Sensor-sensor Suhu

Jenis yang paling umum digunakan dari semua sensor adalah jenis sensor yang mendeteksi Suhu atau Temperatur atau Panas.

Jenis sensor suhu ini bervariasi dari perangkat termostatis ON / OFF sederhana yang mengontrol sistem pemanas air panas domestik hingga jenis semikonduktor yang sangat sensitif yang dapat mengontrol pabrik tungku kontrol proses yang kompleks.

Kita ingat dari mata pelajaran Fisika sekolah kita bahwa pergerakan molekul dan atom menghasilkan panas (energi kinetik) dan semakin besar pergerakannya, semakin banyak panas yang dihasilkan. Sensor Suhu mengukur jumlah energi panas atau bahkan rasa dingin yang dihasilkan oleh suatu objek atau sistem, memungkinkan kita untuk "merasakan" atau mendeteksi perubahan fisik pada suhu tersebut yang menghasilkan keluaran analog atau digital.

Ada banyak jenis Sensor Suhu yang tersedia dan semuanya memiliki karakteristik berbeda tergantung pada aplikasi sebenarnya. Sensor suhu terdiri dari dua tipe fisik dasar:

• Jenis Sensor Suhu Kontak - Jenis sensor suhu ini diperlukan untuk melakukan kontak fisik dengan objek yang sedang dirasakan dan menggunakan konduksi untuk memantau perubahan suhu. Mereka dapat digunakan untuk mendeteksi padatan, cairan atau gas pada berbagai suhu.

• Jenis Sensor Suhu Non-kontak - Jenis sensor suhu ini menggunakan konveksi dan radiasi untuk memantau perubahan suhu. Mereka dapat digunakan untuk mendeteksi cairan dan gas yang memancarkan energi radiasi saat panas naik dan dingin mengendap ke dasar dalam arus konveksi atau mendeteksi energi radiasi yang ditransmisikan dari suatu objek dalam bentuk radiasi infra merah (matahari).

Dua jenis dasar dari kontak atau bahkan sensor suhu non-kontak juga dapat dibagi menjadi tiga kelompok sensor berikut, Elektro-mekanis, Resistif dan Elektronik dan ketiga jenis tersebut dibahas di bawah ini.

Termostat

Termostat adalah sensor suhu elektro-mekanis kontak atau sakelar, yang pada dasarnya terdiri dari dua logam berbeda seperti nikel, tembaga, tungsten atau aluminium dll, yang disatukan untuk membentuk strip Bi-Metal atau Dua-Logam. Tingkat pemuaian linier yang berbeda dari dua logam yang berbeda menghasilkan gerakan tekukan mekanis saat strip dikenai panas.

Strip bi-metal dapat digunakan sendiri sebagai sakelar listrik atau sebagai cara mekanis untuk mengoperasikan sakelar listrik dalam kontrol termostatik dan digunakan secara ekstensif untuk mengontrol elemen pemanas air panas di boiler, tungku, tangki penyimpanan air panas serta di kendaraan sistem pendingin radiator.

Termostat Bi-Metal

Gambar 1

Termostat terdiri dari dua logam yang berbeda secara termal yang saling menempel satu sama lain. Ketika dingin kontak menutup dan arus melewati termostat. Ketika menjadi panas, satu logam mengembang atau memuai, menjadi lebih panjang dari yang lain dan strip bi-metal yang saling terikat akan melengkung ke atas (atau ke bawah) membuka kontak mencegah arus mengalir.

Gambar 2

Ada dua jenis utama strip bi-metal yang terutama didasarkan pada kecepatan pergerakannya saat mengalami perubahan suhu. Ada jenis "aksi-sekejap" atau "snap-action" yang menghasilkan jenis tindakan "ON / OFF" atau "OFF / ON" seketika pada kontak listrik pada titik suhu yang ditetapkan, dan jenis "aksi-merayap" atau "creep-action" yang lebih lambat yang secara bertahap mengubah posisinya saat suhu berubah.

