Pengukuran Suhu Efek Radiasi

Pengukuran Suhu Efek Radiasi

I.

Pendahuluan

Suhu adalah suatu sistem yang dapat diartikan sebagai suatu sifat yang menentukan bahwa sistem tersebut setimbang termal dengan sistem yang lainnya atau tidak. Jika dua buah sistem atau lebih berada pada kesetimbangan termal, maka sistem tersebut akan dikatakan mempunyai suhu yang sama. Pada dasarnya, suhu berkaitan erat dengan energi kinetik molekul senyawanya.

Suhu juga dapat didefinisikan sebagai kondisi dimana benda (potensial) yang menentukan suatu perpindahan kalor menuju ataupun dari benda yang lain. Secara bisa disebut tingkat atau derajat kepanasan atau derajat kedinginan. Suhu menunjukan derajat panas suatu benda. Mudahnya kita dapat menjelaskan bahwa semakin tinggi suhu suatu benda, semakin panas benda tersebut.

Secara mikroskopis suhu menunjukan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Setiap atom dalam suatu benda masing-masing bergerak, baik itu dalam bentuk perpindahan maupun gerakan di tempat berupa getaran. Semakin tinggi eneri atom-atom penyusun benda, semakin tinggi pula suhu benda tersebut. Suhu sering disebut juga dengan istilah temperatur. Dengan naiknya suatu suhu, maka kecepatan reaksinya akan besar, jadi konversinya akan besar pula.

Secara kualitatif, kita dapat mengetahui bahwa suhu adalah sensasi dingin atau panasnya suatu benda yang dirasakan ketika menyentuhnya. Jika ditinjau secara kuantitatif, kita dapat mengetahui dengan dengan menggunakan termometer. Kata termometer diambil dari dua kata yaitu thermo yang berarti panas dan meter yang artinya mengukur ( to measure ). Suhu dapat diukur menggunakan termometer yang berisi air raksa atau alkohol.

Pengukuran suhu dibagi menjadi dua yaitu metode kontak dan metode non-kontak. Pengukuran suhu dengan metode kontak salah satunya adalah dengan menggunakan termometer air raksa. Sedangkan, pengukuran suhu dengan metode non-kontak salah satunya adalah dengan memanfaatkan radiasi. Pada makalah ini akan dibahas pengukuran suhu dengan efek radiasi.

II.

Pembahasan

A. Radiasi

Radiasi dalam istilah fisika, pada dasarnya adalah suatu cara perambatan energi dari sumber energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium. Beberapa contohnya adalah perambatan panas, perambatan cahaya, dan perambatan gelombang radio. Selain radiasi, energi dapat juga dipindahkan dengan cara konduksi, kohesi, dan konveksi.

Secara garis besar radiasi digolongkan ke dalam radiasi pengion dan radiasi non-pengion.

Radiasi pengion adalah jenis radiasi yang dapat menyebabkan proses ionisasi (terbentuknya ion positif dan ion negatif) apabila berinteraksi dengan materi. Yang termasuk dalam jenis radiasi pengion adalah partikel alpha, partikel beta, sinar gamma, sinar-X dan neutron. Setiap jenis radiasi memiliki karakteristik khusus. Yang termasuk radiasi pengion adalah partikel alfa (α), partikel beta (β), sinar gamma (γ), sinar-X, partikel neutron.

Radiasi non-pengion (elektromagnetik) adalah jenis radiasi yang tidak akan menyebabkan efek ionisasi apabila berinteraksi dengan materi. Radiasi non-pengion tersebut berada di sekeliling kehidupan kita. Yang termasuk dalam jenis radiasi non-pengion antara lain adalah gelombang radio (yang membawa informasi dan hiburan melalui radio dan televisi); gelombang mikro (yang digunakan dalam microwave oven dan transmisi seluler handphone); sinar inframerah (yang memberikan energi dalam bentuk panas); cahaya tampak (yang bisa kita lihat); sinar ultraviolet (yang dipancarkan matahari).

