PENGUKURAN TEMPERATUR
Definisi temperatur adalah sebagai derajat panas atau dingin suatu benda, berdasarkan skala yang diturunkan dari gejala fisika yang dapat diamati. Untuk keperluan engineering, temperatur adalah ukuran termopotensial dibandingkan dengan head tekanan atau tegangan listrik.
Dalam pengukuran temperatur diperlukan acuan sebagai harga dasar, titik acuan ini diperlukan secara umum untuk mendeteksi temperatur dipergunakan sifat termal lain dari suatu benda, misal sifat ekspansi termis. Karena harga koefisien ekspansi suatu bahan tidak selalu konstan untuk seluruh daerah temperatur, maka sensitifitas alat perlu untuk dikalibrasi untuk seluruh range pengukuran.
Titik dan beku beberapa bahan untuk acuan ukuran temperatur.
Acuan | Temperatur (0) |
Titik didih Hidrogen (H) Titik didih Netrogen (N) Titik didih beku Raksa (Hg) Titik beku Air (H2O) Titik didih Air (H2O) Titik didih Sulfur (S) Titik Cair perak (Ag) Titik Cair Emas (Au) | -252.78 -195,81 - 38,87 0 100 444,60 960,50 1063.00 |
Skala temperatur yang sering dipergunakan adalah deg Celsius (0C) dan deg Fahrenheid (0 F). Skala temperatur Celsius menggunakan acuan, titik beku dan titik uap air harga 00 dan 100 0C, secara berurutan, sedang skala Fahrenheid menggunakan acuan yang sama untuk harga 320 dan 212 0F.
Karena menggunakan acuan yang sama, maka darajat Celcius dan derajat Fahrenheig dapat saling dikonversikan:
0F = (9/5) X (0C+ 320) atau C = (5/9) X (0F-32).
Pada pengembangan akhirnya diketahui bahwa getaran molekul semua akan berhenti pada harga tertentu. Dalam hal ini teramati pada harga –273 0C merupakan temperatur terendah dicapai dari praktek. Temperatur –273 0C ini dipergunakan sebagai acuan oleh kalvin, disebut dengan –273 0K (Kalvin).
Temperatur Kalvin disebut dengan temperatur mutlak, dan 0K sering disebut temperatur absolut nol. Konversi antara temperatur kalvin dengan Celcius adalah 0K = 0C + 273,150
Lima scala untuk pengukuran temperatur
Nol Absolut | Titik Beku Air (H2O) | Titik didih Air (H2O) | KETERANGAN |
0 -273,160 -218,550 -459,690 00 | 273,160 00 00 320 491,690 | 373,150 1000 800 2120 6730 | Kalvin (0K) Celcius (0C) Reaumur (0R) Fahrenhet ( 0F ) Rankine ( 0R ) |
Sedangkan temperatur mutlak yang berdasarkan skala Fahrenhet adalah Rankine
0R = 0F + 459,690
Prinsip alat ukur Temperatur
Besaran temperatur tidak diukur secara langsung, Pengukuran temperatur selalu berdasarkan perobahan sifat fisis benda tertentu akibat pengaruh perobahan temperatur. Berbagai perobahan benda yang dipergunakan sebagai prinsip dasar suatu thermometer, Pada umumnya terdapat dua metode untuk pengukuran temperatur yaitu secara mekanik dan secara elektronik.
- Metode secara mekanik menggunakan sensor yang merespon terhadap perubahan temperatur dengan perubahan sifat-sifat mekanis misalnya deformasi dari bellow, diafragma atau elemen bourdon.
- Metode secara elektronik menggunakan sensor yang merespon terhadap perubahan temperatur dengan menghasilkan perubahan tahanan atau tegangan listrik.
