Upload
2black0
View
74
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Sensor Suhu
Citation preview
PENGUKURAN TEMPERATUR
Elektronika Instrumentasi
Sensor & Tranducer
o Dalam Otomasi industri, pada setiap sistem mekatronika
selalu mempunyai beberapa sensor untuk mengukur
status dari variabel proses.
o Analogi antara sistem yang di kendalikan manusia dan
mesin adalah sbb:
Operator mengamati perilaku sistem, membuat
keputusan dan kemudian menggunakan kekuatan
ototnya untuk aksi pengendalian.
Sensors menggantikan mata untuk
pengamatan/observasi, Aktuator menggantikan kekuatan
otot, dan komputer menggantikan otak manusia.
Sensor dan Transducer
Sensor dan Transducer
SENSOR
o Digunakan untuk:
Inspeksi pekerjaan
Evaluasi kondisi proses yang sedang berlangsung.
Monitoring proses manufaktur.
Mengubah fenomena fisik menjadi isyarat yang dapat di
analisa untuk pengambilan keputusan.
Sensor dan Transducer
Sensor adalah perangkat atau komponen yang menghasilkan isyarat keluaran untuk tujuan men-sensor fenomena fisik.
Kadang disebut juga tranduser.
Sensor dan Transducer
SensorPerubahan
variabel fisik
Pasif
ΔR, ΔL, ΔC
TransducerPerubahan
variabel fisik
Isyarat aktif
ΔV atau ΔI
Transducer Sensing element + Tranduction Element
Mekanisme:
• Capacitive
• Inductive
• Resistive
• Piezoresistive
• etc.
Measurand:
• Displacement
• Position
• Velocity
• Temperature
• etc.
Pemilihan:
• Sensitivity
• Range
• Form factor
• Noise
• etc
Sensor dan Transducer
o Sensor Analog: Kontinyu, tak terinterupsi, urutan
kejadian tak terputus. Keluarannya proporsional terhadap
variable yang diukur. Memerlukan ADC
o Sensor Digital: Urutan kejadian diskrit yang terpisah
satu sama lain. Keluarannya berupa isyarat digital dan
tidak memerlukan converter.
o Sensor Aktif: Isyarat keluaran umumnya bersumber dari
catu daya yang terpisah, tak terinterupsi, urutan kejadian
tak terputus. Keluarannya proporsional terhadap variable
yang diukur.
o Sensor Pasif: Tanpa catu daya eksternal (self
generating). Misal: piezoelectric, thermoelectric and
radioactive.
Jenis-Jenis Sensor
o Sensor jenis defleksi: Keluaran proporsional dengan
penyimpangan. Misal: potensiometer
o Sensor jenis Null: Dengan membuat keseimbangan
sehingga kalau ada perubahan keseimbmangan akar
terdeteksi. Misal: Jembatan Wheatstone
o Sensor berdasar subjek pengukuran: Misal: akustik,
biologi, kimia, elektrik, magnetik, optik, mekanik, panas…
Jenis-Jenis Sensor
Contoh 2: Pengukuran kecepatan putar mesin
Tacho generator
PencacahSchmittrigger
Komputer
PenampilDigital
Kecepatan
sesungguh
nya
Sensing
Frekuensi
Frequency
Pengkondisi Isyarat
Pemrosesan Isyarat
Presentasi DataKecepatan terukur
Sensor dan Transducer
Pengukuran Suhu
Sensor Suhu
Salah satu variabel fisik yang penting
dalam proses kendali industri adalah
temperatur (Suhu)
Definisi Energi Termal
Benda-denda disekeliling kita tersusun dari
atom-atom
Ketika menerima energi mereka akan bergetar
(vibrate)
- bergetar teratur (@ equilibrium) zat padat
- bergetar dan berputar zat cair
- bergetar, berputar, dan bergerak bebas gas
Definition of Thermal energy
Thermal energy is the internal energy of an object due to the kinetic
energy of its atoms and/or molecules. The atoms and/or molecules of a
hotter object have greater kinetic energy than those of a colder one, in the
form of vibrational, rotational, or, in the case of a gas, translational motion.