Termostat jenis snap-action biasanya digunakan di rumah kita untuk mengontrol titik setel suhu oven, setrika, tangki air panas pencelupan, dan juga dapat ditemukan di dinding untuk mengontrol sistem pemanas rumah tangga.

Jenis creep-action umumnya terdiri dari kumparan bi-metal atau spiral yang perlahan-lahan terlepas atau menggulung seiring perubahan suhu. Umumnya, strip bi-metal jenis creeper lebih sensitif terhadap perubahan suhu daripada jenis standar ON / OFF snap karena strip lebih panjang dan tipis sehingga ideal untuk digunakan dalam pengukur suhu dan dial dll.

Meskipun sangat murah dan tersedia dalam rentang operasi yang luas, satu kelemahan utama dari termostat tipe snap-action standar saat digunakan sebagai sensor suhu, adalah bahwa termostat memiliki rentang histeresis yang besar dari saat kontak listrik terbuka hingga menutup kembali. Misalnya, mungkin disetel ke 20^oC tetapi mungkin tidak terbuka hingga 22^oC atau ditutup lagi hingga 18^oC.

Jadi kisaran ayunan suhu bisa sangat tinggi. Termostat bi-metal yang tersedia secara komersial untuk penggunaan di rumah memiliki sekrup penyetelan suhu yang memungkinkan titik setel suhu dan tingkat histeresis yang diinginkan lebih presisi untuk disetel sebelumnya.

Termistor

Thermistor adalah jenis sensor suhu lainnya, yang namanya merupakan kombinasi dari kata-kata THERM-ally sensitive res-ISTOR atau "resistor yang sensitif terhadap suhu". Termistor adalah jenis resistor khusus yang akan mengalami perubahan resistansinya atau hambatannya saat terkena perubahan suhu.

Gambar 3: Thermistor

Thermistor umumnya terbuat dari bahan keramik seperti oksida nikel, mangan atau kobalt yang dilapisi kaca yang membuatnya mudah rusak. Keuntungan utama Thermistor ini dibandingkan jenis snap-action adalah kecepatan responsnya terhadap setiap perubahan suhu, akurasi, dan pengulangan.

Sebagian besar jenis termistor memiliki Resistensi Koefisien Suhu Negatif atau NTC (Negative Temperature Coefficient), yaitu nilai resistansinya TURUN jika suhu naik. Tetapi ada beberapa yang memiliki Koefisien Suhu Positif, atau PTC (Positive Coefficient Temperature). Untuk yang jenis ini, resistansinya akan naik dengan naiknya suhu.

Termistor dibuat dari bahan semikonduktor jenis keramik menggunakan teknologi oksida logam seperti mangan, kobalt dan nikel, dll. Bahan semikonduktor umumnya dibentuk menjadi cakram tekan kecil atau bola yang ditutup rapat untuk memberikan respons yang relatif cepat terhadap setiap perubahan suhu .

Termistor dinilai berdasarkan nilai resistifnya pada suhu kamar (biasanya pada 25^oC), konstanta waktunya (waktu untuk bereaksi terhadap perubahan suhu) dan peringkat daya mereka sehubungan dengan arus yang mengalir melaluinya. Seperti resistor, termistor tersedia dengan nilai resistansi pada suhu kamar dari 10 MΩ hingga hanya beberapa Ohm, tetapi untuk tujuan penginderaan jenis dengan nilai dalam kilo-ohm umumnya digunakan.

Termistor adalah perangkat resistif pasif yang berarti kita perlu melewatkan arus yang melaluinya untuk menghasilkan keluaran tegangan yang dapat diukur. Kemudian termistor umumnya dihubungkan secara seri dengan resistor bias yang sesuai untuk membentuk jaringan pembagi potensial dan pilihan resistor memberikan keluaran tegangan pada beberapa titik atau nilai suhu yang telah ditentukan misalnya:

Contoh Sensor Suhu No1

Termistor berikut memiliki nilai resistansi 10KΩ pada 25^oC dan nilai resistansi 100Ω pada 100^oC. Hitung penurunan tegangan pada termistor dan karenanya tegangan outputnya (Vout) untuk kedua suhu ketika dihubungkan secara seri dengan resistor 1kΩ pada catu daya 12v.

