pengukuran temperatur.pdf

02/06/2014

1

PENGUKURAN TEMPERATUR

Pendahuluan

Pengukuran temperatur Temperatur tubuh manusia Temperatur udara Temperatur ruang / kabin Temperatur fluida (liquid

atau gas) pada unit-unit proses

Temperatur mesin Dan sebagainya

2 Pengukuran Temperatur

02/06/2014

2

Pendahuluan Temperatur adalah ukuran rasa panas atau dingin benda.

Kulit manusia mampu merasakannya, tetapi relatif terhadaptemperatur kulit itu sendiri, tidak teramati secara kuantitatif.

Temperatur adalah besaran relatif, tergantung acuannya. Beberapa sifat fisika benda digunakan sebagai acuantemperatur, misalnya sifat ekspansi termis, sifat termoelektrik, sifat termo-resistansi, dsb.

Harga koefisien ekspansi suatu bahan tidak selalu konstanuntuk seluruh daerah temperatur, maka sensitivitas alat perluuntuk dikalibrasi untuk seluruh range pengukuran.

Karena sifat benda tidak selalu konstan untuk berbagai range temperatur, maka ada batasan daerah range pengukuransuatu termometer tertentu.

Misal: Harga koefisien ekspansi bahan tidak selalu konstanuntukseluruh daerah temperatur, maka sensitivitas alat perluuntuk dikalibrasi untuk range pengukurannya, untukmemperoleh batas harga kesalahan yang sesuai


Pendahuluan Perubahan temperatur benda karena ada penambahan energi kalor

(ada selisih kalor masuk dan kalor keluar benda). Harga temperatur benda ada kaitan dengan energi dalam benda Persamaan keseimbangan energi benda:

Energi kalor masuk - Energi kalor keluar = Energi kalortersimpan dalam benda.

Energi tersimpan mengubah temperatur benda.Qmasuk Qkeluar = M Cv dT/dt


02/06/2014

3

Skala Temperatur


Prinsip Pengukuran Temperatur Pengukuran temperatur berdasarkan perubahan sifat fisis

benda akibat perubahan temperatur. Efek Mekanikal (metoda ekspansitermal ) yaitu perubahan

dimensi benda, misalnya : termometer cairan dalam bulb (termometer air raksa),

berdasarkan prinsip perubahan volume cairan dalam bulb jika dihubungkan medium yang ingin diketahuitemperaturnya.

termometer bimetal, berdasarkan perbedaan koefisienekspansi dua buah pelat logam yang direkatkan.

perubahan tekanan cairan dalam bulb, misalnya pressure termometer

Efek Listrik Efek Termoelektrik yaitu perubahan tegangan listrik, karena

perbedaan sifat termoelektrik dua bahan, misal: termokopel. Perubahan tahanan listrik suatu benda.

Radiasi


02/06/2014

4

Metode Ekspansi TermalBULB THERMOMETER Perubahan volume, Cairan dalam bulb akan

memuai jika temperatur naik. Kelebihan cairanakibat muai volume ditampung pipa kapiler yang dilengkapi skala. Cairan: air-raksa, alkohol dsb.

Pemuaian cairan mengakibatkan perubahantekanan, dideteksi oleh alat ukur tekanan, misalnya bellows atau tabung bourdon.

Batas range temperatur pengukuran adalah titikdidih dan titik beku fluida yang digunakan.

Tetapi koefisien ekspansi suatu fluida tidakkonstan di antara titik batas acuan tersebut, maka range temperatur pengukuran terbataspada sifat ekspansi konstan.


Metode Ekspansi Termal Termometer fluida dalam bulb


Pressure Termometer

02/06/2014

5

Bulb Thermometer

BulbThermometer Pada saat t = 0

Temperatur bulb ( T ) = Temperatur fluida di sekeliling (TF) Persamaan Kesetimbangan kalor

Laju aliran kalor masuk laju aliran kalor keluar = laju perubahankandungan kalor pada bulb

Pada saat TF > T, maka persamaan laju aliran kalor Q kedalam bulb adalah,


U = Koefisien perpindahan kalorA = Luas permukaan kontak

Bulb Thermometer

Laju pertambahan kandungan kalor pada sensor Q


M = Massa sensor (bulb)C = Kalor spesifik cairan bulb

Laju pertambahan kandungan kalor pada cairan= Lajualiran kalor ke cairan

Jika: , Konstanta waktu

02/06/2014

6

Contoh

Termometer termal ekspansi menggunakan cairanFreon (C=0,22 Btu/lbm.oF, = 85,2 lbm/ft3) dengantabung silinder tembaga (C=0,092, = 560) berdiameter 0,25 in dengan tebal dinding 0,032 in. Termometer digunakan pada aliran udara 400 oF, 15 psia dan kecepatan 20 ft/s. Tentukan konstantawaktu termometer.