Definisi Temperatur / Suhu
Temperatur adalah pengukuran energi
termal pada tiap molekul benda
(Joules/molecule).
Contoh: energi 10.000 J- Dalam sebuah gelas air
- Dalam sebuah tanki air
Skala Temperatur Absolut
Suhu nol absolut adalah untuk benda
yang tidak mempunyai energi termal.
- Dalam Kelvin (oK)
- Dalam skala Rankin (oR)
Pengubahan5
( ) ( )9
T K T R
•Suhu relatif terhadap referensi. Nol derajat
tidak berarti tanpa energi termal (misal 0oC
adalah suhu ketika air menjadi es)
•Pengubahan Celsius ke Kelvin
•Pengubahan Fahrenheit ke Rankine
( ) ( ) 273.15T C T K
( ) ( ) 459.6T F T R
Skala Temperatur Relatif
Skala Temperatur / Suhu
• Mengubah Celsius ke Fahrenheit, ada
penambahan/pengurangan 32 derajat
9( ) ( ) 32
5T F T C
Hubungan antara F dan C
• Energi termal rata-rata (WTH) dari sebuah
molekul dapat ditemukan dari suhu
absolut dalam Kelvin
• Dimana k = 1.38x10-23 J/K adalah
konstanta Boltzmann
3
2THW kT
Hubungan dengan Energi Termal
•Metal terdiri dari atom-atom.
•Energi thermal metal adalah akibat semua vibrasi
atom yang terjadi
•Pita energi pada metal terlihat seperti gambar di
bawah
•Valance band dan conduction band saling tumpang tindih
Suhu dan resitansi Metal
• Valance electron dapat berada di pita
konduksi dan bergerak bebas,
menghasilkan arus
• Ketika metal menerima energi, Atom
stasioner bergetar dan makin bergetar
• Conduction electron bertabrakan dengan
atom yang bergetar. Menghalangi arus
mengalir (Makin besar suhu makin besar
resistansi)
Suhu dan resitansi Metal
Grafik Suhu dan resitansi
Prakiraan Suhu dan resitansi
• Dapat dirumuskan sbb
dimana
0 0( ) ( ) 1R T R T T
0 0
0
0 0
( ) approximation of resistance at temperature T
( ) resistance at temperature
fractional change in resistance per degree of temperature at
R T
R T T
T T T
T
Prakiraan Suhu dan resitansi
12
12
0
0)(
1
TT
RR
TR
Contoh
Resistansi Vs Suhu dari metal mempunyai
nilai sbb:
Carilah perkiraan linier resistansi Vs Suhu
antara 60° dan 90° F
Sensor Suhu
JENIS SENSOR SUHU
THERMOCOUPLE
Adalah sensor suhu yang paling umum digunakan.
Terdiri dari dua penghantar yang disambungkan.
Tegangan keluaran proporsional terhadap suhu pada
sambungan.
Fenomena thermoelectric adalah hasil dari aliran listrik dan
panas yang simultan keluar dari sambungan.
THERMOCOUPLE
39
Dasar Thermocouple
Penyusunan seperti gambar di bawah
Sambungan TM tempat mengukur suhu
Sambungan TR adalah suhu referensi
Tegangan yang dihasilkan adalah fungsi dari (TM-TR)
SETTING THERMOCOUPLE
Classic Cold Junction
1. Mudah didapatkan suhu 0.
2. Tidak praktis perapannya.
3. Sulit menjaga suhu 0.
Cold Junction Compensation
Cold Junction Compensation (Better Connection)
Temperature Sensor TMP35
Monolithic Thermocouple Amplifier
Monolithic with Digital Out
THERMOCOUPLE
KARAKTERISTIK THERMOCOUPLE
RTD
• Sensor suhu berbasis perubahan
resistansi metal karena perubahan
temperatur
• Metal yang digunakan adalah
– Platinum (mahal)
– Nickel (lebih murah)
Resistance Temperature Detectors (RTD)
1. Lebih akurat dibandingkan termokopel
2. Daerah linear yang lebih lebar
3. Proses linearisasi yang simple
4. Arus eksitasi menimbulkan panas error
5. Low temp. coef memerlukan signal cond. yang baik
Resistance Temperature Detectors (RTD)
• Sensitivitas
– Nilai α0 adalah sensitivitas
– Ordenya 0.004/°C untuk platinum dan
0.005/°C untuk nickel
• Waktu tanggapan
– Karena lambatnya konduktivitas termal, waktu
tanggapannya 0.5 sampai dengan 5 detik
atau lebih
KARAKTERISTIK RTD
RTD (Pt100)
– RTD umumnya digunakan bersama rangkaian
jembatan
PENGKONDISI ISYARAT
– Karena RTD adalah resistan, ada disipasi
daya sebesar I2R pada divais (Self-heating)
– Dapat menyebabkan kesalahan pembacaan
(erroneous reading)
– Dissipation constant (PD) ada pada spek RTD.
