Pengukuran Temperatur

  • View
    129

  • Download
    21

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Pengukuran Teknik

Text of Pengukuran Temperatur

PENGUKURAN TEMPERATUR

56

PENGUKURAN TEMPERATUR

6.1.PendahuluanTemperatur digunakan untuk mengungkapkan keadaan suatu benda panas atau dingin. Dari prinsip ke dua termodinamika, kalor akan mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Pengukuran temperatur banyak digunakan dalam penelitian maupun dalam kehidupan sehari-hari.Pengukuran temperatur secara garis besar didasarkan oleh perubahan tekanan, volume, tahanan listrik, koefisien muai dari suatu bahan, timbulnya tegangan lisrik.

6.2.Skala suhu Skala suhu yang banyak digunakan adalah skala Fahrenheit (British) dan Celcius (metris), yang hubungan antara kedua skala tersebut adalah :oF = 9/5 OC + 32K = 0 C + 273 : suhu mutlak menurut SIo R = oF + 460: suhu mutlak menurut satuan British o R = 9/5 KSecara skematis, hubungan antara skala Fahrenheit dan skala Celsius ditunjukkan pada gambar 6.1

Gambar 6.1. Hubungan antara skala suhu Fahrenheit dan skala suhu Celsius6.3.Termometer gas idealSifat-sifat gas ideal pada tekanan rendah dapat digunakan sebagai dasar pengukuran suhu yang boleh digunakan sebagai standar eksperimental sekunder. Sifat yang dimaksud adalah bahwa tekanan gas akan berubah bila suhunya berubah berdasarkan persamaan :PV = mRT ................................................................................................(6-1)dengan V : volume yang diissi gas, m massa gas dan R konstanta gas. Garga R dapat dicari berdasarkan persamaan :R = R/M, dengan R adalah konstanta gas universal = 8314,5 J/kg.mol.KM : bobot molekul gas.Secara skematis, manometer gas ideal seperti pada gambar 6.2. Cara mengukur temperatur dengan cara ini adalah sbb :Tabung berisi gas dikenakan pada tempat yang diukur suhunya diukur ( misalkan T), dan dicatat tekanannya, misalkan pKemudian tabung gas tersebut ditempatkan di dalam suhu rujukan standar dan dicatat tekanannya.Misalkan suhu rujukan = Truj dan tekanannya = prujMenurut persamaan 6-1 untuk V dan m konstan, harga temperatur yang diukur adalah :

..........................................................................................(6-2)Misalkan sebagian gas dalam tabung dikurangi dan pengukuran T diulangi seperti prosedur sebelumnya, maka pada umumnya harga (p/pruj) hanya terjadi perbedaan yang kecil.Gambarkan kurva korelasi antara T dengan pruj dari beberapa pengukuran, kemudian lakukan ekstrapolasi ke tekanan nol, seperti pada gambar 6.3. Suhu yang sebenarnya adalah T pada pruj nol.

Gambar 6.2. Skema termometer gas ideal

Gambar 6.3. Hasil pengukuran dengan termometer gas ideal.

6.4.Termometer efek mekanisCara kerja termometer efek mekanis adalah perubahan dimensi zat akibat perubahan suhu. Yang termasuk termometer jenis ini antara lain termometer zat-cair-dalam-gelas, termometer bilah dwi-logam (bimetalic strip) dan termometer ekspansi fluida.

6.4.1.Termometer cairan-dalam-gelasTermometer jenis ini yang paling umum digunakan, karena harganya murah dan cara kerjanya paling sederhana, walaupun kecepatan pengukurannya lambat. Secara skematis, termometer jenis ini ditunjukkan pada gambar 6.4 Zat cair yang paling sering digunakan adalah alkohol dan air-raksa. Alkohol mempunyai koefisien muai yang lebih besar dari pada air-raksa, tetapi mudah mendidih, sehingga hanya digunakan pada suhu rendah. Air-raksa dapat digunakan pada suhu 37,8 oC hingga 600 0C, bahkan dapat diperluas sampai 538 0C dengan mengisi ruang dia atas air raksa dengan gas.

6.4.2.Termometer bilah dwi-logamTermometer jenis ini sangat luas pemakaiannya. Dasarnya adalah dua bilah logam yang berbeda koefisien muainya disatukan (gambar 6.5), bila dikenai suhu tinggi akan melengkung ke satu arah dan bila dikenai suhu di bawah suhu pengikatan maka akan melengkung ke arah yang berlawanan. Bahan-bahan yang lazim digunakan antara lain invar, kuningan, monel 400, inconel 702, baja anti-karat jenis 316.

Gambar 6.4. Skema termometer air raksa-dalam-gelas

Gambar 6.5. Bilah dwi-logam (bimetalic strip)

6.4.2.Termometer bilah dwi-logamTermometer jenis ini sangat luas pemakaiannya. Dasarnya adalah dua bilah logam yang berbeda koefisien muainya disatukan (gambar 6.5), bila dikenai suhu tinggi akan melengkung ke satu arah dan bila dikenai suhu di bawah suhu pengikatan maka akan melengkung ke arah yang berlawanan. Bahan-bahan yang lazim digunakan antara lain invar, kuningan, monel 400, inconel 702, baja anti-karat jenis 316.

6.4.3.Termometer ekspansi fluida Termometer ekspansi fluida adalah piranti yang sangat ekonomis, serbaguna dan secara luas dipakai dalam industri yang secara skematis ditunjukkan pada gambar 6.6. Cembul berisi zat cair dan uap/gas, dicelupkan ke lingkungan yang akan diukur temperaturnya. Cembul dihubungkan dengan manometer, dengan menggunakan pipa kapiler. Kenaikan temperatur menyebabkan zat cair memuai, sehingga tekanan gas/uap di atasnya naik. Tekanan yang diukur ini digunakan sebagai penunjuk temperatur. Pembacaan tekanan dapat pula menggunakan tranducer tekanan listrik untuk mendapatkan respon yang cepat.