Radiasi yang dihasilkan oleh suatu panas disebut Radiasi Termal. Definisi formal dari radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dari permukaan sebuah objek yang bergantung pada temperatur objek.

B. Radiasi Termal

Radiasi termal dihasilkan ketika energi panas dari partikel bermuatan yang bergerak dalam atom pada objek diubah menjadi radiasi elektromagnetik pada permukaan benda. Frekuensi dari gelombang yang dipancarkan radiasi termal adalah suatu kemungkinan yang hanya bergantung pada temperatur benda.

Hukum Kirchhoff tentang radiasi termal adalah pernyataan umum dalam menghitung emisi dan absorpsi objek yang dipanaskan. Hukum ini diajukan oleh Gustav Kirchhoff pada tahun 1859, dibuat berdasarkan hukum keseimbangan termodinamika.

Setiap permukaan suatu benda dapat memancarkan radiasi termal yang mempunyai spektrum intensitas bergantung pada suhu dan karakteristik permukaan benda tersebut. Karakteristik radiasi termal dari permukaan benda mengikuti hukum kuadrat terbalik dan hukum Stefan-Botlzman (Maddu, 2008).

Frekuensi gelombang yang dipancarkan radiasi termal mengikuti sebuah distribusi probabilitas yang bergantung hanya pada temperatur. Untuk sebuah benda hitam sempurna distribusi ini dinyatakan oleh hukum radiasi Planck. Hukum Wien menyatakan frekuensi yang paling mungkin dari radiasi yang dipancarkan, dan hukum Stefan-Boltzmann menyatakan intensitas panasnya.

Saat temperatur T > 0 K, semua objek akan mengalami radiasi gelombang elektromagnetik. Jika benda ini adalah benda hitam sempurna, benda itu akan memancarkan energi setara dengan energi yang diserapnya berdasarkan persamaan radiasi benda hitam. Secara umum, jika benda itu bukan benda hitam sempurna, maka akan meradiasikan sejumlah energi yang memiliki rasio berdasarkan benda hitam sempurna, yang disebut emisivitas. Objek yang berada pada kesetimbangan termal dengan radiasi lingkungan akan lebih banyak menyerap energi. Hal ini

menunjukkan bahwa benda hitam sebagai emiter penyerapan radiasi yang baik ( Blatt, 1992 )

Hukum Kirchhoff menyatakan bahwa pada keseimbangan termal, tingkat emisi suatu benda atau permukaan setara dengan jumlah penyerapannya. Penyerapan (absorptivitas) yang dimaksud adalah fraksi cahaya (atau energi) yang diserap suatu benda atau permukaan. Dalam bentuk yang lebih umum, energi ini harus diintegralkan berdasarkan semua jenis panjang gelombang cahaya dan sudut datang cahaya. Dalam beberapa kasus, tingkat emisi dan penyerapan hanya dapat didefinisikan berdasarkan panjang gelombang dan sudut datang tertentu.

Hukum Kirchhoff memiliki kesimpulan bahwa emisivitas tidak bisa melebihi jumlah energi yang diserap (berdasarkan hukum kekekalan energi), sehingga tidak mungkin suatu benda memancarkan energi radiasi yang lebih besar dibandingkan benda hitam sempurna pada kesetimbangan.

Energi yang diemisikan suatu benda berbeda dengan energi yang dipantulkan benda. Hukum Kirchhoff dinyatakan sebagai, “Pemantul energi yang buruk adalah pemancar energi yang baik. Namun, pemantul energi yang baik merupakan pemancar energi yang buruk”.

C. Emisivitas

Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan energi yang diradiasikan oleh benda hitam (black body) pada temperatur yang sama. Ini adalah ukuran dari kemampuan suatu benda untuk meradiasikan energi yang diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki emisivitas sama dengan 1 (e=1) sementara objek sesungguhnya memiliki emisivitas kurang dari satu. Emisivitas adalah satuan yang tidak berdimensi. Pada umumnya, semakin kasar dan hitam benda tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1.

