Elins2014B - 1 - Sensor Suhu

PENGUKURAN TEMPERATUR

Elektronika Instrumentasi

Sensor & Tranducer

o Dalam Otomasi industri, pada setiap sistem mekatronika

selalu mempunyai beberapa sensor untuk mengukur

status dari variabel proses.

o Analogi antara sistem yang di kendalikan manusia dan

mesin adalah sbb:

Operator mengamati perilaku sistem, membuat

keputusan dan kemudian menggunakan kekuatan

ototnya untuk aksi pengendalian.

Sensors menggantikan mata untuk

pengamatan/observasi, Aktuator menggantikan kekuatan

otot, dan komputer menggantikan otak manusia.

Sensor dan Transducer

Sensor dan Transducer

SENSOR

o Digunakan untuk:

Inspeksi pekerjaan

Evaluasi kondisi proses yang sedang berlangsung.

Monitoring proses manufaktur.

Mengubah fenomena fisik menjadi isyarat yang dapat di

analisa untuk pengambilan keputusan.

Sensor dan Transducer

Sensor adalah perangkat atau komponen yang menghasilkan isyarat keluaran untuk tujuan men-sensor fenomena fisik.

Kadang disebut juga tranduser.

Sensor dan Transducer

SensorPerubahan

variabel fisik

Pasif

ΔR, ΔL, ΔC

TransducerPerubahan

variabel fisik

Isyarat aktif

ΔV atau ΔI

Transducer Sensing element + Tranduction Element

Mekanisme:

• Capacitive

• Inductive

• Resistive

• Piezoresistive

• etc.

Measurand:

• Displacement

• Position

• Velocity

• Temperature

• etc.

Pemilihan:

• Sensitivity

• Range

• Form factor

• Noise

• etc

Sensor dan Transducer

o Sensor Analog: Kontinyu, tak terinterupsi, urutan

kejadian tak terputus. Keluarannya proporsional terhadap

variable yang diukur. Memerlukan ADC

o Sensor Digital: Urutan kejadian diskrit yang terpisah

satu sama lain. Keluarannya berupa isyarat digital dan

tidak memerlukan converter.

o Sensor Aktif: Isyarat keluaran umumnya bersumber dari

catu daya yang terpisah, tak terinterupsi, urutan kejadian

tak terputus. Keluarannya proporsional terhadap variable

yang diukur.

o Sensor Pasif: Tanpa catu daya eksternal (self

generating). Misal: piezoelectric, thermoelectric and

radioactive.

Jenis-Jenis Sensor

o Sensor jenis defleksi: Keluaran proporsional dengan

penyimpangan. Misal: potensiometer

o Sensor jenis Null: Dengan membuat keseimbangan

sehingga kalau ada perubahan keseimbmangan akar

terdeteksi. Misal: Jembatan Wheatstone

o Sensor berdasar subjek pengukuran: Misal: akustik,

biologi, kimia, elektrik, magnetik, optik, mekanik, panas…

Jenis-Jenis Sensor

Contoh 2: Pengukuran kecepatan putar mesin

Tacho generator

PencacahSchmittrigger

Komputer

PenampilDigital

Kecepatan

sesungguh

nya

Sensing

Frekuensi

Frequency

Pengkondisi Isyarat

Pemrosesan Isyarat

Presentasi DataKecepatan terukur

Sensor dan Transducer

Pengukuran Suhu

Sensor Suhu

Salah satu variabel fisik yang penting

dalam proses kendali industri adalah

temperatur (Suhu)

Definisi Energi Termal

Benda-denda disekeliling kita tersusun dari

atom-atom

Ketika menerima energi mereka akan bergetar

(vibrate)

- bergetar teratur (@ equilibrium) zat padat

- bergetar dan berputar zat cair

- bergetar, berputar, dan bergerak bebas gas

Definition of Thermal energy

Thermal energy is the internal energy of an object due to the kinetic

energy of its atoms and/or molecules. The atoms and/or molecules of a

hotter object have greater kinetic energy than those of a colder one, in the

form of vibrational, rotational, or, in the case of a gas, translational motion.

Definisi Temperatur / Suhu

Temperatur adalah pengukuran energi

termal pada tiap molekul benda

(Joules/molecule).

