Sensor Suhu Thermocouple

          Oke sobat blogger, untuk kali ini kita lanjutkan dengan membahas tentang sensor suhu termokopel. Untuk mengetahui dan lebih memahami tentang sensor suhu termokopel berikut ini urainnya. Sensor suhu termokopel adalah sensor yang mampu mengukur suhu sangat tinggi sehingga sensor suhu thermocouple ini sering digunakan untuk industri pengolahan minyak atau baja. Sensor suhu termokopel memiliki nilai output yang kecil pada kondisi level noise yang tinggi, sehingga memerlukan pengkondisi sinyal agar nilai output tersebut dapat dibaca.

         Rangkaian dasar penyambungan thermokopel yang dilengkapi dengan alat ukur voltmeter dapat dilihat pada gambar 1 dan gambar 2 berikut ini.

Gambar 1. Rangkaian dasar termokopel

Gambar 2. Diagram rangkaian termokopel

Unsur-unsur lain yang dapat ditembahkan dalam siklus pemanasan rangkaian tertutup tersebut antara lain adalah pengontrol suhu, elemen pemanas dan pengalih (switch) daya listrik.

          Termokopel diklasifikasikan dengan huruf dan kode warna. Jenis yang paling umum adalah jenis J (hitam), K (kuning) dan T (biru). Warna kawat menunjukkan apa jenis termokopel tersebut. (Contoh: isolasi kawat warna putih dan merah adalah yang digunakan untuk termokopel jenis J, sedangkan warna jack dan colokan untuk termokopel jenis J adaah hitam). Untuk lebih jelaskan berikut ini adalah tabel kode warna termokopel.

Tabel 1. Kode warna termokopel

Hal-hal penting yang perlu diperhatikan :

1. Termokopel mengukur suhu mereka sendiri.

2. Termokopel dapat berbuat salah dalam membaca suhu mereka sendiri, terutama setelah digunakan untuk bebrapa waktu, atau jika insulasi antara kabel kehilangan ketahanannya karena kelembaban atau kondisi termal

3. Hati-hati bahaya listrik dalam menggunakan termokopel, mereka adalah konduktor listrik, sedang RTD adalah kurang sensitif terhadap noice listrik.

4. Termokopel tidak dapat menguku suhu di titik persimpangan, mereka tidak bisa dan secara fisik tidak mungkin untuk memiliki gradien suhu pada titik persimpangan tersebut.

5. Jarak antara termokopel dan elemen pemanas akan menghasilkan panas tinggal (lagging termal) yang dapat dikompensasi oleh pengontrol suhu.

A.  Sejarah Thermocouple

        Berasal dari kata “Thermo” yang berarti energi panas dan “Couple”yang berarti pertemuan dari dua buah benda. Thermocouple adalah transduser aktif suhu yang tersusun dari dua buah logam berbeda dengan titik pembacaan pada pertemuan kedua logam dan titik yang lain sebagai outputnya. Thermocouple merupakan salah satu sensor yang paling umum digunakan untuk mengukur suhu karena relatif murah namun akurat yang dapat beroperasi pada suhu panas maupun dingin.

B.  Konstruksi Sensor Suhu Thermocouple

      Simbol dari thermocouple pada rangkaian listrik atau elektronika digambarkan seperti pada gambar 3 berikut ini, sedangkan konstruksinya digambar seperti pada gambar 4 berikut ini.

Gambar 3. Simbol termokopel

Gambar 4. Kostruksi termokopel

Macam-macam bentuk fisik dan model termokopel banyak sekali ragamnya yang telah tersedia di pasaran, kita harus memilih sesuai dengan peruntukannya. Berikut ini ditunjukkan beberapa macam bentuk dan model termokopel yang beredar di pasaran seperti terlihat pada gambar 5 berikut ini.

a. Termokopel model bayonet

b. Termokopel model siku (sudut 90 derajat)

c. Termokopel model probe

d. Termokopel tipe J dan T dengan steker

e. Termokopel tipe T dengan pengatur kompresi

f. Termokopel pt100 dari emas

g. Termokopel pt100 dari platinum

Gambar 5. Macam-macam bentuk dan model termokopel

          Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Belakangan diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck. Output sensor suhu thermocouple berupa tegangan dalam satuan mili Volt. Berikut ini beberapa perilaku jenis thermocouple dan karakteristiknya.

