± 0.35 °C (-40 ~302 ± 0.63 °F). Bentuk dari thermistor probe dapat berbentuk bead, washer, disk dan road. Resistance operasi dari thermistor adalah dalam range kOhm, walaupun aktual resistance terbentang dalam M Ohm hingga Ohm

E. Pyrometer

Pyrometer (radiation thermometer) adalah non-contact instrument untuk mendeteksi temperatur permukaan dari suatu obyek dengan mengukur radiasi gelombang elektromagnetic (infrared/visible) yang dipancarkan oleh suatu obyek. Panjang gelombang dari radiasi thermal terbentang dari 0.1 sampai 100 µm (4 ~ 4,000 µin), yaitu dari ultraviolet (UV), spectrum sinar tampak (visible spectrum) hingga pertengahan dari infrared (IR).
Panjang gelombang dari radiasi thermal terbentang dari 0.1 sampai 100 µm (4 ~ 4,000 µin), yaitu dari ultraviolet (UV), spectrum sinar tampak (visible spectrum) hingga pertengahan dari infrared (IR). Pyrometry secara harafiah berarti "api / fire“ (pyro) dan "mengukur / measuring " (metron). Pyrometer memanfaatkan fakta bahwa semua objek di atas absolut temperature 0 K (- 273.15 ° C; - 459.67 ° F) menyebar dan menyerap energi thermal. Jika hubungan antara intensitas radiasi, panjang gelombang dan temperatur dapat bentuk, maka temperature dapat ditemukan dari radiasi itu.

Pyrometer adalah photodetector yang mampu menyerap energi atau mengukur intensitas gelombang electromagnetic pada panjang gelombang tertentu atau dalam suatu range panjang gelombang tertentu. Atas dasar tersebut dikenal dua jenis pyrometer, yaitu :

1.    Optical Pyrometer (Brightness Pyrometer atau Disappearing Filament Pyrometer)

-       Dirancang untuk radiasi thermal pada spectrum sinar tampak (visible spectrum).

-       Menggunakan suatu perbandingan visual antara suatu sumber cahaya yang terkalibrasi dan permukaan yang ditargetkan. Ketika kawat pijar (filament) dan target mempunyai temperature yang sama, intensitas radiasi termal akan match menyebabkan kawat pijar menghilang seperti tercampur kedalam permukaan yang ditargetkan di latar belakang.

-       Ketika kawat pijar menghilang, arus yang melintas pada kawat pijar dapat diubah kedalam pembacaan temperatur.

2. Infrared Pyrometer

Dirancang untuk radiasi thermal didalam daerah infrared (0.75 ~ 1000 µm ; 30 µin ~ 0.04 in) pada umumnya 2 ~ 14 µm (80 ~ 550 µin). Dibuat dari material pyroelectric, seperti triglisine sulfate (TGS), lithium tantalate (LiTaO3) atau polyvinylidene fluoride (PVDF).