Emisivitas bergantung pada faktor diantaranya temperatur, sudut elevasi emisi, dan panjang gelombang 9 lamda dan radiasi. Sering diasumsikan dalam dunia teknik bahwa emisivitas tidak bergantung pada panjang gelombang, sehingga emisivitas konstan. Hal ini dikenal dengan istilah "asumsi benda abu-abu".

Ketika menyinggung tentang permukaan benda yang tidak hitam, deviasi dari ciri khas benda hitam ditentukan oleh struktur geometri dan kompisisi kimia, dan mengikuti hukum Kirchoff tentang radiasi termal: emisivitas setara dengan rasio penyerapan energi (untuk benda pada equilibrium termal), sehingga objek yang tidak menyerap semua energi cahaya yang meradiasinya tidak akan meradiasikan energi yang sama banyak dengan benda hitam ideal.

Perpindahan panas secara radiasi terjadi tanpa adanya media yang menghubungkan antara pengirim radiasi (benda panas) ke penerima radiasi (benda tidak panas). Sebenarnya, semua benda yang suhunya di atas 0 K akan melepaskan panasnya secara radiasi ke benda di sekelilingnya, tinggal tergantung, benda mana yang paling panas, itulah yang akan menjadi pemberi radiasi panas, sementara yang lebih dingin akan menjadi penerima.

Karena semua benda diatas suhu oK meradiasikan panas, maka basis untuk melakukan penghitungan perpindahan panas secara radiasi adalah menggunakan suhu mutlak ( Kelvin).

Besarnya panas yang diradiasikan oleh suatu benda dirumuskan melalui hukum Stefan-Boltzmann.

Dimana A adalah luas permukaan radiasi, Ts adalah suhu mutlak permukaan benda yang mengemisikan panas secara radiasi. Konstanta Stefan-Boltzmann dinyatakan dengan huruf yunani sigma dan besarnya adalah:

Sementara, ℇ adalah emisivitas permukaan (emissivity) yang nilainya bervariasi antara 0 hingga 1. Benda dengan emisivitas 1 disebut dengan black body.

Pada kasus khusus, dimana sebuah benda (surface, s) dengan luas permukaan yang relatif kecil dibandingkan permukaan benda yang mengelilinginya (surrounding, surr), laju perpindahan panas radiasi dapat dirumuskan dengan:

III. Pengukuran Suhu Efek Radiasi

Pengukuran suhu dengan efek radiasi umumnya menggunakan pirometer.

Sebuah pirometer adalah perangkat non-kontak yang dapat digunakan untuk menentukan suhu dari permukaan benda.

Pirometer berasal dari Yunani kata untuk api, "πυρ" (Pyro), dan meter, yang berarti untuk mengukur. Pirometer pada awalnya diciptakan untuk menunjukkan suatu perangkat yang mampu mengukur suhu benda-benda di atas lampu pijar (yaitu benda terang untuk mata manusia).

Pengukuran suhu efek radiasi memiliki dua metode untuk mengukur radiasi, yaitu dengan pirometer optis (pirometer pita sempit) dan pirometer radiasi total. Pirometer optis digunakan untuk mengukur logam panas karena jika alat ini dikalibrasi dengan baik akan sangat sempurna mengukur temperatur logam diatas 1500 F (816C). Sedangkan pirometer radiasi total dapat digunakan untuk aplikasi – aplikasi dengan benda bergarak atau yang berada pada jarak jauh.

A. Pirometer Optis (Pirometer pita sempit)

Pirometer optis adalah sebuah instrumen pengukuran temperatur yang menggunakan prinsip radiasi benda panas. Pyrometer optis secara visual membandingkan tingkat kecerahan permukaan benda dengan referansi sebuah sumber radiasi tertentu. Benda referensi yang digunakan biasanya berupa filamen tungsten yang dipanaskan secara elektrik. Di dalam alat ini juga digunakan sebuah filter warna merah sehingga secara visual didapatkan gelombang tertentu yang dapat dikomparasi dengan titik referensi. Alat ini dapat menentukan temperatur permukaan benda dengan angka emisivitas ( ) 1,0.