Gambar 4

Pada 25^oC

Pada 100^oC

Dengan mengubah nilai resistor tetap R2 (dalam contoh kami 1kΩ) menjadi potensiometer atau preset, keluaran tegangan dapat diperoleh pada titik setel suhu yang telah ditentukan misalnya, keluaran 5v pada 60^oC dan dengan memvariasikan potensiometer tingkat tegangan keluaran tertentu dapat diperoleh pada rentang suhu yang lebih luas.

Namun perlu dicatat, bahwa termistor adalah perangkat non-linier dan nilai resistansi standarnya pada suhu kamar berbeda antara termistor yang berbeda, yang terutama disebabkan oleh bahan semikonduktor tempat mereka dibuat. Termistor, memiliki perubahan eksponensial dengan suhu dan oleh karena itu memiliki konstanta suhu Beta (β) yang dapat digunakan untuk menghitung resistansi untuk setiap titik suhu tertentu.

Namun, bila digunakan dengan resistor seri seperti pada jaringan pembagi tegangan atau pengaturan tipe Jembatan Wheatstone, arus yang diperoleh sebagai respons terhadap tegangan yang diterapkan pada jaringan pembagi / jembatan adalah linier dengan suhu. Kemudian, tegangan keluaran yang melintasi resistor menjadi linier dengan suhu.

Detektor Suhu Resistif (RTD).

Jenis lain dari sensor suhu hambatan listrik adalah Detektor Suhu Resistansi atau RTD (Resistive Temperature Detector). RTD adalah sensor suhu presisi yang dibuat dari logam konduktor dengan kemurnian tinggi seperti platina, tembaga, atau nikel yang dililitkan menjadi koil dan resistansi listriknya berubah karena fungsi suhu, mirip dengan termistor. Juga tersedia RTD film tipis. Perangkat ini memiliki lapisan tipis pasta platinum yang diendapkan ke substrat keramik putih.

Gambar 5: RTD

Detektor suhu resistif memiliki koefisien suhu positif (PTC) tetapi tidak seperti termistor, keluarannya sangat linier sehingga menghasilkan pengukuran suhu yang sangat akurat.

Namun sensitifitas termal sangat buruk, yaitu perubahan suhu hanya menghasilkan perubahan keluaran yang sangat kecil misalnya 1Ω / ^oC.

Jenis RTD yang lebih umum terbuat dari platina dan disebut Termometer Resistansi Platinum atau PRT dengan yang paling umum tersedia dari semuanya adalah sensor Pt100, yang memiliki nilai resistansi standar 100Ω pada 0^oC. Kelemahannya adalah Platinum itu mahal dan salah satu kelemahan utama dari perangkat jenis ini adalah biayanya.

Seperti termistor, RTD adalah perangkat resistif pasif dan dengan melewatkan arus konstan melalui sensor suhu dimungkinkan untuk mendapatkan tegangan keluaran yang meningkat secara linier dengan suhu. RTD tipikal memiliki resistansi dasar sekitar 100Ω pada 0oC, meningkat menjadi sekitar 140Ω pada 100^oC dengan kisaran suhu operasi antara -200^oC hingga + 600^oC.

Karena RTD adalah perangkat resistif, kita perlu melewatkan arus yang melewatinya dan memantau tegangan yang dihasilkan. Namun, setiap variasi resistansi karena panas sendiri dari kabel resistif saat arus mengalir melewatinya, I²R, (Hukum Ohm) menyebabkan kesalahan dalam pembacaan. Untuk menghindari hal ini, RTD biasanya dihubungkan ke jaringan Jembatan Wheatstone yang memiliki kabel penghubung tambahan untuk kompensasi timbal dan / atau koneksi ke sumber arus konstan.

Termokopel

Termokopel (Thermocouple) sejauh ini merupakan jenis yang paling umum digunakan dari semua jenis sensor suhu. Termokopel populer karena kesederhanaannya, kemudahan penggunaan dan kecepatan responsnya terhadap perubahan suhu, terutama karena ukurannya yang kecil. Termokopel juga memiliki kisaran suhu terluas dari semua sensor suhu dari di bawah -200^oC hingga lebih dari 2000^oC.