Alat ukur Temperatur
Besaran temperatur tidak diukur secara langsung, ukuran temperatur selalu berdasarkan perubahan sifat fisis benda tertentu akibat perobahan temperatur, sebagai perubahan benda yang digunakan sebagai prinsip dasar suatu thermometer, antara lain :
1. Perubahan dimensi benda, misalnaya :
a. Thermometer cairan dalam buld (thermometer air raksa), dimana pengukuran berdasarkan prinsip volume dalam buld (memuai dan menyusut volume air raksa dalam buld) jika dihubungkan dengan medium tertentu yang ingin diketahui.
b. Thermometer bimetal, berdasarkan perbedaan koefisien ekspansi dua buah plat logam yang berbeda .
2. Perubahan tegangan listrik, berdasarkan perbedaan sifat thermoelekrik dua jenis bahan ( thermocouple).
3. Perubahan tahanan listrik dari suatu benda, thermo resistance ( PT-100).
4. Perubahan tekanan cairan dalam buld (pressure thermometer).
5. Perubahan frequensi resonasi pada kristal.
Thermometer fuida dalam bulb.
Thermometer fuida dalam buld bekerja berdasarkan :
1. Perubahan volume yang diakibatkan oleh perubahan tempertur, Cairan yang ada dalam buld ini dipergunakan untuk mengukur temperatur. Dimana pada umunya perubahan volume yang terjadi adalah cukup kecil, maka digunakan sistem reservoir pada pipa kapiler
2. Perobahan tekanan fluida, dimana tekanan fluida yang dideteksi oleh alat ukur tekanan, misalnya bellow dan tabung bordon.
a. Buld yang berisi cairan
b. Filled System Thermometers
Batas range pengukuran yang dipergunakan adalah, titik penguapan, titik didih, dan titik beku fluida. Tetapi koefisien ekspansi suatu fluida tidak selalu konstan di antara titik acuan tersebut, maka range pengukuran temperatur terbatas pada sifat ekspansi konstan.
Pengukuran temperatur sangat dipengaruhi oleh “Rise time” dan “settle time”. Rise time dan settling time adalah waktu yang diperlukan sehingga pengukuran sesuai dengan temperatur yang sebenarnya. Salah satu contoh, termometer air raksa membutuhkan waktu (settling time) 3 menit agar pengukuran sesuai dengan kondisi yang sebenarnya.
Hal ini disebabkan oleh kontak yang koefisien pemindahan kolor antara kaca buld dangan media yang diukur. Agar hasil pengukuran dapat diamati dengan cepat maka sensor temperatur diperlukan dimensi yang kecil.
a. Buld yang berisi dengan cairan.
Sensitivitas cairan dalam buld dapat diturunkan sebagai berikut.
Perobahan volume cairan à 
= V
= V V = volume cairan dalam buld
= koefisien ekspansi volume cairan= perubahan temperatur medium, jika perobahan di mulai dari temperatur 0, maka dapat dinyatakan sebagai temperatur medium (Ti).Perubahan volume akan ditampung oleh pipa capiller dan diamati sebagai kenaikan cairan dalam pipa kapiller (x).
| |||
| |||
Gambar-V.3 Termometer glass.
SAMA (Scientific Apparatur Manufactures Association) membagi filled system thermometer menjadi empat kelas, yaitu :
1. Sistim kelas I ,dengan fluida kerja cairan (tidak termasuk air raksa). Digunakan untuk pengukuran temperatur dari - 125 oF hingga 600 oF. Span minim 25 oF dan maximum 450 oF , serta orde kecepatan respon 5 - 10 detik. Skalanya uniform kecuali pada temperatur rendah.
2. Sistim kelas II , dengan fluida kerja berupa uap. Digunakan untuk mengukur temperatur dari - 430 oF hingga 600 oF, dengan span minimum 40 oF dan maksimum 300 oF. skalanya tidak uniform dan orde kecepatan responnya 5 - 10 detik.
3. Sistem kelas III, dengan fluida kerja gas. Digunakan untuk temperatur dari -400 oF hingga 1500 oF, dengan span minimum 180 oF dan maksimum 1000 oF. Skalanya uniform dan orde waktu responnya adalah 1 - 5 detik.