Pirometer optik, lebih dikenal dengan nama dissapearing filament pyrometer, memanfaatkan sifat tampak (kasat mata) dari radiasi yang diemisikan oleh sebuah benda panas. Radiasinya terfokuskan pada sebuah filamen sehingga baik radiasi dan filamen dapat dilihat pada lensa mata (gambar 2.55). Filamen dipanaskan oleh arus listrik sampai filamen dan benda panas terlihat berwarna sama, gambar filamen lalu menghilang ke dalam latar belakang benda panas. Arus filamen dengan demikin adalah ukuran temperatur. Filter merah antara lensa mata dan filamen biasa digunakan untuk mempermudah penyesuaian warna filamen dan benda panas. Filter merah yang lain dapat memperluas jangkauan pengukuran instrumen.

Pirometer optik atau disappearing filament pyrometer memiliki jangkauan pengukuran sekitar 6000C sampai 30000C, akurasi pembacaan sekitar 0,5 %, dan tidak ada kontak langsung dengan benda panas. Dengan demikian instrumen ini dapat digunakan untuk aplikasi – aplikasi dengan benda bergerak atau yang berada pada jarak jauh.

Pyrometer optik sangat cocok digunakan untuk mengukur logam panas karena jika alat ini dikalibrasi dengan baik akan sangat sempurna mengukur temperatur logam diatas 1500F (816C). Sehingga alat ini sangat ideal untuk digunakan pada industri – industri yang melibatkan proses pemanasan logam seperti boiler, perlakuan panas untuk logam dan lain sebagainya. Ini dikarenakan sensor serat optik memiliki bahan isolasi elektrikal. Namun pyrometer ini tidak cocok jika digunakan untuk mengukur temperatur gas, karena gas panas tidak memancarkan radiasi secara kasat mata.

Kelas lain dari pyrometer tergantung dari variasi dalam pancaran energi radiasi monokromatik dengan temperatur. Piranti ini sering dinamakan sebagai pyrometer optis karena mereka biasa melibatkan panjang gelombang hanya pada bagian gelombang tampak dari spektrum. Kita mengetahui bahwa intensitas pada beberapa panjang gelombang tertentu adalah sebanding dengan temperatur. Apabila intensitas dari satu objek cocokdengan yang lain, maka temperaturnya adalah sama. Dalam pyrometer optis, intensitas dari filamen platinum yang dipanaskan akan berubah-ubah hingga menjadi cocok dengan objek yang akan ditentukan temperaturnya. Karena sekarang temperaturnya sama dan temperatur filamen dikalibrasikan terhadap seuatu setting panas, temperatur dari suatu objek dapat ditentukan.

Gambar 3 memperlihatkan sistem khusus untuk implementasi dari suatu pyrometer optis. Dalam gambar tersebut, sistem difokuskan pada objek yang akan diukur temperaturnya, dimana pem-filter-an dilakukan hanya pada panjang gelombang yang diinginkan, yang biasanya adalah merah. Pengamat juga melihat filamen platinum yang ditumpangkan pada citra dari objek. Pada pemanasan rendah filamen akan terlihat gelap terhadap latar belakang objek, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4a. pada saat filamen dipanaskan, akan muncul sebagai filamen yang terang terhadap latar belakang objek, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4c. Di suatu tempat dintara nya adalah titik pada saat kecerahan dari filamen dan objek yang diukur adalah cocok. Pada setting inim filamen tidak muncul dengan pembandingan latar belakang objek, dan temperatur objek dapat dibaca dari penghubung filamen pemanas.

Gambar 3.

