instrumentasi termokopel

LAPORAN PRAKTIKUM INTRUMENTASI

THERMOCOUPLE

OLEH :

Sartika

05081006006

JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIAN

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

INDRALAYA

2010

PENDAHULUAN

1.      Latar Belakang

Ada beberapa metode yang umum digunakan sebagai pengukuran temperatur (sensor) meliputi termokopel, sistem yang diisi (filled system), tahanan listrik dan elemen bimetal.

Pemilihan sensor temperatur dan sistem yang ingin digunakan bergantung pada empat faktor, yaitu : harga, ketepatan (akurasi), kepercayaan dan kesesuaian.

Faktor pertama pasti dipertimbangkan karena pengaruh harga sangat penting sekali. Faktor kedua dapat dipahami sebab bila suatu proses ingin dikontrol dengan satu atau dua derajat (kadang-kadang dengan derajat fraksi), proses lain dapat berubah beberapa derajat tentunya tanpa kehilangan efisiensi atau kualitas.

Faktor kepercayaan dapat digambarkan sebagai berikut : termokopel besi-konstantan dapat dipakai untuk pengukuran temperatur sekitar 760°C. Tetapi, oksidasi menyebabkan kesalahan awal dan termokopel besi-konstantan membutuhkan pergantian berulang. Agar lebih dapat dipercaya, termokopel dengan range temperatur besar dan ketahanan yang lama dapat digunakan.

Faktor kesesuaian pada proses yang hendak diukur turut menentukan pemilihan sensor; dimana sensor tidak berubah atau bercampur dengan proses. Misalnya menempatkan termokopel pada sumber panas (thermowell) dalam aliran dimana proses berlangsung mencegah terjadinya perpindahan panas dengan konsekuensi kesalahan indikasi temperatur.

Prinsip termoelektrik yang ditemukan oleh Seebeck pada tahun 1821 merupakan satu dasar dari beberapa jenis alat pengukuran temperatur yaitu termokopel. Bila dua logam yang berbeda dihubungkan bersama pada satu sisi dan sisi tersebut dipanaskan, akan timbul pada potensial pada sisi yang lain. Dua kaki bebas tersebut dapat dihubungkan dengan mili voltmeter atau potensiometer untuk mengukur besarnya emf (electromotive force) yang dihasilkan. Instrumen yang bekerja sesuai prinsip ini dikenal sebagai pirometer termoelektrik.

Electromotive force yang didapat pada rangkaian termoelektrik disebabkan oleh dua fenomena, satu dikenal efek Peltier dan yang lain adalah efek Thomson. Efek Peltier mengatur besar emf hasil dari kontak dua logam berbeda (tetapi besarnya berubah sejalan dengan temperatur pada titik kontak). Emf akibat dari efek Thomson (kurang dominan) dihasilkan oleh gradien temperatur kabel tunggal.

Selama kedua titik kontak dan kedua kabel terdapat gradien temperatur maka akan timbul dua emf Peltier dan dua amf Thomson. Total emf yang bekerja pada rangkaian adalah hasil keempat emf tersebut, dengan polaritas ditentukan dari material yang digunakan dan hubungannya terhadap temperatur pada kedua sisi. Besar emf ini dapat diukur pada rangkaian di setiap titik dengan instrumen pengukur emf atau potensiometer.

Termokopel yang umumnya diperdagangkan dapat membangkitkan 20 sampai 50 mV untuk suatu jangkauan temperatur tertentu.

Selama material yang digunakan adalah termokopel komersial (umum diperdagangkan), efek Thomson dapat diabaikan. Total emf menjadi jumlah kedua emf yang dibangkitkan oleh efek Peltier. Bila temperatur pada satu sambungan (reference junction) dipertahankan konstan, atau bila besar emf dikompensasi, emf efektif termokopel hanya yang dibagkitkan oelh temperatur yang tidak terkompensasi (measuring junction). Besar emf inilah yang digunakan untuk mengukur perubahan temperatur.

