BAB II LANDASAN TEORI

BAB II

LANDASAN TEORI

II.1. Teori Pengukuran Temperatur

Pengukuran adalah proses menetapkan standar untuk setiap besaran yang tidak terdefinisi. Standar tersebut dapat berupa barang yang nyata, dengan syarat sifat barang tersebut tidak berubah–ubah dalam waktu yang lama. Yang perlu diperhatikan dalam melakukan aktifitas pengukuran adalah :

a). Standar yang dipakai harus memiliki ketelitian yang sesuai dengan standar yang dapat diterima oleh umum.

b). Cara pengukuran dan alat yang digunakan harus sesuai persyaratan.

Umumnya, dalam melakukan pengukuran dibutuhkan instrumen untuk menentukan besaran. Instrumen adalah sebuah alat untuk menentukan nilai dari suatu kuantitas atau variabel.

Instrumen membantu meningkatkan keterampilan manusia dalam banyak hal yang memungkinkan seseorang untuk menentukan nilai besaran yang tidak diketahui. Tanpa bantuan tersebut manusia tidak dapat menentukannya.

Temperatur merupakan salah satu dari empat besaran dasar yang diakui oleh Sistem Pengukuran Internasional (The International Measuring System). Tidak seperti panjang, massa dan waktu yang merupakan besaran ekstensif, temperatur merupakan besaran intensif.

Untuk kebanyakan tujuan, hukum ke nol termodinamika memberikan konsep temperatur yang berguna. Hukum tersebut mengatakan, bahwa “Jika benda A dan B masing-masing dalam keadaan setimbang thermal (yaitu situasi

antara dua benda yang dalam keadaan kontak thermal menukarkan energi thermal dalam jumlah yang sama). Waktu yang diperlukan untuk mencapai kesetimbangan

thermal tergantung sifat benda tersebut, pada saat kesetimbangan thermal ke dua

benda mempunyai temperatur yang sama dengan benda ke tiga C, maka benda A dan B dalam keadaan setimbang thermal terhadap satu sama lain”.

Benda ketiga C ini nanti yang akan kita sebut thermometer. Dua benda A dan B yang dalam kesetimbangan thermal mempunyai tempertur yang sama.

Lord Kelvin dalam tahun 1848 mengusulkan sekala temperatur termodinamika yang memberikan dasar teoritis yang tidak tergantung pada sifat bahan manapun dan didasarkan pada siklus Carnot.

Suatu angka dipilih untuk menjelaskan temperatur dari titik tetap yang ditentukan. Pada saat ini titik tetap diambil sebagai titik-tripel (triple point) (yaitu keadaan dimana fase-fase padat, cair dan uap berada bersama dalam ekuilibrium), dan karena inilah keadaan air dapat diulang dan dapat diketahui.

Angka ini adalah 273,16 0K (0K = derajat Kelvin) yang juga merupakan titik es. Skala lain adalah Celcius, Fahrenheit, dan Rankine yang berkaitan satu sama lain seperti berikut :

0 F = 0(C + 32) 0 C = (0F – 32) 0 R = 0

Skala temperatur yang bersumber dari hukum kedua termodinamika tidak mudah menerapkannya dalam praktek. Oleh karena itu International Practical

Temperature Scale 0f 1968 (IPTS-68) telah dipilih sebagai pendekatan yang

F + 459,69 9

paling cocok dari skala temperatur termodinamika. Ketidaksesuaian antara kedua skala temperatur ini diperkirakan dalam derajat centigrade.

Pada dasarnya, ada empat metode pengukuran temperatur : 1. Pemuaian panas

2. Termolistrik 3. Resistansi 4. Radiasi

Metode yang dipilih akan tergantung pada faktor-faktor seperti ketelitian, persyaratan rekaman, persyaratan pengendalian, temperatur, lokasi, biaya dan kondisi luar yang penting.

II.2. Alat-Alat Ukur Temperatur II.2.1. Termometer Air Raksa

Prinsip kerja berdasarkan perubahan temperatur menyebabkan perubahan volume, agar perubahan volume tersebut dapat tampak lebih jelas (lebih sensitif), maka digunakan system reservoir dan kapiler (lihat Gambar 2.1.)

