MODUL OPERASIONAL TRAINER SENSOR SUHU ED-6800B

MATA KULIAH FISIKA III

MODUL OPERASIONAL TRAINER SENSOR SUHU ED-6800B

MATA KULIAH FISIKA III

Penulis:

Ahmad Kurniawan

Penelaah:

Puput Wanarti Rusimamto

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA

2008

Dalam kegiatan belajar mengajar dibutuhkan suatu bahan ajar untuk membantu mencapai tujuan pembelajaran, satunya adalah modul. Selain dapat dijadikan pedoman, modul juga merupakan sumber belajar yang baik khususnya belajar mandiri. Bagi Mahasiswa, modul dapat dijadiklan media pembelajaran yang efektif, karena isi yang singkat namun padat informasi, dan mudah dipahami.

Perangkat modul ini terdiri dari Modul Mahasiswa dan Panduan Kegiatan Belajar Mengajar. Modul mahasiswa berisi pengetahuan dan keterampilan untuk mahasiswa. Panduan kegiatan belajar mengajar berisi informasi yang digunakan oleh dosen dalam pembelajaran.

Dengan menggunakan modul ini mahasiswa dapat belajar mandiri. Mahasiswa dapat menyelesaikan unit kompetensi dari satu unit ke unit berikutnya sesuai dengan kecepatan belajar masing-masing. Diharapkan dengan modul ini dapat memberi kemudahan dosen dan mahasiswa kegiatan belajar mengajar sehingga tujuan pembelajaran dapat dicapai.

Saran dan kritik sangat diharapkan dalam penyempurnaan pengembangan modul ini

Penulis

Saran dan kritik sangat diharapkan dalam penyempurnaan pengembangan modul ini

Penulis

HALAMAN SAMPUL.......................................................................................... i

HALAMAN FRANCIS........................................................................................ ii

KATA PENGANTAR......................................................................................... iii

DAFTAR ISI........................................................................................................ iv

PETA KEDUDUKAN MODUL........................................................................ v

DAFTAR DAN ARTI KATA-KATA KHUSUS.............................................. vi

BAB I PENDAHULUAN

A. Deskripsi............................................................................................ . 1

B. Prasyarat............................................................................................ . 1

C. Petunjuk Penggunaan Modul....................................................... . 1

D. Kompetensi dan Indikator................................................................ 3

BAB II KEGIATAN PEMBELAJARAN

Kegiatan Belajar 1............................................................................................ 4

A. Kompetensi dan Indikator............................................................... 4

B. Uraian Materi..................................................................................... 4

C. Lembar Kegiatan 1........................................................................... 18

D. Tes Formatif 1................................................................................... 21

Kegiatan Belajar 2............................................................................................ 23

A. Kompetensi dan Indikator............................................................... 23

B. Uraian Materi..................................................................................... 23

C. Lembar Kegiatan 2........................................................................... 28

D. Tes Formatif 2................................................................................... 32

BAB III PENUTUP............................................................................................. 33

DAFTAR PUSTAKA......................................................................................... 34

Peta kedudukan Modul Operasional Trainer ED-6800B dapat dilihat pada diagram berikut ini

Keterangan Peta Kedudukan Modul

51324303	Fisika I
51324304	Fisika II
51324204	fisika III
51324309	Rangkaian Listrik II
34324214	Pengukuran Elektronika
34324201	Komponen Elektronika

DAFTAR ISTILAH

ISTILAH

KETERANGAN

· Transduser

· Sensor

· Bimetal

· Termokopel

· Termistor

· NTC (Negative Temperatur Coefficient)

PTC ( Positif Temperature Coefficient )

Transduser adalah peralatan yang dapat mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Alat untuk mendeteksi adanya perubahan fisik pada suatu objek dan mengubahnya menjadi signal yang dapat diukur atau disimpan

Sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya

Sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan panas dalam benda yang diukur temperaturnya menjadi perubahan potesial/tegangan listrik (voltase).

Alat semikonduktor yang berupa tahanan (resistor) yang digunakan untuk mengukur perubahan temperatur

Sebuah resistor yang resistansinya dipengaruhi oleh suhu, Makin tinggi suhu, resistansinya makin bertambah kecil.

sebuah resistor yang resistansinya dipengaruhi oleh suhu. Makin tinggi suhu, resistansinya makin bertambah besar.