2.        Tujuan

Untuk mengetahui prinsip kerja termokopel dan jenis-jenis termokopel sehingga mampu membuat sendiri rangkaian termokopel serta mengetahui kelebihan dan kekurangan termokopel.

TINJAUAN PUSTAKA

Termokopel (Thermocouple)

Pembuatan termokopel didasarkan atas sifat thermal bahan logam. 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.

Kerapatan electron untuk setiap bahan logam berbeda tergantung dari jenis logam. Jika dua batang logam disatukan salah satu ujungnya, dan kemudian dipanaskan, maka elektron dari batang logam yang memiliki kepadatan tinggi akan bergerak ke batang yang kepadatan elektronnya rendah, dengan demikian terjadilah perbedaan tegangan diantara ujung kedua batang logam yang tidak disatukan atau dipanaskan. Besarnya termolistrik atau gem ( gaya electromagnet ) yang dihasilkan menurut T.J Seeback (1821) yang menemukan hubungan perbedaan panas (T1 dan T2) dengan gaya gerak listrik yang dihasilkan E, Peltir (1834), menemukan gejala panas yang mengalir dan panas yang diserap pada titik hot-juction dan cold-junction, dan Sir William Thomson, menemukan arah arus mengalir dari titik panas ke titik dingin dan sebaliknya, sehingga ketiganya menghasilkan rumus sbb:

E = C1(T1-T2) + C2(T12 – T22)

Efek Peltier Efek Thomson

Atau

E = 37,5(T1_T2) – 0,045(T12-T22)

di mana 37,5 dan 0,045 merupakan dua konstanta C1 dan C2 untuk termokopel tembaga/konstanta.

Bila ujung logam yang tidak dipanaskan dihubung singkat, perambatan panas dari ujung panas ke ujung dingin akan semakin cepat. Sebaliknya bila suatu termokopel diberi tegangan listrik DC, maka diujung sambungan terjadi panas atau menjadi dingin tergantung polaritas bahan (deret Volta) dan polaritas tegangan sumber. Dari prinsip ini memungkinkan membuat termokopel menjadi pendingin.
Thermocouple sebagai sensor temperatur memanfaatkan beda workfunction dua bahan metal.

   

Efek Seebeck

Pada tahun 1821, seorang fisikawan Estonia bernama Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa sebuah konduktor (semacam logam) yang diberi perbedaan panas secara gradien akan menghasilkan tegangan listrik. Hal ini disebut sebagai efek termoelektrik. Untuk mengukur perubahan panas ini gabungan dua macam konduktor sekaligus sering dipakai pada ujung benda panas yang diukur.

Bila dua material yang berbeda dihubungkan dalam suatu sirkuit dan kedua sambungan (junction) dipertahankan pada temperatur yang berbeda maka akan dibangkitkan emf (electromotive force). Fenomena ini pertama kali ditemukan oleh Seebeck sehingga disebut efek Seebeck atau umumnya dikenal dengan nama prinsip termokopel.

Dua buah material, sebut p dan n dihubungkan pada titik 1 dan berada pada temperatur referensi, TL. Dengan potensiometer diukur beda temperatur (TH - TL).

Seebeck memberikan suatu persamaan hubungan sifat material, potensial termoelektrik dengan temperatur. Koefisien Seebeck atau biasa disebut thermoelectric power untuk suatu material didefinisikan sebagai,

A = dE

      dT

Koefisien Seebeck kombinasi, ditentukan positif jika arus listrik (aliran muatan positif) mengalir dari material p ke material n pada simpangan dingin dimana panas kombinasi ulang dilepaskan

Prinsip Kerja Termokopel

Suatu termokopel bekerja atas dasar prinsip fenomena dari Seebeck (pada tahun 1821), yaitu : bila suatu rangkaian yang terdiri dari dua buah logam yang tidak sejenis dan bila temperatur pada sambungan-sambungan dari kedua kawat tersebut tidak sama, maka akan ada gaya listrik (electromotive force = emf).