Gambar 6. Karakteristik beberapa jenis thermocouple

          Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Sir William Thomson, menemukan arah arus mengalir dari titik panas ke titik dingin dan sebaliknya, yang kemudian disebut dengan thermocouple model kompresi (Compression Style). Efek Seebeck, Peltier, dan Thomson inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi thermoelektrik.

Gambar 7. Thermokopel tipe J model kompresi (compression style)

          Thermokopel model kompresi ini termasuk jenis yang paling tua, yang konstruksinya terdiri dari satu tabung gelas yang mempunyai pipa kapiler kecil berisi vacuum dan cairan ini biasa berupa air raksa. Perubahan panas menyebabkan perubahan ekspansi dari cairan atau dikenal dengan temperature to volumatic change kemudian volumetric change to level secara simultan. Perubahan level ini menyatakan perubahan panas atau temperatur, ketelitian jenis ini tergantung dari rancangan atau ketelitian tabung, juga penyekalannya. Cara lain dari jenis ini adalah mengunakan gas tabung yang diisi gas yang dihubungkan dengan pipa kapiler yang dilindungi oleh spiral menuju ke spiral bourdon yang dipakai untuk menggerakkan pivot, selanjutnya menggerakkan pointer. Data spesifikasi dari tipe thermokopel.

Tabel 2. Tipe dan spesifikasi termokopel

Tipe Thermokopel	Range Overall	Resolusi 0,1°C	Resolusi 0,025°C
B	20 s/d 1820	150 s/d 1820	600 s/d 1820
E	-270 s/d 910	-270 s/d 910	-260 s/d 910
J	-210 s/d 1200	-210 s/d 1200	-210 s/d 1200
K	-270 s/d 1370	-270 s/d 1370	-250 s/d 1370
N	-270 s/d 1300	-260 s/d 1300	-230 s/d 1300
R	-50 s/d 1760	-50 s/d 1760	20 s/d 1760
S	-50 s/d 1760	-50 s/d 1760	20 s/d 1760
T	-270 s/d 400	-270 s/d 400	-250 s/d 400

C.      Aplikasi Thermocouple

          Keuntungan dari termokopel seperti pembangkitan daya listrik sendiri, sederhana, murah dan berguna untuk range temperatur yang luas sering kali mengatasi kelemahan seperti non-linear, paling sensitif dan paling stabil.

        Termokopel suhu tinggi didefinisikan sebagai sensor yang digunakan pada suhu 2000°F dan seterusnya. Sensor ini umumnya terbuat dari logam mulia atau refratory keramik (Molybdenum, Tantalum, Alumina, Circonia atau Quartz). Termokopel jenis ini dapat mengukur suhu sampai 5000°F dan digunakan dalam tungku temperture tinggi, mesin roket dan amunitions. Termokopel terbuat dari bahan mulia yang cukup mahal dan mungkin masuk akal digunakan bukan untuk metode pengukuran suhu non-kontak seperti sensor inframerah. (atau biasa disebut Pyrometer, Spectralmeter)

          Termokopel harus dipilih untuk memenuhi kondisi aplikasi. Pertimbangan pemilihan tersebut adalah :

1.  Suhu (pilih jenis J, K, M, T atau lainnya)

2.  Waktu respon/Response time (diameter yang lebih besar mengurangi waktu respon)

3.  Jangka waktu pemakaian (diameter yang lebih besar meningkatkan jangka waktu/usia pemakaian)

Gambar 8.

Grafik waktu respon termokopel berselubung berdasarkan berbagai ukuran diameter kawat

          Seperti yang telah diuraikan di atas bahwa ada banyak model yang berbeda dari termokopel yang tersedia untuk industri yang berbeda seperti industri plastik, industri farmasi, dan industri makanan. Sebagai contoh: industri plastik lebih disukai harga termokopel yang hemat tanpa Magnesium Oksida (MgO). Juga harus disesuaikan dengan musim, model bayonet dengan topi cocok digunakan pada saat musim hujan atau musim semi karena lebih cepat dalam  pemasangannya (instal). Sedangkan untuk industri jenis lainnya dapat melakukan perakitan termokopel yang terdiri dari thermo-elemen swaged dalam kemasan keras Magnesium Oksida (MgO) yang terbungkus dalam selubung logam annealed sehingga mereka dapat dibentuk dan ditekuk ke radius dua kali ukuran selubung luarnya.