BAB VII PERCOBAAN 6
KARAKTERISTIK SENSOR SUHU MENGGUNAKAN KONTROL PROPORSIONAL DENGAN SUMBER DC
7.1 Tujuan
1. Mengetahui karakteristik sensor termokopel, NTC, dan PTC.
2. Mengetahui pengaruh gain terhadap karakteristik sensor suhu dengan kontrol proporsional.
7.2 Dasar Teori
7.2.1 Sensor Termokopel
Gambar 7.1 Sensor termokopel
Sensor termokopel merupakan sebuah alat yang digunakan untuk mengukur suhu dengan cara mengubah perbedaan suhu menjadi sinyal listrik.
Sensor ini bekerja berdasarkan prinsip efek termoelektrik, yaitu terjadinya arus listrik ketika ada perbedaan suhu pada dua jenis logam yang berbeda.
Sensor termokopel bekerja berdasarkan prinsip efek Seebeck, yaitu perbedaan suhu antara dua titik yang berbeda pada sebuah konduktor akan menimbulkan perbedaan potensial listrik. Perbedaan potensial ini kemudian dapat diukur dan dikonversi menjadi besaran suhu. Sensor termokopel terdiri dari dua kawat logam berbeda yang digabungkan pada satu ujung dan diletakkan pada
sumber suhu yang ingin diukur. Suhu pada ujung lain dari kawat-kawat ini diukur dan dihitung berdasarkan perbedaan potensial listrik yang terjadi pada kedua kawat.
Sensor termokopel menghasilkan sinyal listrik yang dapat diukur oleh alat pengukur suhu seperti termometer digital atau recorder. Cara kerja sensor termokopel cukup sederhana, yaitu dengan menempatkan ujung sensor pada sumber suhu yang ingin diukur, kemudian membaca nilai suhu pada alat pengukur yang terhubung dengan sensor tersebut. Sensor termokopel memiliki berbagai manfaat, antara lain:
1. Dapat digunakan untuk mengukur suhu pada berbagai macam benda atau bahan.
2. Sangat akurat dan dapat mengukur suhu dalam rentang yang luas.
3. Tahan terhadap tekanan, getaran, dan lingkungan yang ekstrim.
4. Dapat digunakan dalam aplikasi industri yang berat seperti pada mesin-mesin atau pabrik-pabrik besar.
7.2.2 Sensor NTC
Gambar 7.2 Sensor NTC
Sensor NTC adalah sebuah sensor suhu yang resistansinya menurun ketika suhu naik. Sensor ini bekerja berdasarkan prinsip efek termistor, yaitu ketika suhu meningkat, resistansi semikonduktor dalam sensor tersebut menurun.
Sensor NTC terbuat dari semikonduktor seperti oksida logam seperti seng, kobalt, dan nikel. Semikonduktor ini memiliki sifat bahwa resistansinya akan menurun ketika suhu naik. Sensor NTC dirancang sedemikian rupa sehingga perubahan resistansi semikonduktor dapat diukur sebagai sinyal listrik. Semakin
besar perubahan resistansi, semakin besar pula sinyal listrik yang dihasilkan.
Sensor NTC menghasilkan sinyal listrik yang dapat diukur oleh alat pengukur suhu seperti termometer digital atau recorder. Cara kerja sensor NTC cukup sederhana, yaitu dengan menempatkan sensor pada sumber suhu yang ingin diukur, kemudian membaca nilai suhu pada alat pengukur yang terhubung dengan sensor tersebut. Sensor NTC memiliki berbagai manfaat, antara lain:
1. Dapat digunakan untuk mengukur suhu pada berbagai macam benda atau bahan.
2. Sangat sensitif terhadap perubahan suhu kecil.
3. Harga relatif murah dan mudah didapatkan.
4. Dapat digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan respon cepat terhadap perubahan suhu.
7.2.3 Sensor PTC
Gambar 7.3 Sensor PTC
Sensor PTC adalah sebuah sensor suhu yang resistansinya meningkat ketika suhu naik. Sensor ini bekerja berdasarkan prinsip efek termistor, yaitu ketika suhu meningkat, resistansi semikonduktor dalam sensor tersebut juga meningkat.
Sensor PTC terbuat dari semikonduktor seperti keramik yang memiliki sifat bahwa resistansinya akan meningkat ketika suhu naik. Sensor PTC dirancang sedemikian rupa sehingga perubahan resistansi semikonduktor dapat diukur sebagai sinyal listrik. Semakin besar perubahan resistansi, semakin besar pula sinyal listrik yang dihasilkan.