TABEL KONVERSI SUHU

Dari Kelvin :

Skala yang diinginkan	Rumus
Celcius	°C = K − 273,15
Fahrenheit	°F = K × 1,8 − 459,67
Rankine	°Ra = °C × 1,8 + 491,67
Delisle	°De = (100 − °C) × 1,5
Newton	°N = °C × 33/100
Réaumur	°Ré = °C × 0,8
Rømer	(K − 273,15) × 21/40 + 7,5

Dari Celsius :

Skala yang diinginkan	Rumus
Kelvin	K = °C + 273,15
Fahrenheit	°F = °C × 1,8 + 32
Rankine	°Ra = °C × 1,8 + 491,67
Delisle	°De = (100 − °C) × 1,5
Newton	°N = °C × 33/100
Réaumur	°Ré = °C × 0,8
Rømer	°Rø = °C × 21/40 + 7,5

Dari Fahrenheit :

Skala yang diinginkan	Rumus
Kelvin	K = (°F + 459,67) / 1,8
Celsius	°C = (°F − 32) / 1,8
Rankine	°Ra = °F + 459,67
Delisle	°De = (212 − °F) × 5/6
Newton	°N = (°F − 32) × 11/60
Réaumur	°Ré = (°F − 32) / 2,25
Rømer	°Rø = (°F − 32) × 7/24 + 7,5

Dari Rankine :

Skala yang diinginkan	Rumus
Kelvin	K = °Ra / 1,8
Celsius	°C = °Ra / 1,8 + 273,15
Fahrenheit	°F = °Ra - 459,67
Delisle	°De = (671,67 − °Ra) × 5/6
Newton	°N = (°Ra − 491,67) × 11/60
Réaumur	°Ré = (°Ra / 1,8 + 273,15) × 0,8
Rømer	°Rø = (°Ra − 491,67) × 7/24 + 7,5

Dari Delisle :

Skala yang diinginkan	Rumus
Kelvin	K = 373,15 − °De × 2/3
Celsius	°C = 100 − °De × 2/3
Fahrenheit	°F = 212 − °De × 1,2
Rankine	°Ra = 671,67 − °De × 1,2
Newton	°N = 33 − °De × 0,22
Réaumur	°Ré = 80 − °De × 8/15
Rømer	°Rø = 60 − °De × 0,35

Dari Newton :

Skala yang diinginkan	Rumus
Kelvin	K = °N × 100/33 + 273,15
Celsius	°C = °N × 100/33
Fahrenheit	°F = °N &times 60/11 + 32
Rankine	°Ra = °N × 60/11 + 491,67
Newton	°De = (33 − °N) × 50/11
Réaumur	°Ré = °N × 80/33
Rømer	°Rø = °N × 35/22 + 7,5

Dari Reaumur :

Skala yang diinginkan	Rumus
Kelvin	K = °Ré / 0,8 + 273,15
Celsius	°C = °Ré / 0,8
Fahrenheit	°F = °Ré × 2,25 + 32
Rankine	°Ra = °Ré × 2,25 + 491,67
Delisle	°De = (80 − °Ré) × 1,875
Newton	°N = °Ré × 33/80
Rømer	°Rø = °Ré × 21/32 + 7,5

Dari Rømer :

Skala yang diinginkan	Rumus
Kelvin	K = (°Rø − 7,5) × 40/21 + 273.15
Celsius	C = (°Rø − 7,5) × 40/21
Fahrenheit	°F = (°Rø − 7,5) × 24/7 + 32
Rankine	°Ra = (°Rø − 7,5) × 24/7 + 491,67
Delisle	°De = (60 − °Rø) × 20/7
Newton	°N = (°Rø − 7,5) × 22/35
Reaumur	°Ré = (°Rø − 7,5) × 32/21

Kompetensi dasar dan indikator

A. Deskripsi

Modul Sensor Suhu ini disusun untuk membantu mahasiswa program studi S1 Pendidikan Teknik Elektro. Isi modul ini terdiri atas teori singkat, soal-soal beserta penyelesaiannya yang terbagi dalam dua materi pokok, yaitu Transduser dan Aplikasi Sensor Suhu Termokopel, dan Aplikasi Sensor Suhu Termistor .

Hasil belajar yang akan dicapai setelah menguasai modul ini adalah memiliki Pengetahuan sensor suhu, dan komponen – komponen yang di gunakan dalam sensor suhu (pada mata kuliah Fsika III).

B. Prasyarat

Untuk mempelajari modul ini, mahasiswa dipersyaratkan telah menguasai materi tentang Pengukuran Elektronika, Fisika II, Rangkaian Listrik II.