Suatu pyrometer optis yang cocok dengan intensitas dari objek yang dipanaskan, filamen yang dikalibrasikan, biasanya sebagai panjang gelombang dalam merah

Jangkauan dari piranti pyrometer optis ditentukan dalam bagian akhir pada titik dimana objek menjadi cahaya tampak dalam merah (~500 K) dan secara jelas dibatasi oleh titik leleh dari platinum pada batas akhir (~3000 K). Akurasi adalah tipikal pada ±5 K hingga ±10K yang merupakan fungsi dari operator kesalahan (error) dalam penyesuaian intensitas dan koreksi emisivitas untuk objek. Piranti tersebut tidak mudah diadaptasikan untuk mengontrol proses, karena mereka membutuhkan perbandingan optis yang teliti, biasanya oleh operator manusia. Aplikasi-aplikasinya lebih menonjol dalam pengukuran spot dimana monitoring secara konstan atau kontrol temperatur tidak diperlukan.

B. Pirometer Radiasi Total

Pirometer radiasi (juga dikenal sebagai radiasi pyrometers) mengukur radiasi ini dalam rangka untuk menghitung suhu benda. Tingkat total radiasi emisi per detik diberikan oleh:

Gambar 4.

Contoh dari penampakan filamen selama

pengesetan pyrometer optis.

Bagan a. Filamen dipanaskan terlalu rendah

Bagan b. Panas filamen di-set tepat

Bagan c. Panas filamen terlalu tinggi

Pilihan metode terbaik mengukur radiasi yang dipancarkan tergantung pada suhu. Pada temperatur rendah, yang puncak dari fungsi kepadatan spektral daya terletak pada daerah inframerah kisaran (0,72-1.000 μm).

Logam panas memancarkan radiasi dengan nilai tertentu yang besarnya ditangkap oleh pyrometer jenis ini untuk menentukan temperatur logam tersebut. Pyrometer tipe ini memiliki tingkat sensitifitas yang tinggi, kepresisian, serta rentan pembacaan temperatur yang lebih lebar.

Alat ini sangat baik membaca temperatur logam 538oC. Satu kelebihan yang paling penting dari alat ini adalah tidak membutuhkan kontak langsung dengan material yang temperaturnya akan diukur dan pembacaan temperatur secara visual, sehingga ia dipasang di sebuah titik yang tidak terjangkau oleh pandangan manusia, seperti di dalam furnace boiler.

Instrumen ini mengukur jumlah radiasi yang diemisikan oleh sesuatu benda panas melalui sebuah elemen resistansi atau termofil (rangkaian beberapa termokopel).

Pirometer radiasi total memfokuskan radiasi dari benda panas ke dalam detektor radiasi. Gambar 7. menampilkan bentuk kasar dari sebuah instrumen yang menggunakan sebuah cermin untuk memfokuskan radiasi pada detektor. Beberapa bentuk instrumen yang lain menggunakan lensa untuk memfokuskan radiasinya.

Detektor pada umumnya berupa sebuah termofil dengan sambungan termokopel yang dapat mencapai 20 atau 30 buah, sebuah elemen resistansi, ataupun sebuah termistor. Detektor ini dikatakan sebagai sebuah detektor broad band karena dapat mendeteksi radiasi pada pita frekuensi lebar sehingga keluarannya merupakan penjumlahan dari daya yang diemisikan pada setiap panjang gelombangnya, serta berbanding lurus dengan pangkat empat temperaturnya (hukum stefan-boltzman). Akurasi dari pirometer radiasi total broadband biasanya sekitar 0,5% dengan rentang pengukuran antara 00C – 30000C. Konstanta waktu (ukuran seberapa cepat sistem bereaksi terhadap perubahan temperatur dan merupakan waktu yang diperlukan untuk mencapai sekitar 63% nilai akhir) untuk instrumen ini bervariasi antara 0,1 detik bagi detektor yang hanya tediri dari 1 termokopel atau termistor manik – manik kecil, hingga beberapa detik bagi detektor termofil yang melibattkan banyak termokopel. Beberapa instrumen menggunakan chopper (pemotong) mekanis berputar uuntuk memotong radiasi sebelum mengenai detektor. Tujuannya untuk memperoleh

keluaran detektor yang berubah – ubah mengingat penguatan sinyal akan lebih mudah jika tegangannya merupakan tegangan bolak – balik. Dengan demikian akan merupakan sebuah keuntungan apabila level radiasinya rendah. Akan tetapi chopper hanya dapat digunakan untuk detektor yang mempunyai konstanta waktu yang sangat kecil, sehingga cenderung digunakan untuk detektor, termistor berbentuk manik – manik kecil.