Gambar 6.6. Skema termometer ekspansi fluida

Gambar 6.7. Skema rangkaian jembatan Wheatstone

6.5.Pengukuran Temperatur dengan Efek ListrikPengukuran dengan efek-listrik mempunyai beberapa keunggulan yaitu respon cepat, sinyal mudah dideteksi dan diperkuat, dan hasilnya cukup teliti.

6.5.1.Termometer tahanan-listrikDasar termometer tahanan listrik adalah bahwa tahanan listrik suatu bahan akan berubah bila temperaturnya berubah sesuai persamaan :..............................................................................(6-3)Dengan RT : tahanan pada suhu T, R0 : tahanan pada suhu referensi, T : temperatur, : koefisien suhu-tahanan yang harganya tergantung dari bahan tahanan. Besarnya tahan pada suhu tertentu digunakan sebagai penunjuk besaarnya temperatur. Untuk jangkauan suhu yang luas, tahanan biasanya diungkapkan dengan korelasi kwadratis :..............................................................................(6-4)dengan a dan b adalah konstanta yang ditentukan dengan eksperimen.Besarnya tahanan diukur dengan rangkaian jembatan yang caranya adalah seperti ditunjukkan pada gambar 6.7. Rx adalah tahanan yang diukur R1 tahanan yang dapat diubah-ubah. Bila pada galvanometer tidak ada arus, maka besarnya Rx dapat dicari dengan persamaan : .............................................................................................(6-5)Persoalan yang sering timbul adalah pengaruh tahan kawat penghubung. Untuk mengatasi hal ini, maka digunakan metode seperti pada gambar 6.8.

Gambar 6-8. Metode-metode korekksi tahanan kawat pada termometer tahanan listrik. (a) Susunan tiga-kawat Siemens, (2) susunan empat-kawat Callender, (c) susunan potensial mengapung. Hubungan daya dilakukan pada titik A dan B.

6.5.1.TermistorTermistor adalah piranti semikonduktor yang tahanannya mempunyai koefisien negatif, artinya semakin tinggi temperaturnya tahanannya semakin kecil. Hubungan antara tahanan dan temperaturnya adalah : ..............................................................(6-6)Hubungan antara suhu dengan resistivitas beberapa termistor ditunjukkan pada gambar 6-9.

Gambar 6-9. Resistivitas tiga bahan termistor dibandingkan dengan tahanan platina

Termistor merupakan piranti yang sangat peka dan dapat memberikan pengukuran yang teliti dengan tingkat ketelitian hingga 0,01 0 C.

6.5.2.Efek termoelektrikPengukutan temperatur dengan termoelektrik yang paling umum digunakan adalah termokopel. Dasar termokopel adalah bila dua logam yang berlainan disambungkan maka akan timbul tegangan listrik, yang besarnya tergantung dari temperatur persambungannya. Fenomena ini dinamakan efek Seebeck (gambar 6-10). Bila kedua bahan dihubungkan dengan rangkaian luar sedemikian sehingga arus mengalir, maka tegangan listrik yang timbul akan sedikit berubah, efek ini dinamakan efek Peltier. Bila ada selisih temperatur pada kedua bahan maka tegangan listrik yang timbul akan mengalami perubahan lagi, hal ini dinamakan efek Thomson.

Gambar 6-10. Sambungan dari dua logam yang bewrbeda menimbulkan efek termoelektrik.

Gambar 6-11. Pengaruh logam ke tiga dalam rangkaian termoelektrik.

Kaidah-kaidah untuk analisis termokopelBila logam ketiga dihubungkan dengan rangkaian, seperti pada gambar 6-11, maka tegangan tidak terpengaruh asalkan sambungan baru bertemperatur sama.Dari gambar 6-12; selisih temperatur pada kedua sambungan akan berpengaruh terhadap tegangan listrik yang timbul.

Gambar 6-12. Rangkaian-rangkaian yang menjelaskan hukum suhu antara

Rangkaian termokopel sederhana seperti pada gambar 6-13.

Gambar 6-13. Metode konvensional untuk memantapkan suhu referensi dalam rangkaian termokopel.

Gambar 6-14. Hubungan antara tegangan listrik yang timbul dengan temperatur untuk berbagai bahan termokopel.

Gambar 6-15. Rangkuman jangkauan operasi termokopel

6.6.Pengukuran suhu dengan radiasiSetiap benda panas akan memancarkan radiasi sinar. Panjang gelombang dan intensitas radiasi tergantung dari temperatur benda tersebut, seperti ditunjukkan pada gambar 6-16. Panjang gelombang akan menentukan warna sinar, warna yang akan nampak menunjukkan panjang gelombang yang memiliki intensitas terbesar. Dengan mengamati warna sinar yang dipancarkan maka akan diketahui suhu benda yang bersangkutan. Pengamatan warna dilakukan dengan cara membandingkan warna sinar yang dipancarkan dengan warna standar yang telah diketahui panjang gelombangnya. Dengan diketahuinya panjang gelombang maka temperatur sumber cahaya akan diketahui pula.

Gambar 6-16. Daya emisi benda-hitam untuk dua macam suhu.

Salah satu piranti pengukur temperatur yang menggunakan prinsip radiasi adalah pirometer optik, seperti pada gambar 6-17.

Gambar 6-17. Skema pirometer optikCara kerja pirometer opt