SENSOR THERMAL

Reference Sources

• Jacob Fraden• AIP Handbook of Modern Sensors, >2’nd Edition

• Ramon Pallas-Areny and John G. Webster• Sensors and Signal Conditioning, 2’nd Edition

• Thomas Petruzzellis• The Alarm, Sensor, & Security Cookbook

Auxilary References (signals)

• Ramon Pallas-Areny & John G. Webster• Analog Signal Processing

• Paul Horowitz & Winifield Hill• The Art of Electronics

• Don Lancaster• Active Filter Cookbook

Auxilary References

• Walt Jung• The OpAmp Cookbook

• John Brignell & Neil White• Intelligent Sensor Systems

• H.R. Everett• Sensors for Mobile Robots

Good Niche References

• Larry Baxter• Capacitive Sensors

• APC International• Piezoelectric Ceramics: Principles & Applications

• Anthony Lawrence• Modern Inertial Technology

• J.M. Rueger• Electronic Distance Measurement

Magazines

• Sensors Magazine - Free!• Circuit Cellar - Best EE-hacker magazine out• NASA Tech Briefs - Free!• Test and Measurement - Free!• IEEE Sensors Journal

Conferences• Sensors Expo

• Big trade show with turorials and proceedings• IEEE Sensors Conference

• Very large new state-of-the-art sensors conference• SPIE

• Old standby conference for sensors & applications• Transducers

• Emphasizes MEMs, but like IEEE Sensors• UIST

• ACM conference on user interface technology

Websites

• http://www.sensorsportal.com/• References, hints, sources

• http://www.sensorsmag.com/• Sensors Magazine site

• Buyers guide, Archive articles

• http://www.cs.indiana.edu/robotics/world.html• Robotics sites often list sensor vendors, hints

• http://www.billbuxton.com/InputSources.html• Bill Buxton’s encyclopedia on input devices

• Sistem pengisisan termometer (Filled System Thermometers)

• Tipe ini termasuk jenis yang paling tua, yang konstruksinya terdiri dari satu tabung gelas yang mempunyai pipa kapiler kecil yang berisi vacum dan cairan serta reservoir cairan dan cairan ini biasanya berupa air raksa. Perubahan panas menyebabkan perubahan ekspansi dari cairan atau dikenal temperature to volumetric change kemudian volumetric change to level secara simultan. Perubahan level ini menyatakan perubahan panas atau temperatur. Ketelitian jenis ini tergantung dari rancangan atau ketelitian tabung, juga penyekalanya.

9

Sensor Thermal Konvensional

Pemilihan Jenis Sensor Thermal• Level suhu maksimum dan minimum dari suatu substrat yang diukur.

• Jangkauan (range) maksimum pengukuran• Konduktivitas kalor dari substrat• Respon waktu perubahan suhu dari substrat• Linieritas sensor• Jangkauan temperatur kerja

Karakteristik Sensor Thermal

Sensor temperatur dwi logam

12

Jenis ini menggunakan logam untuk sensornya. Logam yang digunakan adalah 2 buah yang masing-masingnya mempunyai karakteristik titik leburnya yang berbeda.

Bila logam dipanaskan maka logam akan memuai atau bertambah panjang. Karea karakteristik pemuaian dari kedua jenis logam pada dwi logam berbeda, maka ujung yang bebas dari logam akan membengkok.

Penggunaan : thermostat electric toaster, foffe pot, dan setrika listrik. sistem pemutus rangkaian (circuit breaker)

-----======

Logam 1

Logam 2

Rumus Sensor BiMetal

Sensor Temperatur, Thermocouple

Thermocouple disusun dari dua jenis logam yang hampir sejenis dan bila dipanaskan akan menghasilkan thermal electromotive force ketika sambungan bahan mempunyai temperatur yang berbeda.

14

Sambungan pengukuran

thermocouple

+

-

Sambungan referensi

RS VVVout

Vs

+

-

Ujung dingin

Beda potensial yang terjadi pada kedua ujung logam yang berbeda panas jenisnya

Beda potensial pada Termokopel

Ujung panas

VR

Sensor thermocouple

Thermocoupel Koefisien Seebeck(uV/oC)

Sensitifitas DVM untuk 0.10C

(uV)EJKRST

62514077

40

6.25.14.00.70.74.0

15

Koefisien Seebeck dan sensitifitas DVM

Temperature Sensor Options• Resistance Temperature Detectors (RTDs)

• Platinum, Nickel, Copper metals are typically used• positive temperature coefficients

• Thermistors (“thermally sensitive resistor”)• formed from semiconductor materials, not metals

• often composite of a ceramic and a metallic oxide (Mn, Co, Cu or Fe)• typically have negative temperature coefficients

• Thermocouples• based on the Seebeck effect: dissimilar metals at diff. temps. signal

TEUM@2007

Cara membaca sensor Thermocouples

TEUM@2007

TEUM@2007

Rangkaian Aplikasi

Sensor RTD 21

Penemu : Seebeck yang kemudian dikembangkan oleh Sir William Siemens.

Prinsip kerja : sensor ini berdasarkan perubahan tahanan dari beberapa jenis logam apabila mendapatkan perubahan panas. Semua logam akan mengalami perubahan tahanan positif apabila terjadi perubahan temperatur yang positif.