IV.

Tanya dan Jawab

Pertanyaan:

1. Apa saja aplikasi dari pirometer optik dan pirometer radiasi? 2. Apakah pirometer radiasi bisa mengukur suhu tubuh?

3. Mengapa pirometer optik tidak akurat bila terekspos oleh cahaya? 4. Apakah warna filamen filter dipengaruhi oleh suhu objek?

5. Faktor apa yang memengaruhi pengukuran suhu dengan pirometer optik hanya pada suhu 600 oC – 2000 oC?

6. Jarak maksimum dalam pengukuran pirometer radiasi?

7. Apakah dalam pengukuran suhu dengan pirometer radiasi dapat dipengaruhi oleh objek lain disekitarnya?

8. Apakah dalam pengukuran suhu efek radiasi dapat dipengaruhi oleh radiasi benda hitam?

Jawaban:

1. Pirometer optik dan radiasi biasanya digunakan pada pabrik, seperti pada furnace boiler. Dan Pirometer optik sangat baik untuk menguku suhu pada logam panas (dalam pembuatan logam).

2. Pirometer radiasi bisa mengukur tubuh, karena tubuh juga mengemisikan radiasi. Tetapi, pengukuran suhu tubuh dengan alat ini tidak baik, karena radiasinya dapat merusak tubuh.

3. Pirometer optik sangat sensitif terhadap cahaya. Jadi jika dalam mengukur suhu suatu objek, dan pirometer optik terekspos oleh maka hasilnya tidak akurat dikarenakan ada gangguan dari cahaya tersebut. Oleh karena itu alat ini tidak baik jika digunakan pada luar ruangan.

4. Ya, jika filamen filter (merah) akan berubah warna akibat menyerap radiasi yang diemisikan oleh objek yang diukur suhunya.

5. Pirometer optik menyerap radiasi infra merah yang dipancarkan objek.

Radiasi infra merah mencakup bagian terbatas dari spektrum elektromagnetik, yakni dari range cahaya tampak 0.78 µm sampai 14 µm yang berguna dalam pengukuran suhu. Diatas atau dibawah panjang gelombang ini level energi sangat rendah, dimana detektor tidak cukup peka untuk mendeteksi.

6. Jarak maksimum dalam pengukuran menggunakan pirometer yaitu relatif, karena semakin tinggi suhu suatu objek maka semakin besar radiasi yang dipancarkan, oleh karena itu jika pirometer dianggap dapat menyerap / memfokuskan radiasi dan dalam jarak yang aman maka itulah jarak maksimumnya.

7. Tidak, pirometer radiasi hanya fokus menyerap radiasi objek yang diukur. 8. Tidak, radiasi dari benda hitam (bukan objek yang diukur) tidak

mempengaruhi pengukuran benda yang diukur.

V.

Kesimpulan

Pengukuran suhu efek radiasi didasarkan pada suhu suatu benda yang dapat ditentukan melalui pengukuran radiasi termal benda itu. Instrumen yang digunakan yaitu pyrometer optik dan pyrometer radiasi. Pyrometry adalah salah satu teknik pengukuran suhu tanpa kontak fisik, tetapi suhu fluida dideteksi dengan mengukur radiasi elektromagnetik. Pada pyrometer optik lensa digunakan untuk menyatukan (focus) energi radiasi dari bodi, pada pyrometer radiasi total radiasi energi diterima oleh detector (thermocouple, thermophile), dan diteruskan ke recorder, sehingga suhu benda tersebut dapat dibaca suhunya.