Umumnya bila suatu aliran dipanaskan maka volumenya akan bertambah menurut hubungan :

Vt = Vo + (1 + β Δt)

Keterangan : Vt = Volume pada termometer t Vo = Volume mula

Β = Koefisien muai volume dari cairan Δt = Perubahan temperatur

II.2.2. Termometer Bimetal

Dua buah logam dengan koefisien muai panjang berbeda diletakkan sejajar, karena satu logam mempunyai koefisien muai panjang yang lebih besar, maka kenaikan temperatur akan ditunjukkan oleh penyimpangan (defleksi) dari bimetal. Penurunan temperatur akan disertai dengan gerakan pada arah yang berlawanan. Umumnya bila suatu batang dipanaskan maka akan terjadi pertambahan panjang.

Lt = Lo (1 + α Δt)

Keterangan : Lt = Panjang mula

α = Koefsien muai panjang Δt = Perubahan temperatur Lt = Panjang pada temperatur

Suatu batang bimetal yang mula-mula lurus pada temperatur To, akan melengkung bila temperatur diubah menjadi T. Jari-jari lengkungan akan mengikuti rumus empiris ( lihat Gambar 2.2).

t (3 (1 + m)2 + (1 + m) (m2 + 1/ mn)) 6 (

α

A -

α

B) (T – To) (1 + m) Keterangan : 2 R t m n

α

A dan

α

T B To = = = = = = =

Jari-jari lengkungan yang terjadi Tebal total pelat

Perbandingan tebal pelat terhadap A

Perbandingan modulus elastisitas bahan A terhadap B Masing-masing koefisien muai panjang bahan A dan B Temperatur pada waktu terjadi pelengkugan

(temperatur yang diukur/ ditunjukkan) (o Temperatur pada waktu kedua pelat diletakkan

C)

(pada waktu pelat tidak melengkung) (0

Untuk mendapatkan sensitivitas yang lebih besar, diusahakan agar metal B mempunyai

α

C)

A

Bimetal ini selain pengukur pengukur temperatur, sering pula digunakan sebagai elemen control pada sistem pengontrol temperatur (pada kontroler jenis on-off).

yang sekecil mungkin dan metal A yang sebesar mungkin. Contohnya : invar (campuran besi-nikel) dengan koefisien muai kecil, paduan kuningan atau nikel dengan koefisien muai besar.

Gambar 2.2. Temometer Bimetal

Konstruksi antara lain : − Spiral − Bentuk U − Washer − Helik − Helik Ganda II.2.3. Thermocouple

Thermocouple terdiri dari sambungan (junction) dari dua logam yang

berbeda. Pada sambungan ini terdapat tegangan listrik yang nilainya dipengaruhi oleh temperature junction. Perubahan temperatur akan memberikan harga tegangan yang berubah pula.

Pada thermocouple terdapat 3 efek yang saling berkaitan yaitu : 1. Efek Seebeck

Bila dua logam yang berbeda dan dihubungkan maka akan timbul tegangan listrik antara kedua terminal yang besarnya tergantung pada temperatur pada

junctionnya (temperatur pada titik hubung antara kedua logam tersebut).

2. Efek Peltier

Bila pada junction tersebut mengalir arus listrik maka tegangan listrik yang terjadi tadi akan berubah naik atau turun tergantung dari arah arus listrik yang mengalir pada junction tersebut.

3. Efek Thomson

Bila sepanjang logam tersebut terdapat gradient temperatur, maka besarnya tegangan juga akan berubah.

Jika dipasang volt meter kita dapat membaca beda potensial listriknya. Rangkaian dasar thermocouple dapat dilihat seperti Gambar 2.3 sebagai berikut :

Temperature recorder C

Gambar 2.3. Rangkaian Dasar Thermocouple

Wayar penghubung antara simpul tersebut biasanya tembaga, sedangkan wayar konstanta dipilih diantara jenis-jenis logam.

Adapun tipe dari thermocouple adalah sebagai berikut : 1. Tipe K Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy).