Sensor temperatur RTD22

Bahan : untuk sensor ini antara lain platina, nikel, paduan nikel alloy, terutama tembaga karena mempunyai tahanan yang rendah dan perubahan tahanan yang linier

Nilai tahanan untuk RTD platina mempunyai jarak dari 10 sampai dengan 100 ohm untuk model bird gage. Standar koefisien temperatur kawat platina (DIN 43760) adalah = 0.00385. Untuk kawat 100 adalah 0.385/oC. Nilai ini adalah rata-rata dari 0oC sampai 100oC

Sensor temperatur thermistor23

Thermistor adalah juga resistor yang sensitif terhadap perubahan temperatur. Thermistor biasanya dibuat dari bahan semikonduktor. Thermistor umumnya mempunyai koefisien temperatur negatif (NTC), artinya apabila temperatur bertambah maka tahanannya akan berkurang, tetapi juga ada yang mempunyai koefisien temperatur positif (PTC).

VCC

Thermistror

NPNBC108

Sensor temperatur dengan IC

Tipe Range(0C) Penggunaan

LM135LM235LM335

-55 t 150

-40 t 125

-40 t 100

MiliterIndustri

Komersial

24

Sensor dengan Integrated Circuit (IC) tipe LM335 keluarannya 10 mV/0F dan sensor yang lain tipe AD592 arus keluarannya 1A/oK. IC tipe LM335 adalah sebagai zener diode yang sensitif terhadap temperatur.

3 tipe IC yang mempunyai jarak dan penggunaan yang berbeda-beda. Apabila mendapat pembiasan balik pada daerah breakdown, maka keluarannya adalah Vz = 2,73V + (10mV/oC) T

Sensor temperatur dengan IC

25

VOH = f(VOL)VOL = f(VOH)VM = f(VM)

Untuk menentukan ukuran batasan besarnya tahanan tergantung dari besarnya tegangan suplai pada zener diode dan tegangan pada temperatur nominal, yaitu: R(bias) = V(suplai) – V(nominal) Iz

Dalam manufaktur besarnya Iz = 1mABila nilainya adalah linier maka hal ini adalah penting, karena arus beban kecil maka dibandingkan dengan arus minimum yang melalui zener yaitu :

Vmak >> V(suplai) – V mak RL R(bias)

CONTOH

26

Jika rangkaian menggunakan IC LM335 yang mempunyai jarak –10 oC sampai dengan +50 oC pada temperatur nominal 20 oC, menggunakan catu daya +5V hitung tahanan beban minimum yang diperbolehkan.

Penyelesaian Pada temperatur nominal maka outputnya : Vz = 2,73 V + (10mV/0C) (20 oC) = 2,93 VTetapi, anode pada zener diode pada –2,73 V, maka tegangan keluarannya adalah :

Vout = Vz + V(offset) = (2,93 – 2,73) V = 200 mV

R(bias) = 5V – 0,2V = 4,8 K

1mADipilih harga R(bias) besarnya 4,7 K.Untuk menentukan nilai minimum harus ditentukan R(zero) pada I(bias), sehingga harus dipilih harga R(zero) << R(bias) dan dipilih R(zero) = 500.Untuk koreksi besarnya tahanan beban digunakan persamaan berikut :Vmak . R(bias) :

RL >> Vmak – R(bias ) V(supply) – Vmak

Vz = 2,73 + (10)(50) = 3,23V Vmak = 3,23V – 2,73V = 0,5V

RL >> (0,5V) x (4,7K) = 522 5V – 0.5V

Materi Tambahan Sensor Thermal2 Oktober 2012

RTD (Resistance Thermal Detector)

Spesifikasi RTD• RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator.

• Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina krn dapat menjangkau 1500 derajat.

• Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor

Konstruksi RTD dan Bentuk lainnya

Kabel keluaran

Kumparan kawat platina

Inti dari Quartz

Terminal sambungan

(a) Wire; (b) Ceramic Tube; (c) Thin Film

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel

1. Tidak diperlukan suhu referensi2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan

dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi.

3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel

4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah

5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.

Model Matematis Linier

Uji Coba Sensor RTD Cara percobaan sama dengan yang lalu dengan RL diganti dengan nilai 100 Ohm.

Menurut situs Livescience.com mengutip penulis Lifes Little Mysteries, gravitasi cenderung untuk menjaga molekul udara terkonsentrasi di dekat tanah. Jadi, atmosfer menipis ketika Anda naik. Udara menjadi sangat tipis pada ketinggian 10.000 kaki (3.000 meter).

Pada ketinggian 35.000 kaki (11.000 m), ketinggian umum dari jet komersial, tekanan udara turun menjadi kurang dari seperempat dari kondisi normal di atas permukaan laut, dan suhu luar turun di bawah minus 51 derajat Celcius, menurut The Engineering Toolbox. Jika jendela dibuka, maka dalam hitungan menit Anda akan mati menderita hipoksia atau kekurangan oksigen karena udara dalam pesawat menguap dan kondisinya setara dengan keadaan di luar pesawat.

Websites 

http://www.sensorsportal.com/References, hints, sources

http://www.sensorsmag.com/Sensors Magazine site

Buyers guide, Archive articleshttp://www.cs.indiana.edu/robotics/world.html

Robotics sites often list sensor vendors, hintshttp://www.billbuxton.com/InputSources.html

Bill Buxton’s encyclopedia on input devices

Aplication of SensorsRobot was created with the purpose of exploring: 1. Robotic hardware

technologies and mechanical components

2. Schematics and circuit solutions

3. Microcontrollers, sensors and other electronic components

4. Embedded software programming

5. Real-time intelligent processing algorithms