C. Petunjuk penggunaan Modul

Pelajari daftar isi serta peta kedudukan modul dengan cermat dan teliti karena dalam peta modul akan tampak kedudukan modul yang sedang kamu pelajari di antara modul-modul yang lain.
Pelajari tiap kegiatan belajar ini dengan membaca secara berulang-ulang sehingga kamu benar-benar paham dan mengerti.
Jawablah tes formatif dengan jawaban yang singkat dan jelas, kemudian cocokkanlah hasil latihanmu dengan kunci jawaban dari instruktur.
Apabila jawabanmu sudah benar lanjutkanlah ke kegiatan belajar selanjutnya.
Bila terdapat penugasan, kerjakan tugas tersebut dengan baik dan jika perlu konsultasikan hasil tersebut pada instruktur.
Catatlah kesulitan yang kamu dapatkan dalam modul ini untuk ditanyakan pada instruktur saat kegiatan tatap muka. Bacalah referensi lain yang berhubungan dengan materi modul agar kamu mendapatkan pengetahuan tambahan.
Waktu yang digunakan untuk menyelesaikan modul ini terdiri dari dua bagian, yaitu

Kegiatan Belajar 1:

Pemahaman transduser dan Aplikasi Sensor Suhu Termokopel = 1 jam tatap muka dan 1 jam terstruktur.

Kegiatan Belajar 2:

Aplikasi Sensor Suhu Termistor = 1 jam tatap muka dan 2 jam terstruktur.

D. Kompetensi dan Indikator

Setelah mempelajari modul ini diharapkan mahasiswa memliki kompetensi sebagai berikut :

1. Memahami konsep Transduser dan termokopel sebagai aplikasi sensor temperatur yang meliputi 5 indikator berikut:

a. menjelaskan jenis dan karakteristik termokopel

b. menjelaskan cara kerja sensor suhu secara umum

c. menjelaskan cara kerja termokopel sebagai sensor suhu

d. menghitung konversi suhu dengan skala yang berbeda

2. memahami konsep termistor sebagai aplikasi sensor temperatur yang meliputi 4 indikator berikut :

a. menjelaskan cara kerja termistor sebagai sensor suhu

b. menjelaskan cara kerja NTC (Negative Themperature Coefficient)

c. menjelaskan cara kerja PTC (Possitivethemperature Coefficient)

d. melakukan percobaan sensor suhu dengan termistor

TRANSDUSER DAN APLIKASI SENSOR SUHU TERMOKOPEL

Kegitan Belajar I :

A. KOMPETENSI DAN INDIKATOR

Setelah mempelajari Topik ini mahasiswa memiliki kompetensi yaitu memahami konsep Transduser dan termokopel sebagai aplikasi sensor temperatur yang meliputi :

Menjelaskan jenis dan karakteristik termokopel
Menjelaskan cara kerja sensor suhu secara umum
Menjelaskan cara kerja termokopel sebagai sensor suhu
Menghitung konversi suhu dengan skala yang berbeda
Melakukan percobaan sensor suhu dengan termokopel

B. URAIAN MATERI

Sensor suhu adalah alat yang digunakan untuk merubah besaran panas menjadi besaran listrik yang dapat dengan mudah dianalisis besarnya. Ada beberapa metode yang digunakan untuk membuat sensor ini, salah satunya dengan cara menggunakan material yang berubah hambatannya terhadap arus listrik sesuai dengan suhunya.

Srivastava (1987) mengatakan suhu/temperatur merupakan salah satu dari empat besaran dasar yang diakui oleh Sistem Pengukuran Internasional (The International Measuring System). Lord Kelvin pada tahun 1848 mengusulkan skala temperature termodinamika pada suatu titik tetap triple point, dimana fase padat, cair dan uap berada bersama dalam equilibrium, angka ini adalah 273,16 ^oK ( derajat Kelvin) yang juga merupakan titik es.

Skala lain adalah Celcius, Fahrenheit dan Rankine dengan hubungan sebagai berikut:

^oF = 9/5 ^oC + 32 atau

^oC = 5/9 (^oF-32) atau

^oR = ^oF + 459,69

Cara mudah untuk mengubah dari Celsius, Fahrenheit, dan Reamur adalah dengan mengingat perbandingan C:F:R = 5:9:4. Caranya, adalah:

Dari Celsius ke Fahrenheit setelah menggunakan cara itu, ditambahkan 32.