Thermocouple type K merupakan thermocouple yang paling umum digunakan. Thermocouple ini menggunakan type base metal, tersedia untuk rentang suhu

−200 °C hingga +1200 °C dan diperpanjang hingga 1300 °C untuk pembacaan pendek. Thermocouple ini tahan terhadap oksidasi atmosfer tetapi dipengaruhi oleh penurunan dan sulfur yang berisi gas pada temperatur yang tinggi.

2. Tipe E (Chromel/Constanta) (Cu-Ni alloy).

Tipe E memiliki output yang besar membuatnya cocok untuk digunakan pada temperatur rendah. Tipe E memiliki e.m.f paling tinggi dari semua metal

thermocouple, memilki range aplikasi dari –270 °C hingga 800 °C. Untuk

pembacaan pendek dalam kondisi oksidasi temperature hingga 1100 °C dapat ditolerasi. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetik.

3. Tipe J (Iron/Constanta).

Rentangnya terbatas −40 °C hingga +750 °C membuatnya kurang populer dibanding tipe K. Terkenal dengan harga yang rendah yang memiliki e.m.f yang tinggi dan resistansi yang baik untuk oksidasi dan penurunan atmosfer. Bisa dipakai hingga 1000 °C. Thermocouple ini perlu dilindungi dari abu, oksigen dan sulvur yang berisi gas. Range thermocouple ini adalah -200 °C hingga 850 °C dan untuk pembacaan pendek hingga 1200 °C.

Thermocouple ini memiliki pengukuran stabil dan tahanannya yang tinggi

terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200 °C. Tipe N merupakan perbaikan tipe K.

5. Tipe B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh).

Cocok untuk mengukur suhu di atas 1800 °C. Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0°C hingga 42°C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50°C. Type B memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan tipe S, perbandingannya sebagai berikut :

− Range temperatur yang lebih tinggi, hingga 1800 °C.

− Resistansi terhadap bahan-bahan kimia yang lebih tinggi.

− Ketidakmurnian metal mempengaruhi kalibrasinya terhadap jumlah yang lebih kecil.

− Difusi Rh dari kawat positif ke negatif diproses secara lebih lambat.

− Dalam range temperature hingga sekitar 100 °C, e.m.f dapat diabaikan sehingga tidak ada stabilisasi temperatur referensi yang dibutuhkan.

6. Tipe R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium).

Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. Biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum.

7. Tipe S (Platinum/Platinum with 10% Rhodium).

Merupakan thermocouple yang paling umum dari semua rare metal. Cocok untuk mengukur suhu di atas 1600 °C. Karena stabilitasnya yang tinggi tipe S digunakan untuk standard pengukuran titik leleh emas (1064.43 °C). Karena strukturnya memberikan resistansi yang tinggi terhadap korosi, kawat yang agak tipis mungkin dipakai, untuk menghasilkan biaya yang murah dan inersia thermal yang rendah daripada thermocouple tersebut. Thermocouple tipe B, R, dan S adalah thermocouple logam mulia yang memiliki karakteristik yang hampir sama. Mereka adalah thermocouple yang paling stabil, tetapi mereka biasanya hanya digunakan untuk mengukur temperatur tinggi (>300 °C).

8. Tipe T (Copper / Constanta).

Thermocouple ini dibuat untuk pemakaian yang kontiniu dengan range

temperatur −200 °C sampai 400 °C untuk pembacaan pendek hingga 500 °C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari konstanta. Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian kawat tembaga. Type T memiliki spesifikasi yang sama dengan thermocouple tipe U.

II.3. Komponen Rangkaian Elektronik II.3.1. Resistor

Untuk memperoleh hambatan yang nilai ohmnya bervariasi, maka diciptakanlah hambatan dari bahan tertentu, misalnya dari gulungan kawat, dari bahan arang dan lain-lain. Dari bahan-bahan ini dibentuklah tahanan sedemikian

rupa, sehingga praktis dan sangat mudah digunakan Hambatan semacam ini disebut resistor

II.3.1.1 Macam-Macam Resistor

Berdasarkan perubahan nilainya, resistor terbagi dua yaitu : 1. Resistor Tetap

Resistor tetap adalah resistor yang nilaiya tidak dapat diubah-ubah. Gambar resistor tetap pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Resistor Tetap 2. Resistor variabel

Resistor variabel adalah resistor yang nilainya dapat diubah-ubah. Gambar resistor variabel pada Gambar 2.5.