Sensor PTC menghasilkan sinyal listrik yang dapat diukur oleh alat pengukur suhu seperti termometer digital atau recorder. Cara kerja sensor PTC cukup sederhana, yaitu dengan menempatkan sensor pada sumber suhu yang ingin
diukur, kemudian membaca nilai suhu pada alat pengukur yang terhubung dengan sensor tersebut. Sensor PTC memiliki berbagai manfaat, antara lain:
1. Dapat digunakan untuk mengukur suhu pada berbagai macam benda atau bahan.
2. Sangat sensitif terhadap perubahan suhu kecil.
3. Mudah dioperasikan dan tidak memerlukan sumber daya listrik tambahan.
4. Dapat digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan keamanan seperti pada pengukur suhu pada peralatan listrik.
7.2.4 Kontrol Proporsional pada Plant Suhu
Gambar 7.4 Kontrol proporsional pada plant suhu
Kontrol Proporsional adalah teknik pengendalian suhu yang mengatur output peralatan pengendalian suhu dengan cara proporsional terhadap perbedaan antara nilai setpoint suhu yang diinginkan dan nilai aktual suhu yang diukur oleh sensor suhu.
Kontrol Proporsional mengatur output peralatan pengendalian suhu, seperti pemanas atau pendingin, dengan cara menyesuaikan proporsi antara jumlah energi yang dihasilkan oleh peralatan pengendalian suhu dan perbedaan antara setpoint suhu dan suhu aktual yang diukur oleh sensor suhu. Semakin besar perbedaan antara nilai setpoint suhu dan suhu aktual, semakin besar pula output peralatan pengendalian suhu yang dihasilkan.
Cara kerja kontrol proporsional pada plant suhu melibatkan sensor suhu yang mengukur suhu aktual pada plant suhu, serta pemanas atau pendingin yang mengatur suhu. Setelah sensor suhu mendeteksi perbedaan antara nilai set point suhu dan suhu aktual, kontroler suhu akan mengirimkan sinyal ke pemanas atau pendingin untuk mengatur suhu sesuai dengan perbedaan tersebut. Kontrol Proporsional pada plant suhu memiliki berbagai manfaat, antara lain:
1. Dapat mengoptimalkan kinerja plant suhu dengan menghindari perubahan suhu yang drastis.
2. Dapat mengurangi biaya energi dengan cara mengatur suhu dengan cara yang lebih efisien.
3. Dapat meningkatkan kualitas produk dengan mengatur suhu yang stabil dan konsisten.
4. Dapat mengurangi kesalahan manusia pada pengaturan suhu, karena kontroler suhu akan mengatur suhu secara otomatis.
7.3 Alat dan Bahan 1. Osiloskop
2. Catu Daya
3. Modul Plant Suhu 4. Kabel Jumper 5. Stopwatch
7.4 Langkah Kerja
Gambar 7.5 Rangkaian modul kontrol sensor suhu
1. Rangkai rangkaian modul kontrol sensor suhu sesuai gambar di atas.
2. Atur selektor PRESET DEV1 ke mode “PROP” dan PRESET DEV2 ke mode “INT”.
3. Nyalakan osiloskop dan atur untuk memperlihatkan sinyal Vrms.
4. Pada probe 1 osiloskop, hubungkan ujung probe negatif ke GND pada Power Supply, serta ujung probe positif ke pin REF pada Reference Generator.
5. Pada probe 2 osiloskop, hubungkan ujung probe negatif ke GND pada Power Supply, serta ujung probe positif ke pin OUT pada sensor suhu.
6. Atur potensiometer pada Reference Generator agar nilai Vrms menunjukkan nilai 2 Volt dan tunggu hingga nilai keluaran sensor stabil.