Contoh: energi 10.000 J- Dalam sebuah gelas air

- Dalam sebuah tanki air

Skala Temperatur Absolut

Suhu nol absolut adalah untuk benda

yang tidak mempunyai energi termal.

- Dalam Kelvin (oK)

- Dalam skala Rankin (oR)

Pengubahan5

( ) ( )9

T K T R

•Suhu relatif terhadap referensi. Nol derajat

tidak berarti tanpa energi termal (misal 0oC

adalah suhu ketika air menjadi es)

•Pengubahan Celsius ke Kelvin

•Pengubahan Fahrenheit ke Rankine

( ) ( ) 273.15T C T K

( ) ( ) 459.6T F T R

Skala Temperatur Relatif

Skala Temperatur / Suhu

• Mengubah Celsius ke Fahrenheit, ada

penambahan/pengurangan 32 derajat

9( ) ( ) 32

5T F T C

Hubungan antara F dan C

• Energi termal rata-rata (WTH) dari sebuah

molekul dapat ditemukan dari suhu

absolut dalam Kelvin

• Dimana k = 1.38x10-23 J/K adalah

konstanta Boltzmann

3

2THW kT

Hubungan dengan Energi Termal

•Metal terdiri dari atom-atom.

•Energi thermal metal adalah akibat semua vibrasi

atom yang terjadi

•Pita energi pada metal terlihat seperti gambar di

bawah

•Valance band dan conduction band saling tumpang tindih

Suhu dan resitansi Metal

• Valance electron dapat berada di pita

konduksi dan bergerak bebas,

menghasilkan arus

• Ketika metal menerima energi, Atom

stasioner bergetar dan makin bergetar

• Conduction electron bertabrakan dengan

atom yang bergetar. Menghalangi arus

mengalir (Makin besar suhu makin besar

resistansi)

Suhu dan resitansi Metal

Grafik Suhu dan resitansi

Prakiraan Suhu dan resitansi

• Dapat dirumuskan sbb

dimana

0 0( ) ( ) 1R T R T T

0 0

0

0 0

( ) approximation of resistance at temperature T

( ) resistance at temperature

fractional change in resistance per degree of temperature at

R T

R T T

T T T

T

Prakiraan Suhu dan resitansi

12

12

0

0)(

1

TT

RR

TR

Contoh

Resistansi Vs Suhu dari metal mempunyai

nilai sbb:

Carilah perkiraan linier resistansi Vs Suhu

antara 60° dan 90° F

Sensor Suhu

JENIS SENSOR SUHU

THERMOCOUPLE

Adalah sensor suhu yang paling umum digunakan.

Terdiri dari dua penghantar yang disambungkan.

Tegangan keluaran proporsional terhadap suhu pada

sambungan.

Fenomena thermoelectric adalah hasil dari aliran listrik dan

panas yang simultan keluar dari sambungan.

THERMOCOUPLE

39

Dasar Thermocouple

Penyusunan seperti gambar di bawah

Sambungan TM tempat mengukur suhu

Sambungan TR adalah suhu referensi

Tegangan yang dihasilkan adalah fungsi dari (TM-TR)

SETTING THERMOCOUPLE

Classic Cold Junction

1. Mudah didapatkan suhu 0.

2. Tidak praktis perapannya.

3. Sulit menjaga suhu 0.

Cold Junction Compensation

Cold Junction Compensation (Better Connection)

Temperature Sensor TMP35

Monolithic Thermocouple Amplifier

Monolithic with Digital Out

THERMOCOUPLE

KARAKTERISTIK THERMOCOUPLE

RTD

• Sensor suhu berbasis perubahan

resistansi metal karena perubahan

temperatur

• Metal yang digunakan adalah

– Platinum (mahal)

– Nickel (lebih murah)

Resistance Temperature Detectors (RTD)

1. Lebih akurat dibandingkan termokopel

2. Daerah linear yang lebih lebar

3. Proses linearisasi yang simple

4. Arus eksitasi menimbulkan panas error

5. Low temp. coef memerlukan signal cond. yang baik

Resistance Temperature Detectors (RTD)

