TERMOKOPEL

Pada tahun 1821, Ilmuwan Jerman bernama Thomas Johann Seebeck TERMOKOPEL Pendahuluan Pada tahun 1821, Ilmuwan Jerman bernama Thomas Johann Seebeck melakukan percobaan sebagai berikut: Rangkaian Tertutup kawat A dan B A A E B

Seebeck mendeteksi adanya tegangan pada rangkaian tertutup pada kawat tembaga (A) dan Bismuth (B) apabila salah satu sambungan kawat dipanaskan. Apabila sambungan tersebut didinginkan, terdeteksi adanya perubahan polaritas tegangan. Rangkaian ini kemudian di kenal dengan nama termokopel, yang merupakan kependekan thermo-electric couple.

Termokopel merupakan salah satu sensor besaran suhu yang terdiri dari sepasang kawat yang terbuat dari bahan yang berbeda. Kedua kawat tersebut disambung pada salah satu ujungnya sementara ujung yang lain disambungkan ke alat ukur tegangan melalui kawat tembaga Ti A Cu B Cu Voltmeter Measuring Junction Reference Junction

Perbandingan antara termometer tahanan dgn termokopel Parameter Termometer Tahanan Termokopel Akurasi/Ketidakpastian Lebih Akurat Kurang Akurat Rentang Ukur Lebih Sempit Lebih Luas Stabilitas Bagus Sedang Harga Lebih Mahal Lebih Murah Sensor Stem Ujung/sambungan Respon Lebih Lambat Lebih Cepat Ukuran Lebih Besar Sangat Kecil Titik Acuan Tidak diperlukan Diperlukan Efek Getaran Kurang Tahan Lebih Tahan Efek Self Heating Ada Tidak Ada Kawat Sambungan Kawat Tembaga Kawat termokopel sampai dengan sambungan acuan Kekuatan Lebih Lemah Lebih Kuat Luaran Tahanan Tegangan Pt-100 : 0,4 ζ/°C Base Metal : 40 μV/°C Pt-25 : 0,1 ζ/°C Noble Metal : 10 μV/°C

Gejala Seebeck Konduksi panas Apabila seutas kawat dipanaskan pada satu ujungnya, panas akan mengalir dari ujung yang dipanaskan menuju yang lebih dingin. Aliran panas ini terjadi dengan dua Proses. Tumbukan antar elektron Aliran panas melalui awan elektron

Medan listrik yang terjadi karena adanya gradien suhu disebut gejala Seebeck. T1 T2 Sumber Panas Proses terjadinya gejala Seebeck Awan elektron bergerak ke sambungan dingin Menyebabkan polarisasi dan timbulnya medan listrik

Tegangan Seebeck sebuah kawat Logam Medan listrik, E, yang terjadi berbanding lurus dengan gradien suhu kawat, ∂T/∂x, sehingga, E = S(x, T)∂T/∂x Dimana S(x,T) adalah koefisien Seebeck Diketahui beda potensial antara kedua ujung logam E= ∂V/∂x, shg ∂V = S(x,T)∂T

Perhitungan tegangan Seebeck termokopel Untuk logam homogen, S merupakan fungsi dari T saja; S = S(T). Sehingga, tegangan Seebeck adalah ε= ∫Sa(T)dT Tegangan Seebeck termokopel Untuk sebuah termokopel, tegangan Seebeck dapat dihitung sebagai berikut : t2 t1 t3 VAB Cu εA Perhitungan tegangan Seebeck termokopel

V = εA – εB = ∫[SA – SB] dT V = a1(t2-t1) + a2(t2²-t1²)+….an(t2²-t1²) Bila t1=0, V=a1t2 - a2t2² +ant2 Nilai tegangan listrik yang dihasilkan termokopel tidak bergantung pada panjang kawat atau diameternya, tetapi bergantung pada bahan dan beda suhu antar sambungan ukur (t1) dan sambungan acuan (t2)

Tipe-tipe Termokopel yang popular* *ASTM E-230-96: Kaki positif suatu termokopel diberi notasi P dan kaki negatifnya diber notasi N. Contohnya kaki positigf termokopel tipe KP dan kaki negatifnya KN dst Tipe Jenis Bahan Kaki Positif Kaki Negatif B Paduan Platina-30% Rhodium Platina E Paduan Nickel-Chromium (Chromel) Paduan Tembaga-Nickel J Besi K Paduan Nikel-Aluminium N Nicrosil Nisil R Paduan Platina-13% Rhodium S Paduan Platina-10% T Tembaga Paduan Tembaga- Nikel

Batas Maksimum Suhu (°C)* *ASTM E-230-96: Suhu diatas dicapai dgn memasang insulasi keramik yg tertutup pada satu ujung. Suhu yg lebih tinggi dapat dicapai dgn kompensasi umur dan kestabilan termokopel Tipe Diameter Kawat 3.25 1.53 0.81 0.51 0.33 B - 1705 E 871 649 538 427 J 760 593 482 371 K 1260 1093 982 R 1482 S T 260 204

Kode Warna termokopel dgn isolasi duplex* *ASTM E-230-96 Warna Bungkus Tipe Kaki positif Kaki negatif Keseluruhan E Ungu Merah Coklat J Putih K Kuning T Biru R (Hitam) (Merah) (Coklat) S

THERMOELECTRIC VOLTAGE IN MILLIVOLTS Cuplikan tabel ASTM E-230-96 untuk termokopel tipe S EMF IN Millivolts Reference junctions at 0 ˚C °C 1 2 --- 4 5 8 9 10 0.000 0.005 0.011 0.044 0.050 0.055 0.061 0.067 0.101 0.107 0.113 20 0.119 0.125 0.161 0.167 0.173 ….. ---- …. 100 0.646 0.653 0.661 0.705 0.713 0.720 110 0.727 0.735 0.780 0.788 0.795 120 0.826 0.834 ----- THERMOELECTRIC VOLTAGE IN MILLIVOLTS

Penentuan koefisien Seebeck dari tabel acuan Dapat dilihat pada tabel 5, untuk termokopel tipe S pada suhu 100˚C, Apabila suhu naik 1˚C, tegangan naik sebesar 7 μV. Pada suhu 0˚C, koefisien Seebeck termokopel sebesar 5 μV/˚C.