7. Atur gain ke nilai minimum (putaran penuh ke kiri).
8. Atur potensiometer pada Reference Generator agar nilai Vrms menunjukkan nilai 5 volt.
9. Hitung waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai stabil sesuai nilai referensi.
10. Amati grafik dan nilai tegangan yang ditampilkan di osiloskop.
11. Catatlah data yang dibutuhkan sebagaimana terdapat pada data percobaan.
12. Ulangi langkah dari poin 5 hingga 12 dengan pengaturan gain pada nilai maksimum (putaran penuh ke kanan)
7.5 Data Percobaan
Gambar 7.6 Karakteristik sensor TC dengan kontroler proporsional variasi gain minimum
Gambar 7.7 Karakteristik sensor TC dengan kontroler proporsional variasi gain maksimum
Gambar 7.8 Karakteristik sensor NTC dengan kontroler proporsional variasi gain minimum
Gambar 7.9 Karakteristik sensor NTC dengan kontroler proporsional variasi gain maksimum
Gambar 7.10 Karakteristik sensor PTC dengan kontroler proporsional variasi gain minimum
Gambar 7.11 Karakteristik sensor PTC dengan kontroler proporsional variasi gain maksimum
Tabel 7.1 Data percobaan karakteristik sensor suhu dengan kontroler proporsional
Sensor Gain Referensi
(V) Waktu (s) Overshoo t (%)
Final Value (V)
TC Min
2-5 528 2,56 3,12
Max 335 4,11 2,92
NTC Min
2-5 146 1,47 5,44
Max 176 1,38 5,76
PTC Min
2-5 390 1,6 4,96
Max 757 1,2 4,74
7.6 Analisis dan Pembahasan 7.6.1 Pengaruh Gain pada Sensor TC
Sensor TC (thermocouple) merupakan suatu jenis sensor suhu yang bekerja menggunakan efek termoelektrik. Sensor TC mengukur suhu dengan mengukur perbedaan potensial dua jenis logam yang berbeda yang terhubung dalam suatu rangkaian. Dalam pengukuran suhu menggunakan sensor TC diperlukan gain atau penguat sinyal agar menghasilkan pengukuran yang akurat. Dalam praktikum pengaruh gain pada sensor TC, digunakan rentang nilai referensi sebesar 2 V - 5 V untuk mengetahui pengaruh gain sensor TC terhadap hasil waktu, overshoot, dan nilai akhir (final value).
Gambar 7.12 Karakteristik sensor TC dengan kontroler proporsional variasi gain minimum
Berdasarkan gambar 7.12, ketika nilai gain sensor TC diatur minimal, waktu yang ditempuh untuk mencapai nilai akhir (final value) yaitu selama 528
detik. Nilai akhir saat nilai gain diatur minimal yaitu sebesar 3,12 V dengan nilai overshoot sebesar 2,56 %.
Gambar 7.13 Karakteristik sensor TC dengan kontroler proporsional variasi gain maksimum
Berdasarkan gambar di atas, ketika nilai gain sensor TC diatur maksimal, waktu yang ditempuh untuk mencapai nilai akhir (final value) yaitu selama 335 detik. Nilai akhir saat nilai gain diatur minimal yaitu sebesar 2,92 V dengan nilai overshoot sebesar 4,11 %.
Dengan demikian pada percobaan pengaruh gain terhadap sensor TC dapat disimpulkan bahwa semakin kecil nilai gain, maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir atau kestabilan. Namun, semakin besar nilai gain, maka semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir atau kestabilan. Nilai akhir saat gain diatur maksimal bernilai lebih kecil daripada nilai akhir saat gain diatur minimal. Selain itu, sensor TC saat gain diatur minimal menghasilkan nilai overshoot yang lebih kecil daripada saat gain sensor TC diatur maksimal.
Tabel 7.2 Data percobaan karakteristik sensor suhu TC dengan kontroler proporsional
Sensor Gain Referensi
(V) Waktu (s) Overshoo t (%)
Final Value (V)
TC Min 2-5 528 2,56 3,12
Max 335 4,11 2,92
7.6.2 Pengaruh Gain pada Sensor NTC
Sensor NTC (Negative Temperature Coefficient) merupakan suatu jenis sensor suhu yang bekerja menggunakan perubahan resistansinya terhadap perubahan suhu. Dalam pengukuran suhu menggunakan sensor NTC diperlukan gain atau penguat sinyal agar menghasilkan pengukuran yang akurat. Dalam praktikum pengaruh gain pada sensor NTC, digunakan rentang nilai referensi sebesar 2-5 V untuk mengetahui pengaruh gain sensor NTC terhadap hasil waktu, overshoot, dan nilai akhir (final value).
Gambar 7.14 Karakteristik sensor NTC dengan kontroler proporsional variasi gain minimum
Berdasarkan gambar di atas, ketika nilai gain sensor NTC diatur minimal, waktu yang ditempuh untuk mencapai nilai akhir (final value) yaitu selama 146 detik. Nilai akhir saat nilai gain diatur minimal yaitu sebesar 5,44 V dengan nilai overshoot sebesar 1,47 %.