Contoh : Potensiometer

II.3.2. Dioda

Dioda adalah sebuah komponen pada elektronika yang terbuat dari bahan semi konduktor. Dioda artinya adalah dua elektroda yaitu anoda dan katoda.

Semi konduktor yang berlebihan elektron disebut dengan semi konduktor tipe N. Sementara semi konduktor yang kekurangan elektron disebut semi konduktor tipe P.

Apabila semi konduktor tipe P ditempelkan dengan semi koduktor tipe N, maka terjadilah sebuah dioda. Hasil penempelan kedua semi konduktor disebut dioda, karena mempunyai dua buah kaki.

- kaki sisi P disebut anoda - kaki sisi N disebut katoda.

Sambungan yang terjadi antara sisi P dan sisi N disebut sambungan PN.

II.3.2.1. Dioda Silikon

Dioda silikon mempunyai daya tahan yang tinggi terhadap arus listrik. Dioda ini digunakan pada sistem kendali. Dioda silikon ada yang sampai mampu menahan arus 5 ampere bahkan lebih. Jadi jika kita memberi tegangan muka yang tinggi maka dioda ini tidak mudah rusak.

Fungsi dioda silikon adalah :

- Sebagai penyearah arus DC, contohnya pada sumber daya adaptor. - Sebagai catu daya pada pesawat

Gambar 2.6. Dioda Silikon

II.3.3. Transistor

Transistor adalah sebuah komponen yang terbuat dari bahan semi konduktor.

Transistor berasal dari dua kata bahasa inggris, yaitu transfer yang berarti pemindahan atau pengubahan dan resistor yang berarti penahahn atau tahanan. Jadi transistor berarti pemindahan atau pengubahan tahanan.

Pada dasarnya transistor terdiri dari duah buah dioda , dimana dioda yang satu dengan yang lain dihubungkan. Penggabungan kedua dioda tersebut adalah pada sisi yang sama. Sisi positif dengan sisi positif dan sisi negatif dengan sisi negatif. Dengan cara penggabungan seperti disebutkan maka didapatkan dua jenis transistor yaitu :

- Transistor PNP - Transistor NPN

Dari sini dibuat dua kemungkinan yaitu : transistor PNP, dalam transistor ini disisipkan suatu lapisan N diantara sebuah lapisan P. Transistor NPN, dalam transistor ini disisipkan suatu lapisan tipis P diantara dua buah lapisan N.

Ketiga lapisan dari transistor tersebut disebut : emitter (E), base (B)

colector (C). Dapat dilihat simbol transistor pada Gambar 2.7 sebagai berikut :

C (P) C (N)

B (N) B (P)

E (P) E (N)

a). Transistor PNP b). Transistor NPN Gambar 2.7. Simbol Transistor

II.3.3.1. Transistor sebagai Saklar

Disamping sebagai penguat transistor sering juga digunakan sebagai saklar untuk pengontrolan arus kecil, medium atau arus besar dalam aplikasi-aplikasi suatu rangkaian. Pada Peralatan ini digunakan transistor sebagai saklar. Seperti pada Gambar 2.8 :

+V

_+V

C

C

B

B

+V

ON =

E

+V

+V

B

0 V OFF =

C

E

Saklar On Saklar Off Keterangan :

Gambar 2.8. Transistor sebagai Saklar

II.3.4. IC Opto Coupler

IC (Integrated Circuit) adalah rangkaian terpadu yang terdiri dari transistor, dioda dan resistor, yang dipadu sedemikian rupa untuk melaksanakan fungsi tertentu. Tujuan penggunaan IC adalah untuk mempermudah rangkaian.

Sebuah kopling elektronik opto (atau kopel secara optik) pada dasarnya terdiri dari transistor foto yang digunakan dalam satu paket.

Gambar 2.6 menunjukkan rangkaian dan susunan terminal untuk komponen tersebut yang menggunakan paket plastik. Rangkaian tersebut digunakan pada komponen sistem kendali.