Termometer Bimetal (Bimetallic Thermometer) Termometer bimetal terdiri

dari dua logam dengankoefisien ekspansi termalberbeda saling dilekatkan.

Terjadi perbedaan panjangkedua batang jika temperaturberubah sehingga bimetal berdefleksi.

Defleksi batang menunjukkanukuran temperatur.

Batang bimetal digunakan pd kontrol on-off Temperatur.


02/06/2014

7

Termometer Bimetal (Bimetallic Thermometer)Bagaimana termometer bi-metal bekerja ?(sebagai on-off controller)


Contoh : HoneywellRTH110 Digital Manual Thermostat

Model RTH110

Termometer Bimetal (Bimetallic Thermometer)Dua buah metal A dan B


= jari-jari kelengkungant = tebal totaln = rasio modulus elastisitas EA/EBm = rasio ketebalan tA/tB

Misal A > B

T1 < T2 T1 > T2

02/06/2014

8

Contoh Suatu bimetal dibentuk dari yellow brass dan Invar

dan dibuat (ditempel) pada suhu 300C. Tebal masing-masing-masing 0,3 mm. Tentukan jari-jari kelengkunganbimetal pada suhu 1000C ?

Bimetal pada contoh di atas digunakan sebagai on-off controller yang beroperasi pada temperatur nominal 200oF. Hitung defleksi ujung batang bimetal 4 in untukdeviasi +/-2 oF dari temperatur nominal


Pengukuran Temperatur dengan Efek ListrikElectrical Resistance Thermometer

Tahanan material tertentu berubah jika temperaturberubah.

Material yang digunakan untuk sensor temperatur ini: materialkonduktor (logam) materialsemi-konduktor.

Material konduktor ditemukan terlebih dahulu dandisebut 'resistance-termometer, saat ini disebut'resistance-temperature-detector' (RTD).

Tipe semikonduktor muncul lebih akhir dan diberi namathermistor. Sensor temperatur semacam inimemerlukan teknik untuk mendeteksi perubahantahanan, seperti rangkaian jembatan atau 'Ohmmeter'.


02/06/2014

9

Pengukuran Temperatur dengan Efek Listrik Electrical Resistance Thermometer

Koefisien temperatur linier


Untuk rentang temperaturyang kecil:

Untuk rentang temperaturyang besar:

R1= resistansi pada T1R2= resistansi pada T2

a dan b adalah konstantaempirik

Contoh Termometer resistansi platinum digunakan pada

temperatur ruang. Asumsikan variasi temperatur linier terhadap resistansi dan hitung sensitivitas termometerdalam Ohm/oF


02/06/2014

10

Electrical Resistance Thermometer

Hubungan R dengan temperatur (T) tidak linier.Contoh: RTD platinum linieritas


Linieritas RentangTemperatur (0F) 0,4% - 300 s/d -100

0,25% -300 s/d -200 0,3% 0 s/d 300 0,2% 0 s/d 200 1,2% 500 s/d 1500

Thermistor Thermistor dibuat dari

campuran nickel danCobalt-oxides padaperbandingan yang sesuai dihaluskan, dicampur, di-press dandibentuk, kemudian di-sintering.

Dibandingkan dengansensor tipe konduktif, koefisien temperaturthermistor jauh lebihbesar dan negatif.

Thermistor sangat tidaklinier


02/06/2014

11

Persamaan Thermistor

RT = R termistor padatemperatur T,

Ro= R termistor padatemperatur To,

= konstantakarakteristik bahan, K

T & To= temperaturabsolut


Untuk pengukuran temperatur, thermistor ini memerlukan rangkaian linierisasi. Karena hubungan antara temperatur dan tahanan sangat tidak linier

Thermocouple Termokopel adalah dua kawat dari bahan berbeda yang

saling disambungkan. Titik sambungan kedua kawat disebut'junction'.

Jika temperatur kedua junction berbeda maka pada kawattersebut akan timbul arus listrik. Munculnya arus atautegangan listrik ini karena efek termoelektrik.

Ada empat macam sifat termoelektrik benda yang salingberkaitan,yaitu efek Seeback, efek Peltier, efek Joule danefek Thomson.


02/06/2014

12

Efek Thermoelectric Efek Seebeck: Jika temperatur dua junction berbeda, maka akan

timbul arus listrik yang tergantung pada beda temperatur keduajunction.