4. Sistem kelas IV, dengan fluida kerja air raksa. Digunakan untuk pengukuran temperatur dari -40 oF hingga 1000 oF. Skalanya uniform dan orde waktu responnya 4 - 5 detik.
b. Pressure thermometer
Alat ukur ini dipergunakan untuk pengukuran temperatur dimana tidak mungkin dipergunakan thermometer glass atau yang jauh dari sumber listrik, misalnya diladang pengeboran minyak.
Gambar-V.4 pressure thermometer
Termometer Bimetal
Termometer bimetal menggunakan prinsip bahwa logam akan memuai jika temperatur berubah. Dua buah pelat logam (bimetal) yang mempunyai koefisien muai yang berbeda digunakan pada termometer jenis ini, yang dipasang menjadi satu kesatuan. Adanya perubahan temperatur akan menimbulkan pemuaian yang berbeda pada pelat tersebut sehingga terjadi lengkungan.
Gambar-V.5 Termometer bimetel
Lihat gambar-3, Bila batang bimetel yang semula lurus pada temperatur To, akan melengkung jika temperaturnya naik menjadi T1, jari-jari lengkung adalah :
T [3 (1-m)2 +(1-mn){m2 + 1/(mn)}]
r = -------------------------------------------------
B(
A - 
B)(T2-T1)(1-m)2
A - B)(T2-T1)(1-m)2 Dimana :
r = Jari-jari lengkung terjadi
t = Tebal kedua pelat
m = Perbandingan pelat A dan pelat B
n = Perbandingan modulus eklastisitas bahan A dan bahan B
A = Koefisien bahan AB = Koefisien bahan B T0 = Temperatur sebelum pengukuran
T1 = Temperatur medium yang diukur
Untuk mendapat sensitivitas yang lebih besar, maka dipilih bahan A yang mempunyai ekspansi yang tinggi, bahan B ekspanpansi yang lebih rendah. Bahan logam yang sering digunakan adalah invar (campuran besi dan nickel) sebagai logam dengan koefisien muai yang lebih rendah dan kuningan atau nickel sebagai logam dengan koefisien muai yang lebih tinggi. Kuningan digunakan pada temperatur rendah sedangkan nickel digunakan pada temperatur tinggi. Bimetel selain digunakan sebagai alat ukur juga dipergunakan sebagai elemen control pada Sistim Control Temperatur (termostat) pada jenis kontrol on-off. Kontruksinya antara lain dalam bentuk : Spiral, bentuk U, waser, helical, helical ganda.
Termokopel
Prinsip kerja dari termokopel adalah didasarkan kepada pembngkitan tegangan listrik yang disebabkan adanya perbedaan temperatur antara kedua sambungan dari sepasang metal yang berbeda, yang secara matematis bisa dinyatakan oleh rumus :
E = μАВ ( Тs - Тr ).
Dimana :
µАВ = konstanta termoelectrik
Тs = temperatur sambungan pada bagian sensor
Тr = temperatur sambungan pada bagian referens
Bahan yang sering digunakan misalnya : Copper-Constantan (untuk range - 300 sampai 600 oF). Chromel - Alumel (Untuk range -300 sampai 2300 oF).
Pada sistem termocople ini bekerja tiga macam efek yang saling berhubungan yaitu:
a. Efek seeback, Jika temperatur dikedua juction berbeda, maka akan timbul arus listrik yang besarnya tergantung pada beda temperatur antara kedua juntion.
b. Efek Paltier, Bila pada termocople mengalir arus listrik, maka temperatur pada juntion akan berubah sesuai dengan arah aliran listrik. Temperatur pada juntion pertama dapat lebih tinggi dari temperatur medium dan temperatur pada juntion lain lebih rendah.
c. Efek tamson, jika arus listrik mengalir pada kedua kawat termokopel mempunyai gredien temperatur sepanjang kawat (ada aliran kolor), maka kalor akan dibangkitkan pada setiap titik dimana arah arus listrik sama dengan arah aliran kolor, dan kolor akan diserap pada arah sebaliknya.