Gambar 7.15 Karakteristik sensor NTC dengan kontroler proporsional variasi gain maksimum
Berdasarkan gambar di atas, ketika nilai gain sensor NTC diatur maksimal, waktu yang ditempuh untuk mencapai nilai akhir (final value) yaitu selama 176 detik. Nilai akhir saat nilai gain diatur minimal yaitu sebesar 5,76 V dengan nilai overshoot sebesar 1,38 %.
Dalam Percobaan pengaruh gain pada sensor NTC ini dapat disimpulkan bahwa semakin kecil nilai gain maka semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir atau kestabilan, sedangkan semakin besar nilai gain akan memperoleh semakin lamanya waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir atau kestabilan. Nilai akhir saat gain diatur maksimal bernilai lebih besar daripada nilai akhir saat gain diatur minimal. Selain itu, sensor NTC saat gain diatur minimal menghasilkan nilai overshoot yang lebih besar daripada saat gain sensor NTC diatur maksimal.
Tabel 7.3 Data percobaan karakteristik sensor suhu NTC dengan kontroler proporsional
Sensor Gain Referensi
(V) Waktu (s) Overshoo t (%)
Final Value (V)
NTC Min
2-5 146 1,47 5,44
Max 176 1,38 5,76
7.6.3 Pengaruh Gain pada Sensor PTC
Sensor PTC (Positive Temperature Coefficient) merupakan suatu jenis sensor suhu yang bekerja menggunakan perubahan resistansinya terhadap perubahan suhu. Dalam pengukuran suhu menggunakan sensor PTC diperlukan gain atau penguat sinyal agar menghasilkan pengukuran yang akurat. Dalam praktikum pengaruh gain pada sensor PTC, digunakan rentang nilai referensi sebesar 2-5 V untuk mengetahui pengaruh gain sensor PTC terhadap hasil waktu, overshoot, dan nilai akhir (final value).
Gambar 7.16 Karakteristik sensor PTC dengan kontroler proporsional variasi gain minimum
Berdasarkan gambar di atas, ketika nilai gain sensor PTC diatur minimal, waktu yang ditempuh untuk mencapai nilai akhir (final value) yaitu selama 390 detik. Nilai akhir saat nilai gain diatur minimal yaitu sebesar 4,96 V dengan nilai overshoot sebesar 1,6 %.
Gambar 7.17 Karakteristik sensor PTC dengan kontroler proporsional variasi gain maksimum
Berdasarkan gambar di atas, ketika nilai gain sensor PTC diatur maksimal, waktu yang ditempuh untuk mencapai nilai akhir (final value) yaitu selama 757 detik. Nilai akhir saat nilai gain diatur minimal yaitu sebesar 4,74 V dengan nilai overshoot sebesar 1,2 %.
Berdasarkan gambar 7.16 dan gambar 7.17 dapat disimpulkan bahwa semakin kecil nilai gain maka akan semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir atau kestabilan. Sedangkan, semakin besar nilai gain maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir atau kestabilan.
Nilai akhir saat gain diatur maksimal bernilai lebih kecil daripada nilai akhir saat gain diatur minimal. Selain itu, sensor PTC saat gain diatur minimal menghasilkan nilai overshoot yang lebih besar daripada saat gain sensor PTC diatur maksimal.
