Pengertian Termokopel

Termokopel

1.        Pendahuluan

Termokopel merupakan salah satu jenis termometer yang banyak digunakan dalam laboratorium teknik. Dimana termokopel berupa sambungan ( junction ) dua jenis logam atau logam campuran, yang salah satu sambungan logam tadi diberi perlakuan suhu yang berbeda dengan sambungan lainnya.

Sambungan logam pada termokopel terdiri dari dua sambungan, yaitu:

a.         Reference Junction ( Cold Junction ) ,merupakan sambungan acuan yang suhunya dijaga konstan dan biasanya diberi suhu yang dingin ( ≈ 0^oC ).

b.        Measuring Junction ( Hot Junction ), merupakan sambungan yang dipakai untuk mengukur suhu atau disebut juga sambungan panas.

Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan 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.

2.        Jenis-Jenis Termokopel

Agar dapat digunakan dalam pengukuran, hanya material-material khusus yang digunakan sebagai termokopel. Syarat-syarat yang diperlukan agar dapat digunakan sebagai sensor adalah:

a.         Memiliki sensifitas yang tinggi dan memiliki linearty yang baik.

b.        Memiliki span pengukuran yang lebar.

c.         Memiliki repeatability dan stabilitas yang tinggi, dan tidak berubah sifat karena waktu.

d.        Deviasi mutunya kecil.

National Institute of Standart and Technology (NIST) mempublikasikan tabel untuk berbagai macam jenis sensor termokopel yang dapat dilihat dari tabel dibawah ini :

Tabel 2.1 Jenis-Jenis Termokopel

Tipex	Material	Range Suhu ( oC )	Koofesien Seebeck (µV/ oC)	Keterangan
K	Chromel / Alumel	−200 °C hingga +1200 °C	41	Termokopel untuk tujuan umum, lebih murah
E	Chromel / Constantan	−200 °C hingga +1000 °C	68	Tipe E memiliki output yang besar (68 µV/°C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah
J	Iron / Constantan	−40 °C hingga +750 °C	53	Rentangnya terbatas (−40 hingga +750 °C) membuatnya kurang populer dibanding tipe K
N	Nicrosil / Nisil	−200 °C hingga +1300 °C	39	Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum
B	Platinum-Rhodium	0 °C hingga +1800 °C	3	Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0 °C hingga 42 °C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50 °C.
R	Platinum /Platinum with 7% Rhodium	0 °C hingga +1600 °C	6	Sensitivitas rendah              (6 µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum.
S	Platinum /Platinum with 10% Rhodium	0 °C hingga +1600 °C	6	Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064.43 °C).
T	Copper / Constantan	−200 °C hingga +400 °C	43	Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian kawat tembaga.

3.        Fungsi Termokopel

Termokopel merupakan salah satu sensor suhu yang banyak digunakan di industri, karena mempunyai beberapa kelebihan yaitu :

a.         Tahan terhadap efek getaran

b.        Waktu respon pendek

c.         Ukurannya kecil dan harganya murah

d.        Tidak memiliki efek self-heating

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 :

a.         Industri besi dan baja

b.        Pengaman pada alat-alat pemanas

c.         Untuk termopile sensor radiasi

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

4.        Efek Seebeck

Termokopel bekerja berdasarkan efek Seebeck, mengubah antara suhu sambungan acuan (reference junction) dengan suhu sambungan ukur (measuring junction) menjadi tegangan listrik. Hubungan antara harga tegangan yang terkoreksiV_(tl,0) harga tegangan sambungan acuan V_(ref,0) dan harga tegangan pada tabel standar kalibrasi V_(tl,ref) adalah :

V_(tl,0)=V_(tl,ref)+V_(ref,0)

Efek Seebeck timbul karena kerapatan muatan pembawa (electron dalam logam) suatu penghantar berbeda dengan penghantar lain dan bergantung pada temperatur. Bila dua jenis penghantar dihubungkan sehingga membentuk dua sambungan dan kedua sambungan itu dipertahankan pada temperatur yang berbeda, maka difusi pembawa muatan yang terjadi pada sambungan itu mempunyai laju yang berbeda. Pada benda itu akan terjadi gerak neto dari pembawa muatan, seolah-olah pembawa muatan digerakkan oleh medan nonelektrik. Integral medan ini, pada lintasan tertutup sepanjang termokopel, menghasilkan elektromotansi Seebeck.