Konduktor tambahan ini kemudian akan mengalami gradiasi suhu, dan mengalami perubahan tegangan secara berkebalikan dengan perbedaan temperatur benda. Menggunakan logam yang berbeda untuk melengkapi sirkuit akan menghasilkan tegangan yang berbeda, meninggalkan perbedaan kecil tegangan memungkinkan kita melakukan pengukuran, yang bertambah sesuai temperatur. Perbedaan ini umumnya berkisar antara 1 hingga 70 microvolt tiap derajad celcius untuk kisaran yang dihasilkan kombinasi logam modern. Beberapa kombinasi menjadi populer sebagai standar industri, dilihat dari biaya, ketersediaanya, kemudahan, titik lebur, kemampuan kimia, stabilitas, dan hasil. Sangat penting diingat bahwa termokopel mengukur perbedaan temperatur di antara 2 titik, bukan temperatur absolut.

Pada banyak aplikasi, salah satu sambungan (sambungan yang dingin) dijaga sebagai temperatur referensi, sedang yang lain dihubungkan pada objek pengukuran. contoh, pada gambar di atas, hubungan dingin akan ditempatkan pada tembaga pada papan sirkuit. Sensor suhu yang lain akan mengukur suhu pada titik ini, sehingga suhu pada ujung benda yang diperiksa dapat dihitung. Termokopel dapat dihubungkan secara seri satu sama lain untuk membuat termopile, dimana tiap sambungan yang panas diarahkan ke suhu yang lebih tinggi dan semua sambungan dingin ke suhu yang lebih rendah. Dengan begitu, tegangan pada setiap termokopel menjadi naik, yang memungkinkan untuk digunakan pada tegangan yang lebih tinggi.

Dengan adanya suhu tetapan pada sambungan dingin, yang berguna untuk pengukuran di laboratorium, secara sederhana termokopel tidak mudah dipakai untuk kebanyakan indikasi sambungan lansung dan instrumen kontrol. Mereka menambahkan sambungan dingin tiruan ke sirkuit mereka yaitu peralatan lain yang sensitif terhadap suhu (seperti termistor atau dioda) untuk mengukur suhu sambungan input pada peralatan, dengan tujuan khusus untuk mengurangi gradiasi suhu di antara ujung-ujungnya. Di sini, tegangan yang berasal dari hubungan dingin yang diketahui dapat disimulasikan, dan koreksi yang baik dapat diaplikasikan. Hal ini dikenal dengan kompensasi hubungan dingin.

Biasanya termokopel dihubungkan dengan alat indikasi oleh kawat yang disebut kabel ekstensi atau kompensasi. Tujuannya sudah jelas. Kabel ekstensi menggunakan kawat-kawat dengan jumlah yang sama dengan kondoktur yang dipakai pada Termokopel itu sendiri. Kabel-kabel ini lebih murah daripada kabel termokopel, walaupun tidak terlalu murah, dan biasanya diproduksi pada bentuk yang tepat untuk pengangkutan jarak jauh - umumnya sebagai kawat tertutup fleksibel atau kabel multi inti. Kabel-kabel ini biasanya memiliki spesifikasi untuk rentang suhu yang lebih besar dari kabel termokopel. Kabel ini direkomendasikan untuk keakuratan tinggi.

Kabel kompensasi pada sisi lain, kurang presisi, tetapi murah. Mereka memakai perbedaan kecil, biasanya campuran material konduktor yang murah yang memiliki koefisien termoelektrik yang sama dengan termokopel (bekerja pada rentang suhu terbatas), dengan hasil yang tidak seakurat kabel ekstensi. Kombinasi ini menghasilkan output yang mirip dengan termokopel, tetapi operasi rentang suhu pada kabel kompensasi dibatasi untuk menjaga agar kesalahan yang diperoleh kecil. Kabel ekstensi atau kompensasi harus dipilih sesuai kebutuhan termokopel. Pemilihan ini menghasilkan tegangan yang proporsional terhadap beda suhu antara sambungan panas dan dingin, dan kutub harus dihubungkan dengan benar sehingga tegangan tambahan ditambahkan pada tegangan termokopel, menggantikan perbedaan suhu antara sambungan panas dan dingin.