Hukum – hukum termoelectrik, dapat dinyatakan sebagai berikut :
1. Tegangan termokopel pada temperatur juntion T1 dan T2 tidak dipengaruhi oleh temperatur di bagian lain dalam rangkaian, jika dua kawat logam yang digunakan homogen.
2. Jika kawat homogen ( C ) di pasang pada kawat A atau kawat B, sepanjang juntion baru mempunyai temperatur yang sama, maka tegangan pada rangkaian yang dihasilkan tidak berubah.
3. Jika kawat C dipasang pada juntion, sepanjang temperatur AC dan AB sama, maka tegangan pada rangkaian tidak berobah, sama seperti jika kawat C tidak dipasangkan gambar-4c).
4. Jika tegangan pada termokopel AC adalah EAC, teganagan pada termokopel BC adalah EBC, maka tegangan AB adalah EAB = EAC + EBC (gambar-7.4d).
5. Jika termokopel menghasilkan tegangan E1 pada temperatur juntion T1 , dan T2, dan E2 pada temperatur juntion T2 dan T3, maka tegangan pada temperatur juntion T1 dan T3 adalah E = E1 + E2 (gambar-7.4d).
Gambar-V.6 Hukum – hukum termoelectrik
Type termocople dan range pengukuran.
Type ISA | BAHAN | RANGE PENGUKURAN (0C) | |
POSITIF | NEGATIF | ||
E | CHROMEL | -300 s/d 1600 | |
J | IRON | -300 s/d 1400 | |
K | CHROMEL | ALUMEL | -300 s/d 2300 |
R | PLATINIUM 10% RHODIUM | PLATINIUM | -300 s/d 2700 |
S | PLATINIUM AND 13% RHADIUM | PLATINIUM | -300 s/d 2700 |
T | COPPER | -300 s/d 650 | |
Tabel-4 Emf termokopel (millivolt) dengan acuan temperatur 32 0F
Temperatur (0 C) | Type J | Type K | Type T |
-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 | -7,52 -5,76 -3,49 -0,89 1,94 4,91 7,94 11,03 14,12 17,18 20,26 23,32 26,40 29,52 32,72 36,01 39,43 42,96 46,53 - - - - - - - - - | - - - -0,6 1,52 3,82 6,09 8,31 10,57 12,86 15,18 17,53 19,89 22,26 24,63 26,98 29,82 31,65 33,93 36,19 38,43 40,62 42,78 44,91 47,00 49,05 51,05 53,01 | -5,284 -4,111 -2,559 -0,670 1,517 3.967 6,647 9,525 12,575 15,733 19,100 - - - - - - - - - - - - - - - - - |
Meskipun banyak bahan yang menunjukan efek termoelekrik, tetapi hanya beberapa bahan yang memenuhi syarat yang dapat dipergunakan sebagai termokopel, seperti :
1. Platinium– Radium
2. Chromel – Alumel
3. Copper – Constanta
4. Iron – Constanta
Sensitifitas (kepekaan) pengukuran dari masing-masing termocopel dapat dilihat pada tabel-5.
Tabler-V.5 Sensitivitas termokopel
Pengukuran Temperatur menggunakan
Tahanan Listrik.
Prinsip kerja berdasarkan perubahan harga tahanan listrik kawat sensor sebagai akibat perubahan temperatur. pada umumnya bila temperatur naik, maka harga tahanan listriknya pun naik pula. Dalam bentuk matematis hubungan antara harga tahanan dengan temperatur dinyatakan oleh rumus :
Rt = Ro ( 1+ ðt )
Dimana : Rt = tahanan listrik pada temperautr t°C ( ohm )
Ro = tahanan listrik pada temperautr 0°C ( ohm )