Contoh :

· 100°C pada skala Fahrenheit adalah 9/5 x 100 + 32 = 212°F

· 77°F pada skala Celsius adalah 5/9 x (77-32) = 25°C

Yayan I.B (1998) mendefinisikan temperatur adalah kondisi penting dari suatu substrat. Sedangkan “panas adalah salah satu bentuk energi yang diasosiasikan dengan aktifitas molekul-molekul dari suatu substrat”. Partikel dari suatu substrat diasumsikan selalu bergerak. Pergerakan partikel inilah yang kemudian dirasakan sebagai panas, sedangkan temperatur adalah ukuran perbandingan dari panas tersebut.

Pergerakan partikel substrat dapat terjadi pada tiga dimensi benda yaitu:

Benda padat
Benda cair dan
Benda gas (udara)

Aliran kalor substrat pada dimensi padat, cair dan gas dapat terjadi secara

Konduksi, yaitu pengaliran panas melalui benda padat (penghantar) secara kontak langsung
Konveksi, yaitu pengaliran panas melalui media cair secara kontak langsung
Radiasi, yaitu pengaliran panas melalui media udara/gas secara kontak tidak langsung

Pada aplikasi pendeteksian atau pengukuran tertentu, dapat dipilih salah satu tipe sensor dengan pertimbangan :

Penampilan (Performance)
Kehandalan (Reliable) dan
Faktor ekonomis ( Economic)

1. Pemilihan Jenis Sensor Suhu

Hal-hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan pemilihan jenis sensor suhu (Yayan I.B, 1998) adalah Level suhu maksimum dan minimum dari suatu substrat yang diukur dengan :

Jangkauan (range) maksimum pengukuran
Konduktivitas kalor dari substrat
Respon waktu perubahan suhu dari substrat
Linieritas sensor
Jangkauan temperatur kerja

Selain dari ketentuan diatas, perlu juga diperhatikan aspek phisik dan kimia dari sensor seperti ketahanan terhadap korosi (karat), ketahanan terhadap guncangan, pengkabelan (instalasi), keamanan dan lain-lain.

2. Cara Kerja Sensor Suhu

Setiap sensor suhu memiliki temperatur kerja yang berbeda, untuk pengukuran suhu disekitar kamar yaitu antara -35^oC sampai 150^oC, dapat dipilih sensor NTC, PTC, transistor, dioda dan IC hibrid. Untuk suhu menengah yaitu antara 150^oC sampai 700^oC, dapat dipilih thermocouple dan RTD. Untuk suhu yang lebih tinggi sampai 1500^oC, tidak memungkinkan lagi dipergunakan sensor-sensor kontak langsung, maka teknis pengukurannya dilakukan menggunakan cara radiasi. Untuk pengukuran suhu pada daerah sangat dingin dibawah 65^oK = -208^oC ( 0^oC = 273,16^oK ) dapat digunakan resistor karbon biasa karena pada suhu ini karbon berlaku seperti semikonduktor. Untuk suhu antara 65^oK sampai -35^oC dapat digunakan kristal silikon dengan kemurnian tinggi sebagai sensor.

Tabel Karakteristik Sensor Suhu

Thermocouple

RTD

Thermistor

IC Sensor

V, I

keuntugan

- Tenaga sendiri

- Sederhana

- Lebih datar

- Murah

- Variasinya luas

- Cakupan temperaturnya luas

- Paling stabil

- Paling akuerat

- Lebih linier dari pada termokopel

- Out putnya besar

- cepat

- pengukutab ohm two-wire

- paling linier

- out putnya lebih

besar

- murah

kerugian

- tidak linier

- tegangan kecil

- memerlukan

acuan

- kurang stabil

- kuarang peka

- mahal

- memerlukan power supply

- ΔR kecil

- Tahanan rend ah

- Panas sendiri

- non linear

- cakupan temperaturnya terbatas

- mudah pecah

- membutuhkan power supply

- panas sendiri

- T < 200^oC

- membutuhkan power supply

- lambat

- panas sendiri

- konfigurasinya terbatas

Tabel 2.1 Merupakan Karakteristik sensor temperature (Schuller, Mc.Name, 1986).

Salah satu Contoh Aplikasi Dari Sensor Temperatur yaitu Bimetal. Bimetal adalah sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat strika listrik dan lampu kelap-kelip (dimmer). Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu.

Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah memuai lebih pendek. Oleh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya bimetal dapat dibentuk menjadi saklar Normally Closed (NC) atau Normally Open (NO).

Gambar 1. Kontruksi Bimetal ( Yayan I.B, 1998)

3. Transduser

Transduser adalah peralatan yang dapat mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sensor merupakan alat perabanya sedangkan Transduser merupakan Sensor plus sirkuit yang digunakannya. Namun ada sebagian Sensor yang juga menghasilkan Signal dan berperilaku sebagai Transduser. Semua Transduser mengandung Sensor, dan tidak semua Sensor berfungsi sebagai Transduser.

Transduser dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu:

Input Tranducers. Electric-Input Tranducers mengubah energi non-listrik seperti suara, cahaya menjadi energi listrik.
Output Tranducers. Electric-Output Tranducers merupakan kebalikan dari Electric-Input Tranducers.

Terdapat tipe-tipe tranducers yang dipergunakan untuk mengkonversi energi mekanik, magnetik, panas, optik, ataupun kimia menjadi arus dan tegangan listrik.

Pengertian lain, Transducer adalah alat untuk mentransfer Signal dari satu sistem ke sistem lainnya baik dalam bentuk Signal yang sama atau bentuk Signal lainnya. Penggambaran proses transducer dapat dilihat dalam proses sensing yang ditunjukkan pada Gambar .

Gambar 2. Sensing Process

Tipe dari transducer dapat dijelaskan sebagai berikut :

a. Passive/Self-Generating Transducer

Transducer yang menghasilkan sendiri signal listrik yang langsung bisa amplifikasi dan diproses lebih lanjut. (Contoh: Termokopel)

b. Active/Modulating Transducer

Transducer yang memerlukan sumber energi agar dapat merespon signal yang diterimanya. (Contoh: Photoconducive Cell)

c. Modifier Transducers

Transducer yang menghasilkan bentuk sinyal yang sama dengan yang diterimanya (Contoh: Pressure Gauge)

Tiga tipe transducer ditunjukkan pada Gambar 2.4 dibawah ini.

Gambar 3. Tiga Tipe Transduser

Parameter transduser Pada bagian obyek dari sebuah transduser dapat dirumuskan sebagai berikut:

Responsibilitas :

Detektivitas:

Contoh satuan: m-1, Ω-1, V-1

1. Least Detectable Signal (LDS)

LDS adalah input signal yang menghasilkan signal-to-noise ratio=1, dengan demikian, detektivitas menjadi d = 1/(LDS).

2. Respone Time: waktu yang diperlukan sebuah transduser untuk mencapai 63 persen dari nilai akhir (linear), atau mencapai puncaknya (non-linear).

Jalannya suatu transduser dapat dilihat dari pengukuran yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 berikut ini :

Gambar 4. Sistem Pengukuran transduser

4. Termokopel Sebagai Aplikasi Sensor Suhu

Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan panas dalam benda yang diukur temperaturnya menjadi perubahan potesial/tegangan listrik (voltase). Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1 °C.

a. Prinsip Operasi Termokopel

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. 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.

b. Tipe-Tipe Termokopel

Tersedia beberapa jenis termokopel, tergantung aplikasi penggunaannya antara lain :

· Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)) Termokopel untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu −200 °C hingga +1200 °C.

· 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.

· Tipe J (Iron / Constantan) Rentangnya terbatas (−40 hingga +750 °C) membuatnya kurang populer dibanding tipe K Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 µV/°C

· 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).

· Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh) Cocok mengukur suhu di atas 1800 °C. Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0°C hingga 42°C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50°C.

· 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.

· 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).

· 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 alternatif sejak penelitian kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 µV/°C

c. Penggunaan Termokopel

Termokopel paling cocok digunakan untuk mengukur rentangan suhu yang luas, hingga 1800 K. Sebaliknya, kurang cocok untuk pengukuran dimana perbedaan suhu yang kecil harus diukur dengan akurasi tingkat tinggi, contohnya rentang suhu 0 --100 °C dengan keakuratan 0.1 °C. Untuk aplikasi ini, Termistor dan RTD lebih cocok. Contoh Penggunaan Termokopel yang umum antara lain :

· Industri besi dan baja

· Pengaman pada alat-alat pemanas

· Untuk termopile sensor radiasi

· Pembangkit listrik tenaga panas radioisotop, salah satu aplikasi termopile.