Tipe-Tipe Termokopel

Tersedia beberapa jenis termokopel, tergantung aplikasi penggunaannya

1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy))

Jenis K adalah termokopel 'tujuan umum'. Ini adalah biaya rendah dan, karena popularitasnya, tersedia dalam berbagai macam probe. Termokopel tersedia di C -200 ° sampai 1.200 ° C jangkauan. Sensitivitas adalah sekitar 41uV / ° C. K jenis Gunakan kecuali Anda memiliki alasan untuk tidak.

2.      Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy))

Tipe E memiliki output yang besar (68 µV/°C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetik.

3.      Tipe J (Iron / Constantan)

Keterbatasan (-40 sampai 750 ° C) membuat tipe J kurang populer dari K. Tipe aplikasi utama adalah dengan peralatan lama yang tidak dapat menerima 'modern' termokopel. J jenis tidak boleh digunakan di atas 760 ° C sebagai transformasi magnetik mendadak akan menyebabkan decalibration permanen.

4.      Tipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy))

Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200 °C. Sensitifitasnya sekitar 39 µV/°C pada 900 °C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan tipe K

Termokopel tipe B, R, dan S adalah termokopel logam mulia yang memiliki karakteristik yang hampir sama. Mereka adalah termokopel yang paling stabil, tetapi karena sensitifitasnya rendah (sekitar 10 µV/°C) mereka biasanya hanya digunakan untuk mengukur temperatur tinggi (>300 °C).

5.      Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh)

Cocok untuk pengukuran suhu tinggi hingga 1800 ° C. Tidak biasa termokopel tipe B (karena bentuk suhu mereka / kurva tegangan) memberikan output yang sama pada 0 ° C dan 42 ° C. Hal ini membuat mereka tidak berguna di bawah 50 ° C.

6.      Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium)

Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10 µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum.

7.      Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium)

Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10 µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064.43 °C).

8.      Type T (Copper / Constantan)

Cocok untuk pengukuran antara −200 to 350 °C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari constantan. Sering dipakai sebagai alat pengukur.

PELAKSANAAN PRAKTIKUM

1.        Tempat dan Waktu

Praktikum ini dilaksanakan di laboratorium computer jurusan teknologi pertanian pada hari rabu tanggal 1 Desember 2010.

2.        Alat dan Bahan

-          Termokopel

-          Switch on/off

-          Kabel

-          Power supply

-          Es batu

-          Baskom

-          display

3.        Cara Kerja

1. Siapkan rangkaian termokopel dengan merngkai kabel, termokopel, display dengan switch on/off sebanyak 7 pasang.
2. Masukkan es batu kedalam baskom.
3. Hidupkan rangkaian dengan power supply.
4. Masukkan salah satu termokopel kedalam baskom yang berisi es batu.
5. Tekan switch menjadi posisi on, jika display menunjukkan angka mendekati nol derajat berarti switch cocok dengan termokopel.
6. Beri tanda pada termokopel yang sudah diuji n catat hasilnya.
7. Ulangi perlakuan untuk semua termokopel yang tersedia.
8. Termokopel telah dikalibrasi dan siap digunakan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

1.    Hasil

Tabel hasil pengukuran :

Sensor	Suhu (oC)
1	4
2	5
3	3
4	3
5	6
6	2
7	7
8	3
9	7
10	5
11	5
12	2
13	4
14	5

2.      Pembahasan

Termokopel adalah salah satu metode yang paling sederhana dan umum digunakan dalam menentukan temperatur proses. Jika panas diberikan pada sebuah sambungan dua metal yang berlainan, maka akan dibangkitkan gaya elektromotif (electromotive force) yang dapat diukur pada sambungan beku (cold) lainnya dari dua metal (konduktor) ini. Konduktor tersebut, membentuk sebuah rangkaian listrik, dan arus mengalir sebagai akibat adanya emf yang dibangkitkan. Arus akan terus mengalir dalam rangkaian tersebut (ditunjukkan pada gambar 2.1) selama  T2.¹T1
Karena temperatur sambungan kedua dari metal harus diketahui, kotak es C).

