Sensor Suhu RTD (Resistance Themperature Detector)

          Selamat berjumpa lagi sobat blogger, masih tetap dalam pokok bahasan sensor dan transduser pada pertemuan kali ini kita akan membahas tentang sensor suhu RTD. Untuk itu langsung saja sobat simak uraian berikut ini. RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan isolator keramik. Bahan kawat untuk pembuatan RTD tersebut antara lain platina, emas, perak, nikel dan tembaga, yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan untuk mendeteksi suhu sampai 1500 °C. Sedangkan tembaga hanya dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan harganya lebih murah, tetapi tembaga mudah korosi.

a. Prinsip Kerja RTD

          Prinsip kerja sensor suhu RTD adalah berdasarkan pada prinsip pengukuran hambatan listrik suatu bahan yang dapat berubah karena pengaruh suhu. Hubungan antara resistansi RTD dan suhu sekitarnya sangat dapat diprediksi, dan sangat memungkinkan untuk pengukuran suhu yang akurat dan konsisten. Dengan memasang sensor suhu RTD dengan arus konstan dan mengukur drop tegangan yang dihasilkan pada resistor, maka resistansi RTD dapat dihitung dan besarnya suhu dapat ditentukan.

      Sensor RTD mengambil pengukuran ketika arus DC kecil dipasok ke sensor. Arus mengalir melalui impedansi resistor, dan mengalami penurunan tegangan sepanjang resistor. Besarnya arus pasokan yang berbeda dapat digunakan tergantung pada resistansi nominal RTD.. Untuk mengurangi pemanasan sendiri pada sensor RTD, disuahakan arus pasokan harus tetap rendah, umumnya sekitar 1 mA atau kurang dari itu.

b. Bahan Pembuatan RTD

          Dengan bahan yang berbeda dalam pembuatan RTD akan menghasilkan hubungan yang berbeda antara resistensi dan suhu. Bahan yang sensitif terhadap temperatur yang digunakan dalam pembangunan RTD adalah platinum, nikel, dan tembaga, platinumlah yang paling banyak digunakan. Karakteristik penting dari RTD adalah koefisien suhu resistansi atau temperature coefisien resintance (TCR), resistansi nominal pada 0 °C dan kelas toleransi. TCR menentukan hubungan antara resistensi dan suhu. Tidak ada batasan untuk TCR yang dicapai, tetapi standar industri yang paling umum adalah untuk platinum 3850 ppm / K. Hal ini berarti bahwa resistansi dari sensor akan meningkat sebesar 0,385 Ohm per 1 °C kenaikan suhu. Resistansi nominal sensor RTD adalah besarnya resistansi sensor pada saat memiliki suhu 0 °C. Meskipun hampir semua nilai resistansi dapat dicapai untuk  resistansi nominal, tetapi yang paling umum adalah platinum 100 Ohm atau disingkat PT100. Akhirnya, kelas toleransi menentukan keakuratan sensor, biasanya ditentukan pada titik nominal 0 °C. Ada standar industri yang berbeda yang telah ditetapkan untuk akurasi antara lain standar ASTM dan DIN Eropa. Menggunakan nilai-nilai TCR, resistansi nominal, dan toleransi karakteristik fungsional dari sensor RTD dapat dikendalikan.

c. Konfigurasi RTD

          Selain bahan yang berbeda, RTD juga ditawarkan dalam dua konfigurasi utama yaitu lilitan kawat dan film tipis. Konfigurasi lilitan kawat merupakan jenis RTD kumparan dalam atau RTD kumparan luar. Konstruksi RTD kumparan dalam terdiri dari kumparan resistif yang dililitkan melalui sebuah lubang pada isolator keramik, sedangkan konstruksi RTD kumparan luar melibatkan lilitan bahan resistif yang berliku-liku di sekitar silinder keramik atau kaca, yang kemudian diisolasi.

Gambar 1. Konfigurasi RTD kumparan kawat

          Sedangkan konstruksi RTD Film tipis memiliki lapisan tipis bahan resistif yang disimpan pada substrat keramik yang melalui proses deposisi, yaitu proses sebuah jalur bahan resistif yang kemudian diukir ke sensor menggunakan pemangkasan laser untuk mencapai nilai nominal sesuai karakteristik sensor. Bahan resistif tersebut kemudian dilindungi dengan lapisan tipis dari kaca dan dipasang kabel utama yang dilas ke bantalan pada sensor dan ditutup dengan  kaca.