Tabel 7.3 Data percobaan karakteristik sensor suhu PTC dengan kontroler proporsional
Sensor Gain Referensi
(V) Waktu (s) Overshoo t (%)
Final Value (V)
PTC Min
2-5 390 1,6 4,96
Max 757 1,2 4,74
7.6.4 Karakteristik Sensor TC, NTC, dan PTC
Berdasarkan tiga percobaan di atas dengan menggunakan sensor TC, sensor NTC, dan sensor PTC dapat dihasilkan nilai waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kestabilan, nilai overshoot, dan nilai akhir (final value) dengan variasi
gain minimal dan gain maksimal dalam tabel sebagai berikut:
Tabel 7.4 Data percobaan karakteristik sensor suhu dengan kontroler proporsional
Sensor Gain Referensi
(V) Waktu (s) Overshoo t (%)
Final Value (V)
TC Min
2-5 528 2,56 3,12
Max 335 4,11 2,92
NTC Min
2-5 146 1,47 5,44
Max 176 1,38 5,76
PTC Min 2-5 390 1,6 4,96
Max 757 1,2 4,74
TC NTC PTC
0 100 200 300 400 500 600 700 800
528
146 335 390
176
757
Perbandingan Waktu Sensor TC, NTC, dan PTC
Gain Min Gain Max
Waktu (s)
Gambar 7.18 Diagram perbandingan waktu sensor TC, NTC, dan PTC
TC NTC PTC 0
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
2.56
1.47 1.6
4.11
1.38 1.2
Perbandingan Nilai Overshoot Sensor TC, NTC, dan PTC
Gain Min Gain Max
Overshoot (%)
Gambar 7.19 Diagram perbandingan nilai overshoot sensor TC, NTC, dan PTC
TC NTC PTC
0 1 2 3 4 5 6 7
3.12
5.44 4.96
2.92
5.76
4.74
Perbandingan Nilai Final Value Sensor TC, NTC, dan PTC
Gain Min Gain Max
Final Value (V)
Gambar 7.20 Diagram perbandingan nilai final value sensor TC, NTC, dan PTC
Berdasarkan tiga diagram batang di atas, dapat disimpulkan bahwa sensor TC memiliki karakteristik yaitu semakin besar nilai gain, maka semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir atau kestabilan. Sensor TC saat gain diatur minimal menghasilkan nilai overshoot yang lebih kecil daripada saat gain sensor TC diatur maksimal. Selain itu, nilai akhir saat gain diatur maksimal bernilai lebih kecil daripada nilai akhir saat gain diatur minimal.
Sementara pada sensor NTC memiliki karakteristik yaitu semakin besar nilai gain, maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir
atau kestabilan. Sensor NTC saat gain diatur minimal menghasilkan nilai overshoot yang lebih besar daripada saat gain sensor NTC diatur maksimal. Selain itu, nilai akhir saat gain diatur maksimal bernilai lebih besar daripada nilai akhir saat gain diatur minimal.
Terakhir, pada sensor PTC memiliki karakteristik yaitu semakin besar nilai gain, maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai akhir atau kestabilan. Sensor PTC saat gain diatur minimal menghasilkan nilai overshoot yang lebih besar daripada saat gain sensor PTC diatur maksimal. Selain itu, nilai akhir saat gain diatur maksimal bernilai lebih kecil daripada nilai akhir saat gain diatur minimal.
7.7 Kesimpulan
1. Dalam percobaan menggunakan sensor suhu TC dengan kontrol proporsional, variasi gain memiliki hubungan yang berbanding terbalik dengan waktu kestabilan sensor suhu, nilai overshoot, dan final value yang dihasilkan.
Dengan kata lain, variasi gain dan waktu kestabilan, overshoot, serta final value pada sensor suhu TC memiliki hubungan yang berbanding terbalik.
2. Penggunaan gain maksimum pada sensor TC mempercepat waktu mencapai final value, namun final value lebih rendah dibandingkan dengan penggunaan gain minimum dan tidak terdapat nilai overshoot.
3. Pada sensor suhu NTC, variasi gain berbanding lurus dengan waktu kestabilan, namun tidak mempengaruhi nilai overshoot dan final value.
4. Nilai overshoot pada sensor NTC berbanding terbalik dengan variasi nilai gain.
5. Pada sensor suhu PTC, variasi gain berbanding terbalik dengan waktu kestabilan dan nilai final value, namun berbanding terbalik dengan nilai overshoot.
6. Meskipun secara teori sensor TC membutuhkan waktu lebih singkat untuk mencapai kestabilan, pengamatan langsung menunjukkan perbedaan karena faktor-faktor tertentu.
7. Pada sensor TC, semakin tinggi nilai gain maka waktu mencapai set point semakin singkat dan final value semakin mendekati nilai set point, namun tidak ada perbedaan pada pengukuran parameter overshoot.
8. Sensor TC, NTC, dan PTC memiliki karakteristik yang berbeda dan perlu dipertimbangkan untuk kebutuhan aplikasi tertentu.
9. Pada sensor NTC, peningkatan nilai gain memperpanjang waktu mencapai set point namun final value semakin mendekati nilai set point, tanpa perbedaan pada parameter overshoot.
10. Pada sensor PTC, peningkatan nilai gain memperpendek waktu mencapai set point dan final value semakin mendekati nilai set point, serta kecenderungan nilai overshoot semakin kecil.