Termokopel adalah sensor termoelektrik yang pada dasarnya terdiri dari dua persimpangan logam yang berbeda, seperti tembaga dan konstantan yang dilas atau dikerutkan bersama. Satu persimpangan dijaga pada suhu konstan yang disebut persimpangan referensi (Dingin), sementara yang lainnya persimpangan pengukur (Panas). Ketika dua persimpangan berada pada suhu yang berbeda, tegangan dikembangkan melintasi persimpangan yang digunakan untuk mengukur sensor suhu seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Konstruksi Termokopel

Gambar 6

Prinsip pengoperasian termokopel sangat sederhana dan mendasar. Ketika menyatu, persimpangan dua logam yang berbeda seperti tembaga dan konstantan menghasilkan efek "termo-listrik" yang memberikan perbedaan potensial konstan hanya beberapa milivolt (mV) di antara keduanya. Perbedaan tegangan antara dua persimpangan disebut "efek Seebeck" karena gradien suhu dihasilkan di sepanjang kabel penghantar yang menghasilkan ggl. Kemudian tegangan keluaran dari termokopel merupakan fungsi dari perubahan suhu.

Jika kedua persimpangan berada pada suhu yang sama, beda potensial di kedua persimpangan adalah nol dengan kata lain, tidak ada output tegangan karena V1 = V2. Namun, ketika persimpangan terhubung di dalam rangkaian dan keduanya pada suhu yang berbeda, output tegangan akan terdeteksi relatif terhadap perbedaan suhu antara dua persimpangan, V1 - V2. Perbedaan tegangan ini akan meningkat dengan temperatur sampai tingkat tegangan puncak persimpangan tercapai dan ini ditentukan oleh karakteristik dari dua logam berbeda yang digunakan.

Termokopel dapat dibuat dari berbagai bahan berbeda yang memungkinkan pengukuran suhu ekstrem antara -200^oC hingga lebih dari + 2000^oC. Dengan banyaknya pilihan bahan dan kisaran suhu, standar yang diakui secara internasional telah dikembangkan lengkap dengan kode warna termokopel untuk memungkinkan pengguna memilih sensor termokopel yang tepat untuk aplikasi tertentu. Kode warna Inggris untuk termokopel standar diberikan di bawah ini.

Kode Warna Termokopel

Tiga bahan termokopel yang paling umum digunakan di atas untuk pengukuran suhu umum adalah Besi-Constantan (Tipe J), ​​Tembaga-Constantan (Tipe T), dan Nikel-Kromium (Tipe K). Tegangan keluaran dari termokopel sangat kecil, hanya beberapa milivolt (mV) untuk perubahan 10^oC dalam perbedaan suhu dan karena keluaran tegangan kecil ini beberapa bentuk penguatan umumnya diperlukan.

Penguat Untuk Termokopel

Gambar 7

Jenis penguat, baik diskrit maupun dalam bentuk Penguat Operasional perlu dipilih dengan cermat, karena kestabilan penyimpangan yang baik diperlukan untuk mencegah kalibrasi ulang termokopel pada interval yang sering. Hal ini membuat jenis penguat perajang dan instrumentasi lebih disukai untuk sebagian besar aplikasi penginderaan suhu.

Jenis Sensor Suhu lain yang tidak disebutkan di sini termasuk, Sensor Persimpangan Semikonduktor, Sensor Radiasi Infra-merah dan Termal, Termometer jenis Medis, Indikator, dan Tinta atau Pewarna Perubahan Warna.

Dalam artikel tentang "Jenis Sensor Suhu" ini, kita telah melihat beberapa contoh sensor yang dapat digunakan untuk mengukur perubahan suhu. Dalam tutorial selanjutnya kita akan melihat sensor yang digunakan untuk mengukur kuantitas cahaya, seperti Photodiodes, Phototransistors, Photovoltaic Cells dan Light Dependent Resistor.