C. Lembar Kegiatan Mahasiswa I

DETEKSI OUTPUT TERMOKOPEL

1. Peralatan Yang Diperlukan

OP-Amp. Unit OU- 6801 :1 buah

b. Sensor Unit 6803 :1 buah

c. Sensor Temperatur 6800-1 :1 buah

d. Multimeter Digital :1 buah

e. Termometer Digital :1 buah

f. Solder :1 buah

2. Langkah Percobaan

a. Siapkan OP-Amp Unit dan Saklar power dalam keadaan off

b. Lihatlah Gambar 5, buat hubungan antara sensor unit dan OP amp.

(b) OP-Amp

(a) Amp. sensor

Gambar 5. Rangkaian Op-Amp Unit 6081

c. Nyalakan power OP-Amp, sambungkan multimeter digital ke output terminal OP-Amp. Aturlah multimeter pada range 200mV .

d. Periksa dan baca Output tegangan pada Termometer Digital dan Op-Amp.

e. Pada Gambar 5 ditunjukkan cara memanaskan termokopel dengan menggunakan solder. Gambarkan grafik yang menunjukkan hubungan antara temokopel dengan temperatur dan Output Op-Amp.

f. Aturlah gain pada 100 untuk cascade amplifier. Hitungalah tegangan keluaran termokopel pada uhu kamar yang nilainya menggunakan cara yang ditunjukkan pada Gambar 5. apa yang dibutuhkan gain jika diinginkan Output pada Op-Amp sebesar 1 volt? Untuk melakukan penyesuaian, jumperkan anatara poin 6 dan 7 pada OP-Amp dan lakukan penyesuaian variabel resistor pada 500 kΩ.

g. Aturlah Op-Amp pada gain 50 dan hubungkan Output OP-Amp pada komparator seperti pada Gambar 6 di bawah

Gambar 7. Kurva Output Termokopel

h. Berilah panas pada termokopel LED hijau pada Output komparator yang menyala.

i. Ulangi langkah 7 dan 8 pada temperatur yang berbeda.

D. Tes Formatif 1

soal 1

Isilah kolom yang kosong dengan mengkonfersi suu yang ada disebelah kiri

	⁰F	⁰C	⁰R
27⁰C		-
200⁰F	-
25⁰R			-

Soal 2

Suhu sebuah tungku pemanas mengalami kenaikan dari 70⁰F menjadi 1420⁰F. Nyatakan kenaikan suhu itu dalam skala Celcius, skala Kelvin dan skala Rankein.

Penyelesaian :

Soal 3

Jelaskan apa yang Anda ketahui tentang sensor Temperatur dan transduser

Penyelesaian :

Soal 4

Jelaskan cara kerja termokopel dan penggunaannya

Soal 4

Sebutkan dan jelaskan tipe-tipe termokopel (minimal 3)

Kegiatan Belajar II : APLIKASI SENSOR SUHU TERMISTOR

A. Kompetensi dan Indikator

Setelah mempelajari Topik ini mahasiswa memiliki kompetensi yaitu memahami konsep termoistor sebagai aplikasi sensor temperatur yang meliputi :

Menjelaskan cara kerja termistor sebagai sensor suhu
Menjelaskan cara kerja NTC (Negative Themperature Coefficient)
Menjelaskan cara kerja PTC (Possitivethemperature Coefficient)
Melakukan percobaan sensor suhu dengan termistor

B. Uraian Materi

Termistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berupa tahanan (resistor) yang digunakan untuk mengukur perubahan temperatur,. Umumnya tahanan termistor pada temperatur ruang dapat berkurang 6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1^oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi.

Termistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan seperti: mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U). Rangkuman tahanannya adalah dari 0,5 W sampai 75 W dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran. Ukuran paling kecil berbentuk mani-manik (beads) dengan diameter 0,15 mm sampai 1,25 mm, bentuk piringan (disk) atau cincin (washer) dengan ukuran 2,5 mm sampai 25 mm. Cincin-cincin dapat ditumpukan dan di tempatkan secara seri atau paralel guna memperbesar disipasi daya.