Efek Peltier: Bila pada kawat termokopel mengalir arus listrik, makatemperatur junction berubah sesuai dengan arah aliran arus listrik. Temperatur junction yang satu lebih tinggi dari temperatur medium, dan junction lainnya lebih rendah.

Efek Thomson: Jika arus listrik mengalir pada kawat termokopeldengan gradien temperatur sepanjang kawat (ada aliran kalor), maka kalor dibangkitkan pada titik di mana arah arus listrik samadengan arah aliran kalor, dan kalor diserap pada arah sebaliknya.

Efek Joule: Jika suatu kawat dialiri arus listrik maka didisipasikankalor yang sebanding dengan arus kuadrat.


Efek Seebeck


Contoh :Tentukan Seebeck voltage suatu material dengan= 50 V/0C, jika temperatur junction adalah 200C dan 1000C.

02/06/2014

13

Efek Peltier


Pengukuran Temperatur26

Efek Thomson

Setiap material konduktor pembawa muatan (kecuali material superkonduktor), dengan perbedaan temperatur pada kedua ujungnya, akan dapat menyerap atau memancarkan kalor (bergantung pada jenismaterialnya).

Jika kerapatan arus J mengalir melalui kawat konduktor homogen, kaloryang dihasilkan per satuan volume adalah:

Dari keempat efek yang terdapat pada termokopel, maka hanya efekSeebeck yang mendukung termokopel sebagai sensor temperatur. Ketiga efek lainnya merupakan gangguan pada hasil pengukuran temperatur, di mana terjadi sedikit penyimpangan antara temperatur yang terukur dan temperatur medium yang sebenarnya.

= resistivitas materialdT/dx = gradien temperatur di sepanjang kawat = Thomson coefficient.

02/06/2014

14

Tabel Thermocouple


Kurva Thermocouple (ref. 00C)


02/06/2014

15

Tabel Thermocouple Contoh:

Tegangan thermocouple tipe J pada 210oC denganreference junction 0oC, adalah 11,34 mV

Dengan cara yang sama, jika tegangan pengukuran 4,768 mV untuk tipe S dengan reference junction 0oC, maka daritabel diketahui temperatur junction lainnya adalah 555oC


Sensitivitas dan Perataan Termokopel n termokopel seri

memberikan output n kali lebih besar.

n termokopel paralel, dimana junction acuan pd temperatur sama & sensor termokopel padalokasi yg sedikit berbeda, memberikan temperaturrata-rata medium/bendayang diukur.


02/06/2014

16

Keuntungan sensor termokopel: Respons cepat, karena luas kontak dengan medium

kecil. Daerah pengukuran temperatur relatif lebih luas. Sensitivitas diperbesar dengan memasang termokopel

serie. Dapat digunakan untuk mengukur temperatur rata-rata

medium/benda dengan pemasangan paralel. Kerugian sensor termokopel:

Sensitivitasnya rendah, dalam orde mV/oC. Untuk mendeteksi temperatur junction sensor,

temperatur junction acuan perlu diketahui.


Pyrometer

Pyrometer bekerja berdasar radiasi yang di-pancarkan sumber kalor yg diukur. Pyrometer adalah alat ukur temperatur metoda nonkontak. Benda memancarkan kalor & cahaya ke sekeliling. Makin tinggi temperatur benda, makin besarintensitas kalor dan cahaya yang dipancarkan. Jikajumlah pancaran/radiasi kalor atau cahaya dapatdiukur, temperatur benda dapat diketahui.

Pyrometer menentukan temperatur benda denganjalan mengukur besar radiasi total atau radiasi salah satu panjang gelombang.


02/06/2014

17

Pyrometer

Atas dasar tersebut dikenal dua macam pyrometer:



Pyrometer memungkinkan pengguna untuk mengukurtemperatur pada aplikasi di mana sensor konvensionaltidak dapat digunakan.

Khususnya, dalam kasus-kasus yang berhubungandengan objek bergerak (misalnya, roller, bergerakmesin, atau ban berjalan), atau di mana pengukurannonkontak diperlukan karena kontaminasi atau alasanberbahaya (misalnya tegangan tinggi), di mana jarakterlalu besar, atau di mana temperatur yang akandiukur terlalu tinggi untuk termokopel atau sensor kotak yang lain.

Pyrometer

02/06/2014

18


Pyrometer terdiri dari sistem optik dan detektor. Sistem optik memfokuskan radiasi termal terhadapdetektor. Sinyal output detektor (temperatur T) berkaitan dengan radiasi termal atau iradiasi j dariobjek target melalui hukum Stefan-Boltzmann, konstanta Boltzmann , dan emisivitas objek .

Pyrometer

pengukuran temperatur.pdf

Documents