Gambar 2. Konfigurasi RTD film tipis

          RTD film tipis memiliki keunggulan dibandingkan dengan konfigurasi kumparan kawat. Keunggulan utamnya yaitu bahwa lebih murah, lebih kasar, lebih tahan getaran, dimensi lebih kecil, waktu respon lebih baik, karakteristik hysterisis lebih baik serta ketahanan kemasannya lebih tinggi. Untuk rentang waktu yang lama dan suhu yang tinggi RTD kumparan kawat akurasinya jauh lebih baik, tetapi berkat perkembangan teknologi RTD terakhir, sekarang ada teknologi RTD film tipis yang mampu mencapai tingkat akurasi yang sama dengan RTD kumparan kawat.

     Sebuah RTD dapat dihubungkan dalam konfigurasi dua, tiga, atau empat-kawat. Konfigurasi dua kawat adalah yang paling sederhana dan juga yang paling rawan kesalahan. Dalam konfigurasi ini, RTD terhubung dengan dua lead kawat arus ke sirkuit jembatan Wheatstone dan tegangan output yang terukur, seperti terlihat pada gambar berikut ini.

Gambar 3. Konfigurasu 2 kawat

Kerugian dari rangkaian di atas adalah bahwa dua lead kawat yang menghubungkan RTD akan menambah secara langsung besarnya nilai resistansi RTD dan akan menyebabkan terjadinya kesalahan pendeteksian suhu.

          Konfigurasi tiga-kawat terdiri dari dua lead arus dan satu lead tegangan yang mengukur penurunan tegangan pada RTD. Resistansi lead tegnagan yang tinggi untuk meniadakan efek dari drop tegangan karena arus yang mengalir selama pengukuran, seperti terlihat pada gambar berikut ini.

Gambar 4. Konfigurasi 3 kawat

Konfigurasi di atas sangat ideal untuk membatalkan resistansi kawat pada rangkaian dan menghilangkan efek resistensi yang berbeda, yang mungkin merupakan masalah pada konfigurasi dua-kawat. Konfigurasi tiga-kawat biasa digunakan untuk pengukuran yang memerlukan akurasi yang baik pada  aplikasi pengontrolan suhu.

          Konfigurasi empat-kawat terdiri dari dua lead arus dan dua lead tegangan yang mengukur penurunan tegangan pada RTD. Kedua resistasi yang tinggi pada lead tegangan untuk meniadakan efek dari drop tegangan karena arus yang mengalir selama pengukuran, seperti terlihat pada gambar berikut ini.

Gambar 5. Konfigurasi 4 kawat

Konfigurasi di atas sangat ideal untuk membatalkan resistensi kawat pada rangkaian dan menghilangkan efek resistensi yang berbeda, yang mungkin merupakan masalah pada konfigurasi tiga-kawat. Konfigurasi empat-kawat biasa digunakan pada saat pengukuran yang memerlukan akurasi yang sangat tinggi dalam aplikasi pengontrolan suhu.

          Dalam kombinasi dengan menampilkan diagram pengkabelan, rangkaian yang lebih kompleks sering digunakan. Ada banyak pilihan yang berbeda untuk rangkaian yang bekerja dengan menggunakan sensor RTD. Jenis rangkaian yang paling penting dengan penkondisian sinyal pada sekarang ini adalah, untuk tujuan linearitas bahwa rangkaian harus dapat memasok eksitasi stabil untuk RTD. Setelah eksitasi stabil saat diterapkan pada RTD, jalur pengkondisian sinyal dari rangkaian akan membatalkan resistansi utama, dan keuntunganya dapat mengubah sinyal digital menggunakan ADC, yang kemudian dapat dibaca oleh controller.

Gambar 6. Konfigurasi RTD yang lebih kompleks

d. Bentuk Konstruksi RTD (PT100)

       Pada dasarnya ada tiga bentuk dasar konstruksi RTD paltinum (PT100) yaitu RTD (PT100) kumparan kawat pada keramik tubular, RTD (PT100) film tipis pada keramik, dan RTD (PT100) kumparan kawat pada kaca tubular. Platinum digunakan dalam sensor suhu RTD ini, karena sangat cocok untuk pengukuran suhu yang tepat bila diandingkan dengan logam lain dan paduan logam lainnya, karena reaksi kimianya. RTD platinum beroperasi atas dasar perubahan nilai resistamsi linear dengan adanya pengaruh suhu.