Gambar 8. (a) Simbol Termistor, (b) Termistor

Δ R = k Δ T

Dalam operasinya termistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap temperatur, hubungan antara temperatur dan resistansi tersebut adalah:

Dimana

Δ R =

perubahan resistansi

Δ T

= change in temperature

K

= first-order temperature coefficient of resistance

1. Persamaan Steinhart-Hart

Persamaan Steinhart-Hart adalah suatu model gubungan resistansi suatu semikonduktor pada temperatur yang berbeda. Yaitu :

Dimana : T = Temperatur (kelvin)

R = Resistor (Ohm)

A

B

C

, and

D

adalah prameter Steinhart-Hart diamana koefisiennya bermacam-macam terganting pada model dan tipe termistor and cakupan temperatur yang diinginkan. D adalah koefisien yang sering dilupakan, kareba koefisiennya lebig kecil daripada yang lain.

Semikonduktor

yang resistansi bahannya berubah sangat besar akibat perubahan suhu antara lain: PTC (Positif Temperature Coefficient), NTC (Negative Temperature Coefficient), CTR (Critical Temperature Resistor)

2. PTC ( Positive Themperature Coefficient )

R (T) = R (T₀) (1 + α ΔT)

Koefisien temperatur tergantung dari perubahan sifat fisis ketika temperaturnya bertambah 1 K. Pada formula dibawah ini, R merupakan benda yang akan diukur, dan T adalah suhu yang akan diukur. Dinyatakan dengan:

Dimana : T₀ = suhu awal

ΔT = perbedaan suhu

Α = koefisien suhu

Komposisi Utama PTC yaitu barium titanate (BaTiO₃₊), Aplikasinya pada perubahan suhu yang sempit dan Maximum suhu operasi ≈140⁰C. PTC Cukup baik sebagai sensor suhu, karena perubahan resistansinya terhadap perubahan suhu hampir linear

3. NTC (Negative Themperature Coefficient)

Negative Themperatur Coefficient (NTC) adalah sebuah resistor yang resistansinya dipengaruhi oleh suhu. Makin tinggi suhu, resistansinya makin bertambah kecil. Hubungan antara suhu dan resistansi tergantung pada komponen bersangkutan.

Untuk itu setiap NTC yang digunakan sebagai alat ukur harus dikalibrasi terlebih dahulu(Cooper,1985). Komponen utamanya campuran oksida logam transisi (Mn, Co, Fe, aNi).

Persamaan resistansi pada NTC dinyatakan sebagai berikut:

Dimmana T = suhu mutlak (K)

T₀ = suhu awal (K)

R₀ = resistansi pada T₀

B = ketetapan termistor

Dari persamaam diatas, koefisien resistansi-temperatur (α) didefinisikan sebagai berikut :

NTC Ukurannya kecil dan responnya cepat, Aplikasinya pada suhu di bawah 400⁰C dan Bahan yang ada dipasaran sangat sensitif terhadap perubahan suhu (10^{-4 0}C – 10^{-3 0}C).

Resistansi suatu termistor berubah terhadap temperatur. Untuk jenis termistor negative themperatur coeficient (NTC), resistansi termistor menjadi lebih rendah sebanding dengan peningkatan temperatur. Resistansi termistor ED-6880B adalah 2kΩ pada temperatur ruang. Oleh karena itu, ketika resitansi berubah pada 1.9kΩ, maka temperatur juga berubah, tingkat perubahannya adalah 5%. Perubahan seperti itu dapat dideteksi dengan menggunakan rangkaian jembatan yang ditunjukkan pada Gambar 9. di bawah.

Gambar 9. Rangkaian Jembatan

Jika resistansi sensor adalah R_x dan jembatan R_s, pada awalnya jembatan dapat menyimpangkan dengan menyesuaikan R_s untuk memeperoleh Output nol.

C. Lembar Kerja Siswa 2

DETEKSI OUT-PUT THERMISTOR

1. Peralatan yang diperlukan

a. Op-Amp unit OU-6801 : 1 buah

b. sensor unit SU-6803 : 1 buah

c. sensor temperatur termistor 6800-2 : 1 buah

d. Multimeter Analog (sensivitas

sampai denagan 20kΩ/V) : 1 buah

e. Thermistor Alkohol (diameter 5-7 Φ) : 1 buah

2. Langkah Percobaan

Siapkan Op-Amp dengan saklar power dalam keadaan off

b. Lihat Gambar 10. pasangkan kawat anatar OU-6801, SU – 6803 dan multimeter.

c. Ukurlah resistansi sensor termistor pada suhu ruang dengan menggunakan multimeter. Ukur juga suhu nyata lingkungan

d. Hubungkan sensor termistor ke terminal in-put sensor pada uniot sensor. Aturlah range multimeter pada 100μA yang dimasukkan antara out-put jembatan dan ground.

e. Nyalakan unit power Op-Amp dengan menyesuaikan kontrol BALANCE, atur keseimbangan jembatan sehingga indikasi arus menjadi nol.

