Tranduser dan Sensor“Sensor Thermal”

Kurniawan Teguh Martono

Sistem Komputer UNDIP

Tujuan Perkuliahan Setelah mengikuti perkuliahan ini mahasiswa

diharapkan : Mampu menjelaskan tentang sensor thermal Mampu menjelaskan karakteristik Sensor thermal Mampu merancang sistem dengan menggunakan

sensor thermal

Pendahuluan Temperatur merupakan salah satu besaran

yang digunakan dalam pengukuran internasional

Temperatur adalah kondisi penting dari suatu substrat

Satuan yang digunakan adalah Kelvin Menurut Kelvin skala temperatur pada titik es

adalah 273,16°K Skala temperatur yang lain adalah

Celcius = (°F-32) Fahrenheit = Reanmur =°F +459,69

Temperatur Merupakan kondisi penting dari suatu

substrat. Dapat berupa :

Panas , atau Dingin Panas atau dingin merupakan salah satu

bentuk energi yang diasosiasikan dengan aktifitas molekul-molekul dari suatu substrat.

Pergerakan partikel Benda padat Benda cair Benda gas

Pola aliran panas Konduksi,

yaitu pengaliran panas melalui benda padat (penghantar) secara kontak langsung

Konveksi, yaitu pengaliran panas melalui media cair secara

kontak langsung Radiasi,

yaitu pengaliran panas melalui media udara/gas secara kontak tidak langsung

Pengukuran Kinerja Penampilan (Performance) Kehandalan (Reliable) dan Faktor ekonomis ( Economic)

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan jenis sensor suhu Level suhu maksimum dan minimum dari suatu

substrat yang diukur. Jangkauan (range) maksimum pengukuran Konduktivitas kalor dari substrat Respon waktu perubahan suhu dari substrat Linieritas sensor Jangkauan temperatur kerja Ketahanan

korosi (karat) guncangan, pengkabelan (instalasi), keamanan

Contoh Penggunaan Sensor suhu pada beberapa bidang

Pengukuran suhu disekitar kamar yaitu antara -35oC sampai 150oC, dapat dipilih sensor NTC, PTC, transistor, dioda dan IC hibrid

suhu menengah yaitu antara 150oC sampai 700oC, dapat dipilih thermocouple dan RTD.

Untuk suhu yang lebih tinggi sampai 1500oC, tidak memungkinkan lagi dipergunakan sensor-sensor kontak langsung, maka teknis pengukurannya dilakukan menggunakan cara radiasi.

Untuk pengukuran suhu pada daerah sangat dingin dibawah 65oK = -208oC ( 0oC = 273,16oK ) dapat digunakan resistor karbon biasa karena pada suhu ini karbon berlaku seperti semikonduktor.

Untuk suhu antara 65oK sampai -35oC dapat digunakan kristal silikon dengan kemurnian tinggi sebagai sensor.

Jenis Sensor Suhu Bimetal Termistor Resistor Thermal Detector (RTD) Thermokopel

Bimetal Bimetal adalah sensor temperatur yang sangat populer

digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat strika listrik dan

lampu kelap-kelip (dimmer). Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah

lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu

Arah melengkung pada bimetal yaitu mengikuti dari logam yang koefisiennya lebih kecil dari

logam yang satunya bila dipanaskan, sebaliknya melengkung kearah logam yang koefisiennya besar bila didinginkan

Dalam aplikasinya bimetal dapat dibentuk menjadi saklar Normally Closed (NC) atau Normally Open (NO).

Contohnya: Bimetal besi dan tembaga jika dipanaskan

akan melengkung ke besi karena koefisien besi yang terkecil, sebaliknya jika didinginkan akan melengkung ke tembaga karena koefisien tembaga terbesar pada bimetal itu.

Bimetal yang terbuat dari tembaga dan kuningan, jika dipanaskan akan melengkung kearah tembaga, karena koefisien tembaga kecil, sebaliknya jika didinginkan akan melengkung kearah kuningan, karena koefisien kuningan besar.

Ilustrasi

Penerapan pemuaian dalam kehidupan sehari – hari alarm kebakaran, thermostat yaitu pengatur suhu pada setrika,

Persamaan Matematis

𝜌=2𝑡

3(𝛼 ¿¿ 𝐴−𝛼𝐵)(𝑇 2−𝑇1)¿

di mana ρ = radius kelengkungan t = tebal jalur total T2-T1 = kenaikan temperature αA, αB = koefisien muai panas logamA dan logam B

Termistor Merupakan  alat atau komponen atau sensor elektronika yang

dipakai untuk mengukur suhu. Prinsip dasar dari termistor adalah perubahan nilai tahanan

jika suhu atau temperatur yang mengenai termistor ini berubah.

Jenis Thermistor PTC, Positive Temperature Coefficient NTC, Negative Temperature Coefficient

Termistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan seperti: mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U).

kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi

PTC (Positive Temperature Coefisient) PTC merupakan termistor dengan koefisien

yang positif. Termistor PTC memiliki perbedaan dengan

NTC antara lain: Koefisien temperatur dari thermistor PTC bernilai

positif hanya dalam interfal temperatur tertentu, sehingga diluar interval tersebut akan bernilai nol atau negatif

Harga mutlak dan koefisien temperatur dari termistor PTC jauh lebih besar dari pada termistor NTC.

NTC (Negative Temperature Coefisient) NTC merupakan termistor yang mempunyai

koefisient negatif.

Ilustrasi

Rangkaian Pengkondisi Untuk pengontrolan perlu mengubah tahanan

menjadi tegangan, berikut rangkaian dasar untuk mengubah resistansi menjadi tegangan

Aplikasi Thermistor Dalam automotive bisa menggunakan NTC

thermistor untuk memonitor temperatur radiator/mesin yang dihubungkan ke electronic control unit (ECU) dan kemudian ditampilakan dalam dashboard mobil.

Dalam bidang kedokteran digunakan untuk memonitor temperatur pasien pada saat operasi berlangsung.

Dalam bidang space untuk memonitor temperatur baterai, modul-modul satelit, memonitor ruangan dalam satelit, dll

Contoh di Bidang Automotive Adalah pada Sensor IAT (Intake Air

Temperature) Sensor ini medeteksi temperatur udara masuk ke engine dengan mengunakan thermistor.

RTD (Resistor Thermal Detector) RTD adalah salah satu dari beberapa jenis

sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi,

kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500o C.

Ilustrasi

Model matematis Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan

tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor dan model matematis linier adalah:

dimana : Ro = tahanan konduktor pada temperature awal

( biasanya 0oC) RT = tahanan konduktor pada temperatur toC α = koefisien temperatur tahanan Δt = selisih antara temperatur kerja dengan

temperatur awal

)1(0 tRRT

Termokopel Pembuatan termokopel didasarkan atas sifat

thermal bahan logam. 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.

Ilustrasi

+

-

Ujung dingin

Arus elektron akan mengalir dari ujung panas ke ujung dingin

Gambar 2.14. Arah gerak electron jika logam dipanaskan

Ujung panas

e

Prinsip Kerja 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.

Model Matematis

Thermocouple sebagai sensor temperatur memanfaatkan beda workfunction dua bahan metal

Sekian Terima Kasih