Gambar 7.Konstruksi RTD (PT100) kumparan kawat

          Konstruksi dasar RTD (PT100) film tipis adalah melalui proses deposisi uap platinum pada substrat keramik dengan penataan photolithography dan laser pemangkasan. Hal ini memungkinkan sensor ini akan dibuat dalam ukuran yang sangat kecil, kurang dari  1,5 x 1.5 mm. Heastern Industries di Melbourne – Austarlia telah memasarkan RTD (PT100) film tipisnya, dengan ukuran 1,5 x 1.5 mm untuk PT100 dan ukuran 15 x 30 mm untuk PT1000 guna pengukuran suhu permukaan.

          Oleh karena biaya operasi rendah dan ukuran kecil, serta akurasi, stabilitas dan masa pemakaian yang lama, maka perangkat RTD (PT100) film tipis cocok untuk berbagai macam pengukuran suhu presisi dalam industri makanan dan minuman, kertas, otomotif, alat rumah tangga, peralatan medis, elektronik, komunikasi dan pembangkitan energi.

          RTD (PT100) film tipis adalah sensor suhu yang unik dan fleksibel, yang digunakan tidak hanya dalam aplikasi pengontrolan suhu, dimana suhu sendiri adalah penting, tetapi juga informasi parameter terkait lainnya sangat diperlukan. Informasi ini dapat dengan mudah diperoleh dengan menggunakan temperatur sebagai produk sampingan dari proses. Hal ini memungkinkan RTD (PT100) film tipis digunakan untuk mengukur laju aliran, ketegangan aliran, tingkat kekntalan aliran, dan mendeteksi kebocoran aliran.

            Macam-macam bentuk konstruksi RTD (PT100) dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 8. Macam-macam bentuk RTD

Keterangan :

A. Cryogenic RTD

B. Hollow Annulus High Pressure LH2 RTD

C. Hollow Annulus LH2 RTD

D. 1/8" Diameter LN2 RTD

Dalam penggunaannya, RTD (PT100) juga memiliki kelebihan dan kekurangan yaitu sebagai berikut.

Kelebihan dari RTD (PT100) :

-   Ketelitiannya lebih tinggi dibanding dengan termokopel.

-   Tahan terhadap temperatur yang tinggi.

-  Stabil pada temperatur yang tinggi, karena jenis logam platina lebih stabil dari pada jenis logam yang lainnya.

-   Kemampuannya tidak akan terganggu pada kisaran suhu yang luas.

Kekurangan dari RTD (PT100) :

-   Harga relatif lebih mahal bila dibanding dengan termokopel.

-   Terpengaruh terhadap goncangan dan getaran.

-   Respon waktu awal yang sedikit lama (0,5 s/d 5 detik, tergantung kondisi penggunaannya).

- Jangkauan suhunya lebih rendah dibanding dengan termokopel.. RTD (PT100) hanya mencapai suhu 650 °C, sedangkan termokopel dapat mencapai suhu 1700 °C.

          RTD (PT100) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji, tetapi koefisiennya lebih rendah dari thermistor dan persamaan matematis liniernya adalah :

Rt = Ro (1 + α Δt)

dimana : Ro = tahanan konduktor pada temperature awal (biasanya 0 °C)

              Rt = tahanan konduktor pada temperatur t °C

              α = koefisien temperatur tahanan

              Δt = selisih antara temperatur kerja dengan temperatur awal.

Sedangkan persamaan matematis nonliner kuadratik untuk RTD (PT100) untuk suhu positif adalah :

Rt = Ro (1 + AT – BT²)

dimana : Konstanta A = 3,9083 E-3 °C-1 dan B = 5,775 E-7 ° C-2.

Grafik perbandingan resistansi dengan temperatur untuk RTD dengan variasi logam yang berbeda ditunjukan seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 9. Grafik karakteristik RTD dengan variasi logam berbeda

          PT100 merupakan tipe RTD yang paling populer yang digunakan di industri. RTD merupakan sensor pasif, oleh karenanya sensor ini membutuhkan energi dari luar. Elemen yang umum digunakan pada tahanan resistansi adalah kawat nikel, tembaga, dan platina murni yang dipasang dalam sebuah tabung yang berfungsi untuk memproteksi terhadap kerusakan mekanis. RTD (PT100) digunakan pada kisaran suhu -200 °C sampai dengan 650 °C. Berikut ini adalah macam-macam bentuk dan karakteristik dari sensor RTD (PT100).

Gambar 10. Bentuk RTD (PT100) tipe probe

Gambar 11. Bentuk RTD (PT100) tipe batang

Gambar 12. Bentuk RTD (PT100) tipe WZP-230

Gambar 13. Bentuk RTD (PT100) tipe WZP-231

Gambar 14. Grafik karakteristik PT100

Gambar 15. Bentuk PT1000