DPL.4 Sistem Instrumentasi Pengukuran Autosaved 1

(1)

(2)

1. Objektif

2. Teori

3. Contoh

4. Simpulan

(3)

Mahasiswa mampu:

▪ Menjelaskan dengan benar mengenai prinsip RTD.

▪ Menjelaskan dengan benar mengenai prinsip Thermistor.

▪ Menjelaskan dengan benar mengenai Thermocouple.

Teori Contoh Simpulan

Objektif

(4)

Objektif Teori Contoh Simpulan

Resistance Temperature Detector (RTD)

• Tranduser yang mengubah perubahan nilai temperatur menjadi nilai resistansi pada suatu logam.

Hubungan antara temperatur dan resistansi:

𝑅 𝑇 = 𝑅 𝑇₀ [1 + 𝛼₁∆𝑇 + 𝛼₂(∆𝑇)2]

Jika ∆𝑇 ≪ , maka:

𝑅 𝑇 = 𝑅 𝑇₀ 1 + 𝛼₀∆𝑇

(5)

Grafik Hubungan Tahanan dengan Suhu RTD

Spesifikasi RTD yang paling umum adalah 100 𝞨.

Berarti: pada suhu 0 ℃, elemen RTD harus menunjukkan nilai resistansi100 𝞨.

(6)

RTD terdapat hal-hal yang perlu diperhatikan: a. Sensitivity

Perhitungan sensitivitas RTD dapat dicatat dari nilai tipical dari perubahan kecil yang linier dalam tahanan terhadap suhu.

• Untuk platinum, nilai ini secara tipical adalah berkisar 0.004/0_C.

• Untuk nikel adalah 0.005/0_C.

Sehingga, dengan platinum, sebagai contoh sebuah perubahan hanya 0.4W akan mengubah 100W pada RTD dengan perubahan suhu 10_{C. Biasanya spesifikasi akan disediakan dalam}

(7)

b. Respone Time

RTD mempunyai tanggapan waktu dari 0.5 sampai 5 detik atau lebih. Lambatnya respon disebabkan lambatnya konduktivitas panas yang membawa perangkat ke keseimbangan panas dengan lingkungannya.

c. Construction

Sebuah RTD, tentunya dengan mudah digambarkan sebagai sebuah kawat yang

(8)

b. Signal Conditioning

Keluaran dari RTD merupakan perubahan resistansi, sehingga diperlukan

pengkondisi sinyal yang berfungsi untuk mengkonversi resistansi ke tegangan menggunakan jembatan Wheatstone.

b. Dissipation Constant

Konstanta dissipasi biasanya ditentukan oleh dua kondisi, udara bebas dan “well-stirred

oil bath”. Hal ini disebabkan perbedaan dalam kapasitas media untuk membawa panas

keluar dari perangkat. Kenaikan Suhu pemanasan sendiri dapat ditemukan dari daya dissipasi oleh RTD dan konstanta dissipasi.

Rumus: ∆𝑇 = 𝑃

𝑃_𝐷 _dengan:

T = Kenaikan temperatur karena self heating P = Disipasi daya pada RTD dalam W

(9)

Pendahuluan

(10)

1) Diketahui: tahanan RTD terbuat dari platinum 120℃. Pada saat temperatur 0℃

tahanannya adalah 100𝞨_. Berapakah temperatur yang seharusnya terbaca?

(konstanta platinum: 0.00385) Jawab:

𝑅 𝑇 = 𝑅 𝑇₀ 1 + 𝛼₀∆𝑇

120 = 100 [1+ 0.00385T] 120 = 100 + 0.385T

(11)

2) Diketahui :𝛼 = 0.005/℃, 𝑅 = 500 Ω, Konstanta disipasi RTD = 30 𝑚𝑊/℃ pada 20℃.

dengan 𝑅₁ = 𝑅₂ = 500𝞨. Jika supply adalah 10 V dan RTD 0℃,

tentukan nilai 𝑅₃.

Jawab:

1) Temukan nilai RTD resistansi 0 ℃ tanpa memasukan efek disipasi:

𝑅 𝑇 = 𝑅 𝑇₀ 1 + 𝛼₀∆𝑇 = 𝑅 = 500 [1 + 0.005 0 − 20 = 450Ω

2) Untuk efek self heating (pemanasan sendiri), kita tentukan daya disipasi di RTD,

asumsi resistansi 450 Ω. Dengan: P= I2R

(12)

3) Arus ditemukan dari : I = 10

Jadi, RTD tidak aktual di temperatur 0 ℃ tapi di di temperatur 1.8 ℃. Sehingga kita harus menemukan resistansi RTD

𝑅 = 500 [1 + 0.005 1.8 − 20 = 454.5Ω

Sehingga didapatkan nilai 𝑅₃ = 454.5Ω

(13)

▪ Thermistor = Thermal Resistor

▪ Sensor temperatur berdasarkan perubahan resistansi semikonduktor terhadap temperatur.

▪ Prinsipnya: memberikan perubahan resistansi yang berbanding terbalik dengan perubahan suhu.

(14)

▪ Dibuat dari material semikonduktor.