Contoh penggunaan tabel acuan Sebuah termokopel tipe S dipakai untuk mengukur sebuah oven. Suhu sambungan acuan adalah 0˚C dan tegangan outputnya diukur dengan digital voltmeter (DVM) yg impedansi inputnya sangat tinggi. Bila penunjukkan DVM = 0.715 mV, berapakah suhu minyak silikon tersebut?

Dari tabel termokopel tipe S (tabel 5) dapat dilihat Solusi Dari tabel termokopel tipe S (tabel 5) dapat dilihat bahwa nilai tegangan yang paling mendekati adalah: Va = 0.713 mV ta = 109˚C Vb = 0.720 mV tb = 110˚C Vx = 0.715 mV antara ta & tb Contoh Pengukuran dgn sambungan acuan 0˚C Cu DVM Vx Vb t1 =0° Cu Vx Va tx ta tx tb

Harga tx yang sebenarnya dapat dicari dengan cara interpolasi dgn asumsi bahwa untuk interval suhu 1˚C hubungan antara V dan t adalah linear. Dari grafik gambar 5 dpt dituliskan persamaan Sbg: tx - ta = Vx - Va tx - tx Vb - Va Jadi, tx = ta +(tb - ta)x Vx - Va Vb - Va = 109 +(1)x 0.715 - 0.713 0.720 - 0.713 = 109,29˚C

Penggunaan tabel acuan apabila ≠0˚C Persamannya: Perhitungan menjadi salah apabila tegangan terukur di konversi menggunakan tabel acuan kemudian baru ditambahkan suhu acuan (tref) pada hasil konversi tersebut.

Misalnya apabila pd contoh sebelumnya (gambar 5), sambungan Acuan adalah 20˚C. V(ref,0)=tegangan dari suhu 20˚C ke suhu 0˚C, dari tabel 5 di dapatkan 0,113 mV V(T,ref)=tegangan yg ditunjukkan DVM, yaitu 0,715 mV Sehingga V(T,0)=0,715+0,113 = 0,828 mV

Kalibrasi Termokopel Kalibrasi termokopel dapat dilakukan dengan 2 cara : Metode fixed point Menggunakan titik-titik tetap ITS-90 sebagai standar Keuntungan: akurasi yang tinggi Metode perbandingan relatif Memungkinkan untuk dilakukannya otomatisasi proses kalibrasi

Metode Perbandingan Termometer standar yg digunakan adalah standar tipe S dan termokopel yang dikalibrasi adalah termokopel tipe K. Media kalibrasi (furnace) yg digunakan harus diketahui keseragaman suhunya. Pengaruh ketidakseragaman Suhu media dapat dikurangi dgn meletakkan kedua termokopel sedekat mungkin

Termokopel yg dikalibrasi Dalam memilih DVM utk membaca luaran termokopel perlu diingat bahwa termokopel mempunyai sensitifitas (koefisien Seebeck) antara 5 μV~40 μV, bergantung pada tipe termokopel dan suhu yg diukur. Gambar dibawah ini memperlihatkan set up kalibrasi termokopel dgn metode perbandingan Switch DVM Termokopel yg dikalibrasi furnace Titik es

Tabel dibawah ini memperlihatkan hasil kalibrasi berikut perhitungan koreksinya. Kolom I adalah set point media kalibrasi. Nilai tersebut tidak harus tercapai secara akurat, tetapi media harus stabil pada suhu sekitar set point. Hasil Pengukuran Perhitungan Koreksi Set point (°C) Vtest (μV) Vstd Vstd corrected Tstd (°C) Vref Vref – … …. 100 4076 645 1 646 4096 20

Kolom II dan III adalah hasil pembacaan DVM utk kedua termokopel. Pembacaan biasanya dilakukan lima kali dan hitung rata-ratanya. Kolom IV adalah koreksi luaran termokopel standar yang nilainya di dapatkan dari sertifikat kalibrasi termokopel. Kolom V adalah hasil penjumlahan kolom II dan IV disebut nilai terkoreksi.

Kolom VI di dapatkan dgn melakukan konversi nilai tegangan pada kolom V ke besaran suhu disebut suhu acuan, Tstd. Kolom VII adalah hasil konversi nilai suhu pada kolom VI menggunakan tabel termokopel tipe K disebut tegangan acuan, Vref. Kolom VIII selisih antara tegangan acuan dgn tegangan termokopel.

Kalibrasi biasanya dilakukan pada 5-8 titikukur, misalnya 400°C, 600°C, 800°C,1000°C. Untuk mendapatkan koreksi pada nilai suhu yang lain, melakukan interpolasi Tstd thd koreksi Perhitungan Ketidakpastian Koreksi No. Sumber Ketidakpastian Tipe A + B*t 1 Pengukuran Berulang 2 Regresi 3 Sertifikat Standar B 4 Sertifikat DVM (std) 5 Sertifikat DVM (test) 6 Distribusi media 7 Titik es (std) 8 Titik es (test) 9 Ketidakseragaman termokopel 0,001 Keidakpastian Kombinasi (Uc) Faktor Cakupan Ketidakpastian Bentangan (U95)

TERIMA KASIH