Pengertian Temperatur

Temperatur adalah ukuran panas-dinginnya dari suatu benda. Panas-dinginnya suatu benda berkaitan dengan energi termis yang terkandung dalam benda tersebut. Makin besar energi termisnya, makin besar temperaturnya. Temperatur disebut juga suhu. Suhu menunjukkan derajat panas benda. Mudahnya, semakin tinggi suhu suatu benda, semakin panas benda tersebut. Secara mikroskopis, suhu menunjukkan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Setiap atom dalam suatu benda masing-masing bergerak, baik itu dalam bentuk perpindahan maupun gerakan di tempat berupa getaran. Makin tingginya energi atom-atom penyusun benda, makin tinggi suhu benda tersebut. 

Suhu juga disebut temperatur yang diukur dengan alat termometer. Empat macam termometer yang paling dikenal adalah Celsius, Reumur, Fahrenheit dan Kelvin. Perbandingan antara satu jenis termometer dengan termometer lainnya mengikuti:

C:R:(F-32) = 5:4:9 dan

K=C + 273.

Secara kualitatif, kita dapat mengetahui bahwa suhu adalah sensasi dingin atau hangatnya sebuah benda yang dirasakan ketika menyentuhnya. Secara kuantitatif, kita dapat mengetahuinya dengan menggunakan termometer. Suhu dapat diukur dengan menggunakan termometer yang berisi air raksa atau alkohol. Kata termometer ini diambil dari dua kata yaitu thermo yang artinya panas dan meter yang artinya mengukur (to measure).

(to measure).

Mengubah Skala Suhu

Cara mudah untuk mengubah dari Celsius, Fahrenheit, dan Reamur adalah dengan mengingat perbandingan C:F:R = 5:9:4. Caranya, adalah (Skala tujuan)/(Skala awal)xSuhu. 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

Kontak termal

Dua buah benda dikatakan dalam keadaan kontak termal bila energi termal dapat bertukar diantara kedua benda tanpa adanya usaha yang dilakukan.

Kesetimbangan Thermal    

Yaitu situasi yang mana dua benda yang dalam keadaan kontak thermal menukarkan energi termal dalam jumlah yang sama. Waktu yang diperlukan untuk mencapai kesetimbangan thermal tergantung sifat benda tersebut. Pada saat kesetimbangan thermal ke dua benda mempunyai temperatur yang sama.

Hukum ke-nol Thermodinamika

“Jika benda A dan B masing-masing dalam keadaan setimbang thermal dengan benda ke tiga C, maka benda A dan B dalam keadaan setimbang thermal terhadap satu sama lain”.

Benda ketiga C ini nanti yang akan kita sebut thermometer. Dua benda A dan B yang dalam  kesetimbangan thermal mempunyai tempertur yang sama.

Prinsip Kerja Termokopel, Pirometer dan Termometer Hambatan Listrik

a. Termokopel

Termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup antara -200^oC sampai 1800^oC dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1 °C.

Prinsip kerja termokopel secara sederhana berupa dua buah kabel dari jenis logam yang berbeda ujungnya, hanya ujungnya saja, disatukan (dilas). Titik penyatuan ini disebut hot junction. Prinsip kerjanya memanfaatkan karakteristik hubungan antara tegangan (volt) dengan temperatur. Setiap jenis logam, pada temperatur tertentu memiliki tegangan tertentu pula. Pada temperatur yang sama, logam A memiliki tegangan yang berbeda dengan logam B, terjadilah perbedaan tegangan (kecil sekali, miliVolt) yang dapat dideteksi.

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 ) mengalir dari titik hot-juction ke cold-junction atau sebaliknya.Setelah terdeteksi perbedaan tegangan (volt). Beda tegangan ini linear dengan perubahan arus, sehingga nilai arus ini bisa dikonversi kedalam bentuk tampilan display. Sebelum dikonversi, nilai arus di komparasi dengan nilai acuan dan nilai offset di bagian komparator, fungsinya untuk menerjemahkan setiap satuan amper ke dalam satuan volt kemudian dijadikan besaran temperatur yang ditampilkan melalui layar/monitor berupa seven segmen yang menunjukkan temperatur yang dideteksi oleh termokopel.