Sebagian besar masalah pengukuran dan kesalahan dengan termokopel adalah karena kurangnya pemahaman tentang bagaimana termokopel bekerja. Thermocouples dapat menderita dari penuaan dan akurasi dapat berbeda-beda akibatnya terutama setelah kontak yang terlalu lama untuk suhu pada ekstremitas dari jangkauan operasi manfaatnya. Tercantum di bawah ini adalah beberapa masalah yang lebih umum dan perangkap yang harus diperhatikan.

Kesalahan pengukuran biasanya disebabkan oleh kebocoran pada termokopel akibat alat tidak pernah dikalibrasi sehingga alat tidak pernah kembali pada keadaan semula. Dan termokopel yang telah rusak diganti, penggantian ini juga biasanya akan bermasalah jika penggantian tipe termokopelnya berbeda, untuk itu harus dicari jenis yang sama.

Kesalahan pengukuran juga banyak disebabkan oleh sambungan termokopel tidak disengaja. Ingat bahwa setiap persimpangan dua logam yang berbeda akan menyebabkan persimpangan. Jika Anda perlu meningkatkan panjang mengarah dari termokopel Anda, Anda harus menggunakan jenis yang tepat kawat termokopel ekstensi (misalnya K tipe termokopel tipe K). Menggunakan jenis lain dari kawat akan memperkenalkan sebuah persimpangan termokopel. Setiap konektor yang digunakan harus terbuat dari bahan termokopel yang benar dan polaritas yang benar harus diperhatikan.

Decalibration adalah proses tidak sengaja mengubah susunan kawat termokopel. Penyebab biasanya adalah difusi partikel atmosfer menjadi logam pada temperatur yang ekstrem operasi. Penyebab lainnya adalah kotoran dan bahan kimia dari isolasi menyebar ke kawat termokopel. Jika beroperasi pada suhu tinggi, cek spesifikasi dari isolasi probe.

Untuk mengntisipasi kesalahan yang terjadi termokopel sebelum digunakan dan sesudah digunakan harus dilakukan kalibrasi secara manual, yaitu dengan mengukur derajat benda yang mempunyai nilai 0^oC yang dalam hal ini dapat digunakan es batu.

KESIMPULAN DAN SARAN

1.    Kesimpulan

1. Termokopel adalah salah satu metode yang paling sederhana dan umum digunakan dalam menentukan temperatur proses.
2. Termokopel mempunyai tipe-tipe yaitu tipe K, E, J, N, B, R, S, dan T. Setiap tipe mempunyai kalebihan dan kekurangan yang berbeda.
3. Keuntungan menggunakan termokopel yaitu biaya yang diperlukan tidak besar, mudah didapat, mudah dalam pengoperasian,  mudah dalam perawatan dan hanya membutuhkan tegangan yang kecil.
4. Kekurangannya yaitu termokopel adalah alat yang sangat sensitive sehingga kesalahan akan semakin besar jika pengamat tidak teliti dan termokopel cepat rusak.
5. Pengkalibrasian alat hrus dilakukan secara manual dengan mengukur suhu nol derajat.

2. Saran

Dalam pengukuran dilapangan diperlukan ketelitian dan sebelum dan sesudahnya alat harus dikalibrasi terlabih dahulu.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim.2010.termokopel.(http://www.google.com/termokopel).(online).(diakses

pada 7 Desember 2010).

Cooper W.D., 1985, Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran, Jakarta :

Erlangga.

Samadikun, S, dkk. 1988. Sistem Instrumentasi Elektronika. Institut Teknologi

Bandung.

Wikipedia.2010.termokopel. (http://www.wikipedia.com/termokopel).(online).

            (diakses pada 7 Desember 2010).