• Sensitivitas

– Nilai α0 adalah sensitivitas

– Ordenya 0.004/°C untuk platinum dan

0.005/°C untuk nickel

• Waktu tanggapan

– Karena lambatnya konduktivitas termal, waktu

tanggapannya 0.5 sampai dengan 5 detik

atau lebih

KARAKTERISTIK RTD

RTD (Pt100)

– RTD umumnya digunakan bersama rangkaian

jembatan

PENGKONDISI ISYARAT

– Karena RTD adalah resistan, ada disipasi

daya sebesar I2R pada divais (Self-heating)

– Dapat menyebabkan kesalahan pembacaan

(erroneous reading)

– Dissipation constant (PD) ada pada spek RTD.

• Daya untuk menaikkan Suhu RTD 10C

• Kenaikan suhu nya dapat dicari dengan

D

PT

P

temperature rise becuase of self-heating in C

power dissipated in the RTD from the circuit in W

dissipation constant of the RTD in W/ CD

T

P

P

Konstanta Disipasi

RTD CONNECTION ERROR

• Resistansi tembaga AWG 30 0,105Ω/ft

• Menghasilkan kesalahan 55OC

Four-Wire RTD Connection

• Mengeliminasi kesalahan karena kabel yang panjang.

• Piranti ukur DVM, InAmp

• Impedansi piranti ukur tinggi Akurasi tinggi

• Tidak terlalu sensitif terhadap panjang kabel (sense lead)

IC RTD CONNECTION

• Didorong (driven) dengan arus eksitasi 400µA

• Resistor ref 6.25kΩ 2.5V

• PGA (Programmable Gain Amplifier): 1 - 128

ADT70

• Menggunakan Pt RTD 1kΩ

• Menggunakan resistor referensi 1kΩ

• Tegangan keluaran 5mV/OC

• Range pengukuran -55OC - +800OC

THERMISTOR

• Berbeda dari RTD yang menggunakan

metal, Thermistor dibuat dari bahan

ceramic, polimer, atau semikonduktor

THERMISTOR

• Ada gap energy ΔWg diantara pita

• Ketika suhu bahan meningkat, valance

electrons memperoleh tambahan energi

hingga melampaui band gap

• Valence electrons bebas bergerak dan

mengahantarkan arus ketika suhu

meningkat

• Ketika arus meningkat, tahanan menurun

THERMISTOR

• Koefisien temperatur positif atau negatif

• Paling sensitif diantara ketiga sensor lain

• Paling tidak linear diantara ketiga sensor lain

• Sensitivitas tipikal: -44000ppm/OC

• Tidak memerlukan kompensasi kesalahan panjang kabel

KARAKTERISTIK THERMISTOR

KARAKTERISTIK THERMISTOR

• Terbatas untuk pengukuran beberapa ratus derajat

• Secara fisik lebih getas (fragile) dibandingkan RTD

• Sensitif terhadap self-heating error

• Rentang pengukuran terbatas karena ketidaklinearan

• Sensitivity

– Typically, 10% resistance change per 1 °C

• Construction

– Can be fabricated in discs, bead, and rods

KARAKTERISTIK THERMISTOR

• Response time

– Typically, 0.5 s

– For poor thermal contact, response time can

be 10 s

• Signal conditioning

– Bridge circuit

• Dissipation constants

– In milliwatts/°C

KARAKTERISTIK THERMISTOR

Bentuk Fisik

Linearisasi dengan Paralel

231

31312

2

2)(

TTT

TTTTT

RRR

RRRRRR

2

312

TTT

SEMICONDUCTOR

SEMICONDUCTOR

• Memberikan akurasi dan linearitas yang tinggi

• Rentang operasi sekitar -55OC - +150OC

• Dapat berguna untuk untai kompensasi cold-junction

Bentuk Fisik

Brocaw Cell

• Dengan mengatur R1,R2 dan N VBandgap = 1,205V

• Dapat dikemas dalam monolithic e.g. LM75

LM75

Sensor Temperature Keluaran Arus

• Typical fungsi transfer 1µA/OK

• High imdance current output

Sensor Temperature Keluaran Tegangan

Ratiometric Voltage Output Sensor