▪ Hubungan antara temperatur dan resistansi:

𝑅 𝑇 = 𝑅(𝑇₀)𝑒𝛽 1𝑇−𝑇1₀ ▪ Suhu meningkat, Resistansi menurun/kecil

 negative temperature coefficient (NTC)

Thermistor

(15)

a. Sensitifitas sangat tinggi (1000 kali lebih senstif dari RTD)

b. Resistansi tinggi 1 KΩ

c. Respon Waktu Cepat

d. Perubahan Resistansi 10 % per ℃.

e. Tidak senstif terhadap shock dan vibrasi

f. Dilindungi capsul (plastik, teflon/material lembam)

g. Memperlambat waktu respon karena kontak termal kurang baik

(16)

1) Termistor mempunyai resistansi 3.5 k𝞨 pada 20℃ dengan kemiringan

-10%/ ℃. Konstanta disipasi 𝑃_𝐷= 5 mW/℃. Diusulkan untuk digunakan pada thermistor rangkaian pembagi pada Gambar dibawah ini dengan tegangan 5 V pada 20℃. Evaluasi efek dari self heating!

Jawab:

Pada 20℃ resistansi thermistor 3.5 k𝞨, sehingga rangkaian pembagi akan:

𝑉_𝐷 = _{3.5𝑘𝞨+3.5𝑘𝞨}3.5𝑘𝞨 . 10 = 5V

Kenaikan suhu pada thermistor menggunakan persamaan:

∆𝑇 = _𝑃𝑃 𝐷 =

7.1𝑚𝑊

5mW/_{℃ = 1.42℃}

(17)

Ini berarti resistansi thermistor:

𝑅_𝑇𝐻 =3.5k𝞨-1.42℃(0.1/℃)(3.5k𝞨) = 3.0k𝞨

Sehingga pembagi tegangan actual 𝑉_𝐷 = 4.6V

• Pengukuran menunjukkan bahwa ini tidak demikian sehingga sistem tidak memuaskan.

(18)

2) Hitunglah kepekaan suhu termistor pada 100℃. Nyatakan hasilnya dalam

ohm-sentimeter per derajat celsius. Anggaplah 𝛽 = 4120𝐾 pada 100℃. Jawab:

▪ 𝑇 = 𝑇₀ = 100℃=373K

▪ Kepekaan (S) didapatkan dengan persamaan:

𝑆 = 𝑑𝑅_{𝑑𝑇 = 𝑅 = 𝑅}0𝑒𝑥𝑝 𝛽 1_{𝑇 −} _𝑇1 0

−𝛽 𝑇2

▪ Karena hasilnya dalam satuan resistifitas, jadi resistifitas pada 100℃ disisipkan sebagai pengganti 𝑅₀.

Sehingga:

𝑆 = −𝜌100℃₍₃₇₃₎4120₂ = −(110)(4120)

(373)2 = -3,26 Ω-cm/℃

(19)

▪ Pembuatan berdasarkan sifat termal bahan logam.

▪ Satu ujungnya dipanaskan  elektron2 dalam logam akan bergerak semakin aktif dan akan menempati ruang yang semakin luas  elektron2 bergerak ke arah ujung yang tdk dipanaskan.

(20)

• Tranduser yang mengubah perubahan nilai temperatur menjadi emf.

▪ Dasar teori dari efek thermocouple adalah dari perbandingan distribusi listrik dan panas pada logam yang berbeda.

▪ _{Apabila terjadi perbedaan panas pada suatu logam maka energy panas yang}

terjadi akan mengalir ke bagian logam yang lebih dingin.

▪ Ketika dua konduktor yang berbeda menerima panas maka akan menimbulkan emf (Electric motive Force) yang akan menimbulkan tegangan untuk setiap derajat kenaikan suhu. Kemudian akan dikonversikan sesuai dengan reference table yang telah ada (table ini sesuai dengan tipe dari thermocoupe yang dipakai).

(21)

Seebeck Effect

Emf dihasilkan dari perbedaan temperatur.

dengan:

ε = emf yang dihasilkan

T = temperature sambungan Q= Konstanta distribusi panas

(22)

Peltier Effect

(23)

Type Thermocouple

(24)

Types Thermocouple

(25)

Karakteristik Thermocouple

Polaritas:

• Tegangan yang dihasilkan berbeda untuk tiap type thermocouple

▪ Type J dengan acuan 0˚C menghasilkan +5.27 mV pada sambungan di 100˚C, jika pengukuran di sambungan -100˚C menghasilkan -4.63mV

Dengan tabel, maka dapat membantu memperoleh tegangan berdasarkan temperature acuan.

Contoh:

(26)

Sensitivitas

Sensitivitas tergantung dari type signal conditioningnya.

• Type J: 0.05 mV/℃

• Type R: 0.006 mV/℃

Konstruksi

Secara sederhana, dari 2 logam yang di gabungkan. Untuk aplikasi biasanya di tutupi dengan kaca untuk perlindungan.

Range

(27)

Time Response

Tergantung ukuran kabel dan type perlindungan, untuk mencapai panas yang konstan

Signal Conditioning

Diharapkan tegangan keluaran kecil, biasanya kurang dari 50mV.

Kompensasi Acuan

Perbedaan pengukuran dan temperatur acuan.

Gangguan

(28)

Thermocouple

Rumus Junction Temperatur Type Thermokopel:

𝑇_𝑀 = 𝑇_𝐿 + 𝑇_𝑉𝐻 − 𝑇𝐿

𝐻 − 𝑉𝐿 (𝑉𝑀 − 𝑉𝐿)

Rumus Tegangan Type Thermokopel:

𝑉_𝑀 = 𝑉_𝐿 + 𝑉_𝑇𝐻 − 𝑉𝐿

𝐻 − 𝑇𝐿 (𝑇𝑀 − 𝑇𝐿)

dengan:

𝑉_𝑀 : tegangan antara 𝑉_𝐻(tegangan high) dan 𝑉_𝐿 (tegangan low)

(29)

Tegangan pada 23.72 mV diukur dengan type K thermokople pada referensi 0℃. Tentukan pengukuran junction temperatur.

Jawab:

(30)