• Daya untuk menaikkan Suhu RTD 10C
• Kenaikan suhu nya dapat dicari dengan
D
PT
P
temperature rise becuase of self-heating in C
power dissipated in the RTD from the circuit in W
dissipation constant of the RTD in W/ CD
T
P
P
Konstanta Disipasi
RTD CONNECTION ERROR
• Resistansi tembaga AWG 30 0,105Ω/ft
• Menghasilkan kesalahan 55OC
Four-Wire RTD Connection
• Mengeliminasi kesalahan karena kabel yang panjang.
• Piranti ukur DVM, InAmp
• Impedansi piranti ukur tinggi Akurasi tinggi
• Tidak terlalu sensitif terhadap panjang kabel (sense lead)
IC RTD CONNECTION
• Didorong (driven) dengan arus eksitasi 400µA
• Resistor ref 6.25kΩ 2.5V
• PGA (Programmable Gain Amplifier): 1 - 128
ADT70
• Menggunakan Pt RTD 1kΩ
• Menggunakan resistor referensi 1kΩ
• Tegangan keluaran 5mV/OC
• Range pengukuran -55OC - +800OC
THERMISTOR
• Berbeda dari RTD yang menggunakan
metal, Thermistor dibuat dari bahan
ceramic, polimer, atau semikonduktor
THERMISTOR
• Ada gap energy ΔWg diantara pita
• Ketika suhu bahan meningkat, valance
electrons memperoleh tambahan energi
hingga melampaui band gap
• Valence electrons bebas bergerak dan
mengahantarkan arus ketika suhu
meningkat
• Ketika arus meningkat, tahanan menurun
THERMISTOR
• Koefisien temperatur positif atau negatif
• Paling sensitif diantara ketiga sensor lain
• Paling tidak linear diantara ketiga sensor lain
• Sensitivitas tipikal: -44000ppm/OC
• Tidak memerlukan kompensasi kesalahan panjang kabel
KARAKTERISTIK THERMISTOR
KARAKTERISTIK THERMISTOR
• Terbatas untuk pengukuran beberapa ratus derajat
• Secara fisik lebih getas (fragile) dibandingkan RTD
• Sensitif terhadap self-heating error
• Rentang pengukuran terbatas karena ketidaklinearan
• Sensitivity
– Typically, 10% resistance change per 1 °C
• Construction
– Can be fabricated in discs, bead, and rods
KARAKTERISTIK THERMISTOR
• Response time
– Typically, 0.5 s
– For poor thermal contact, response time can
be 10 s
• Signal conditioning
– Bridge circuit
• Dissipation constants
– In milliwatts/°C
KARAKTERISTIK THERMISTOR
Bentuk Fisik
Linearisasi dengan Paralel
231
31312
2
2)(
TTT
TTTTT
RRR
RRRRRR
2
312
TTT
SEMICONDUCTOR
SEMICONDUCTOR
• Memberikan akurasi dan linearitas yang tinggi
• Rentang operasi sekitar -55OC - +150OC
• Dapat berguna untuk untai kompensasi cold-junction
Bentuk Fisik
Brocaw Cell
• Dengan mengatur R1,R2 dan N VBandgap = 1,205V
• Dapat dikemas dalam monolithic e.g. LM75
LM75
Sensor Temperature Keluaran Arus
• Typical fungsi transfer 1µA/OK
• High imdance current output
Sensor Temperature Keluaran Tegangan
Ratiometric Voltage Output Sensor