Peganglah ujung sensor dengan kedua jari setiap 30 detik, amati dan bacalah perubahan arusnya. Jika jarum meter arah gerakannya terbalik, tekan koneksi meter, Lihat gambar 12.

Gambar 11. OU-6801, SU – 6803 dan multimeter.

g. Hubungkan antara Output jembatan dan input amplifier ditandai oleh garis putus-putus #1 unit sensor. Voltmeter (pada range 3V) juga dihubungkan di Output amplifier.

h. Ujung sensor yang telah dipanaskan oleh jari harus didnginkan dengan suhu ruangan yang berkenaan dengan lingkungan. pada saat itu multimeter haru dalam kondisi nol. Jika tidak aturlah kembali jembatan. Sentuh ujung sensor dengan dua jari lagi, dan amati indikasi yang sekarang. Bandingkan pembacaan dengan indikasi yang ada dalam langkah 6. dan harus dicatat bahwa langkah 7 yang menggunakn suatu amplifier, memberikan resolusi yang lebih baik.

Letakkan Termistor dan suatu termometer alkohol pada atas plat panas unit sensor sesperti ditunjukkan gambar 13 (a). Nyalakan alat pemanas itu. Lihatlah pada gambar 13 (b). Catatlah arus dan temperatur dalam setiap 30 detik lebih dari 3 menit dalam periode.

Gambar 11. (a) Alat pemanas, (b) Kurva temperatur

j. Matikan alat pemanas. Catat arus dan temperatur yang dibaca setiap menit sampai sekitar beberapa puluh menit. Gambar dua kurva seperti ditunjukkan pada Gambar 11(b).

k. Hubungkan antara titik yang ditandai dengan garis putus-putus 1, 2, 3, dan 4. aturlah switch cooler ke AUTO. Seimbangkan jembatan pada suhu ruang bertemperatur. Dengan termometer dan sensor yang sementara seperti yang ditetapkan pada gambar11(a). Lakukan penyesuaian input referensi Op-Amp komparator pada -5V.

l. Nyalakan pemanasnya. Temukan temperatur dimana “+” LED menyala.

· Catatan, bahwa ketika “+” LED menyala, pemberian isyarat baha temperatur terlalu tinggi, kipas akan menyala secara otomatis. Hal ini disebabkan sistem diatur untuk menunjukkan konsep dari suatu kendali otomatis.

m. Kurangi tegangan itu secara berangsur-angsur, dan carilah temperatur dimana kipas mulai beroperasi/berputar.

n. Matikan pemanas itu dan naikkan tegangan tersebut secara perlahan-lahan. Catat Output komparator itu dengan temperatur.

D. Tes Formatif 2

Soal 1.

Apakah fungsi rangkaian jembatan pada percobaan resistansi termistor ED- 6880B?

Soal 2.

Sebutkan dan jelaskan macam – macam termistos (minimal 2)

Soal 3

Apa perbedaan antara karakteristik Output Termokopel dan Output Termistor? Jelaskan Dengan gambar kurvanya!

Setelah menyelesaikan modul ini, mahasiswa berhak untuk mengikuti tes evaluasi untuk menguji kompetensi yang telah mahasiswa pelajari. Jika mahasiswa dinyatakan memenuhi syarat kelulusan dari hasil evaluasi modul ini, maka mahasiswa berhak untuk melanjutkan ke topik atau modul berikutnya.

Mintalah pada instruktur untuk melakukan uji kompetensi dengan sistem penilaian yang dilakukan secara langsung oleh instruktur yang berkompeten jika mahasiswa telah menyelesaikan suatu kompetensi tertentu.

Beiser, Arthur.1990. Konsep Fisika Modern. Alih bahasa The houw Liong. Jakarta: Erlangga

Hasanah, Retno.2001.Fisika Dsar I(Seri Thermofisika,.Surabaya : UNESA University Press

Nainggolan, Werlin.S. 1978.Thermodinamika,Teori Soal-soal Penyelesain. Bandung : Medio

Van Patten, Anton F.P. 1998. Electronic Measurement System. Prentice Hall.

____ Website : Termokope. lhttp://id.wikipedia.org/wiki/Termokopel.

____ Website : Termokope. lhttp://Id.Wikipedia.Org/Wiki/Termistorl.