Bila arus mengalir pada dioda, sinar yang dikeluarkan mengenai langsung transistor foto dan menyebabkan arus mengalir pada transistor. Kopling ini dapat bekerja sebagai saklar.

Saklar On - Basis lebih positif

daripada emiter - Arus kolektor pada

saturasi

- Beraksi seperti pada saklar tertutup

Saklar Off - Tegangan basis nol - Arus kolektor pada

cutoff

- Beraksi seperti saklar terbuka

4

1

2

3

6

5

4N25

Gambar 2.9. Rangkaian Opto Coupler

Bila ada pulsa melalui opto coupler akan menyebabkan transistor on selama panjang pulsa itu. Karena koplingnya secara optik, maka isolasi listrik antara terminal input dan output sangat besar.

II..3.5. Relai

Relai adalah saklar mekanik yang bekerja secara magnetik oleh daya listrik. Diantara keuntungan yang paling menonjol dari relai adalah kemampuannya memberikan isolasi listrik yang penuh antara rangkaian kumparan atau rangkaian bergerak disuatu pihak dengan rangkaian kontak atau penghubung pihak lain. Selain itu relai dapat mengontrol lebih dari satu rangkaian. Banyak jenis rangkaian yang mutlak memerlukan relai dan tidak dapat digantikan oleh penghubung lain.

Adapula relai yang dirancang secara khusus seperti relai koaksial, yaitu relai dengan pencadaran atau shielding yang dimaksudkan agar relai ini tidak mempengaruhi sinyal yang disaklarkan yang sangat peka terhadap gangguan dari luar.

Pada peralatan relai ini yang mendapat perhatian pertama yakni relai penghubung catu daya dan pembalik polaritas. Pemilihan relai ini berdasarkan beban yang akan disaklarkan, yaitu motor DC. Perlu diperhatikan bahwa motor tersebut merupakan beban induktif sehingga saat tegangan catu diputuskan maka putaran sisa akan menimbulkan tegangan yang melonjak yang dapat mengakibatkan bunga api pada relai dan dapat mengakibatkan kerusakan premature pada kontak relai.

Relai dua kutub mempunyai dua sel kotak yang terpisah masing-masing dari tipe pemindah hubungan dan digerakkan oleh jangkar dan batang isolator. Dalam beberapa rangkaian kadang diperlukan empat atau lebih kutub-kutub, untuk ini terdapat relai yang memiliki beberapa sel kontak yang terisolasi satu sama lainnya. Relai koaksial adalah tipe relai yang terutama digunakan untuk men-swicth rangkaian antena pada peralatan yang berfrekuensi tinggi, misalnya dari status penerimaan menjadi pemancar. Kini dapat diperoleh dipasaran berbagai macam tipe relai.

Pada peralatan ini digunakan jenis relai dua posisi. Relai dua posisi prinsipnya sama dengan saklar dua posisi. Bedanya hanya pada sistem mengoperasikannya. Kalau pada saklar pengoperasiannya manual semaentara pada relai, pengoperasiannya otomatis. Berikut gambar relai pada Gambar 2.10 :

Gambar 2.10. Bentuk Dari Relay

II.2.6. Saklar

Saklar listrik adalah suatu alat untuk membuka dan menutup suatu rangkaian listrik atau untuk memasukkan kembali suatu sinyal listrik kedalam suatu rangkaian listrik. Pada peralatan ini digunakan saklar dengan posisi membuka adalah ON, atau kerja (push-to-make), posisi menutup adalah OFF atau putus (push-to-brake). Berikut adalah gambar saklar pada Gambar 2.11 :

Dalam posisi ON, switch yang menutup mempunyai resistansi sangat kecil sekali, oleh karena itu arus maksimum bisa mengalir kepada beban dengan “Relai” yang secara praktis 0 volt. Dengan menutup saklar berarti kita mempunyai resistansi yang sangat besar sekali tidak terhingga, akibatnya tidak ada arus yang mengalir melalui rangkaian. Perlu diperhatikan bahwa saklar hanya berada pada suatu jalur saja, tetapi rangkaian keseluruhan akan terbuka bila saklar di OFF-kan.. Oleh sebab itu isolasinya harus cukup baik untuk menahan tegangan ini tanpa dapat menimbulkan bunga api.