Rivaldo Andika Putra (1910951007): Sensor Fisika

[KEMBALI KE HALAMAN UTAMA]

Aplikasi Kipas Angin Otomatis

(Sensor Termocouple)

DAFTAR ISIS

1. Tujuan
2. Alat dan Bahan
2.1 Alat
2.2 Bahan
3. Dasar Teori
4. Percobaan
4.1. Prosedur Percobaan
4.2. Rangkaian Simulasi
4.3. Video
4.4. Download File

1. Tujuan [kembali]

Untuk mengetahui sensor Thermocouple dan pinsip kerjanya
Memahami aplikasi Thermocouple
Mampu merangkai dan mensimulasikannya

2. Alat dan bahan [kembali]

Alat yang digunakan pada rangkaian kipas angin otomatis kali sebagai berikut :

2.1 Alat [kembali]

2.1.1 Power Supply DC

Gambar 16. Power Supply

2.2.2 Voltmeter DC

Gambar 17. Voltmeter

22. Bahan [kembali]

2.2.1 TCB (Thermocouple)

Gambar 10. Thermocouple

2.2.2 Op07 ( non-inverting)

Gambar 11. Non Inverting

2.2.3 Resistor

Gambar 12. Resistor

2.2.4 Capasitor

Gambar 13. Kapasitor

2.2.5 1N5991B (dioda zener )

Gambar 14. Dioda Zener

2.2.6 Potensiometer

Gambar 15. Potensiometer

2.2.7 LED

Gambar 18. LED

3. Dasar Teori [kembali]

3.1 Thermocouple

Termokopel adalah jenis tranduser yang digunakan untuk mengubah besaran mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau pengendalian. Sensor sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau pengendalian.

Thermocouple merupakan sensor yang mengubah besaran suhu menjadi tegangan, dimana sensor ini dibuat dari sambungan dua bahan metallic yang berlainan jenis. Sambungan ini dikomposisikan dengan campuran kimia tertentu, sehingga dihasilkan beda potensial antar sambungan yang akan berubah terhadap suhu yang dideteksi.

Thermocouple didasarkan pada efek Seebeck, sebuah fenomena di mana tegangan yang sebanding dengan suhu dapat dihasilkan dari rangkaian yang terdiri dari dua kawat logam yang berbeda.

Tipe-tipe thermocouple

Gambar 1. Tipe-tipe Thermocouple

a. Thermocouple Tipe E

Bahan Logam Positif : Nickel Chromium

Bahan Logam Negatif : Constantan

Rentang Suhu : -200˚C sampai dengan 900˚C

b. Thermocouple Tipe J

Bahan Logam Positif : Iron (Besi)

Bahan Logam Negatif : Constantan

Rentang Suhu : 0˚C sampai dengan 750˚C

c. Thermocouple Tipe K

Bahan Logam Positif : Nickel Chromium

Bahan Logam Negatif : Nickel Aluminium

Rentang Suhu : -200˚C sampai dengan 1250˚C

d. Thermocouple Tipe N

Bahan Logam Positif : Nicrosil

Bahan Logam Negatif : Nisil

Rentang Suhu : 0˚C sampai dengan 1250˚C

e. Thermocouple Tipe T

Bahan Logam Positif : Copper (Tembaga)

Bahan Logam Negatif : Constantan

Rentang Suhu : -200˚C sampai dengan 350˚C

f. Thermocouple Tipe U

Bahan Logam Positif : Copper (Tembaga)

Bahan Logam Negatif : Copper Nickel

Rentang Suhu : 0˚C sampai dengan 1450˚C

Prinsip kerja :

Pada dasarnya Termokopel hanya terdiri dari dua kawat logam konduktor yang berbeda jenis dan digabungkan ujungnya. Satu jenis logam konduktor yang terdapat pada Termokopel akan berfungsi sebagai referensi dengan suhu konstan (tetap) sedangkan yang satunya lagi sebagai logam konduktor yang mendeteksi suhu panas.

Gambar 2. Prinsip Kerja Thermocouple

Rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi untuk mengolah sinyal dari transduser termokopel berupa tegangan yang cukup kecil menjadi tegangan yang lebih besar, sehingga output dari rangkaian ini dapat dibaca oleh untai Analog Digital Converter (ADC).

Prinsip kerja dari thermocouple menggunakan efek seebeck ( Efek Seebeck adalah konversi energi panas menjadi energi listrik).

Gambar 3. Efek seebeck

Berdasarkan Gambar diatas, ketika kedua persimpangan atau Junction memiliki suhu yang sama, maka beda potensial atau tegangan listrik yang melalui dua persimpangan tersebut adalah “0” atau V1 = V2. Akan tetapi, ketika persimpangan yang terhubung dalam rangkaian diberikan suhu panas atau dihubungkan ke obyek pengukuran, maka akan terjadi perbedaan suhu diantara dua persimpangan tersebut yang kemudian menghasilkan tegangan listrik yang nilainya sebanding dengan suhu panas yang diterimanya atau V1 – V2. Tegangan Listrik yang ditimbulkan ini pada umumnya sekitar 1 µV – 70µV pada tiap derajat Celcius,dan kemudian akan dikonversikan sesuai dengan reference table yang telah ada (table ini sesuai dengan tipe dari thermocoupe yang dipakai).

Efek Seebeck:

Sebuah rangkaian termokopel sederhana dibentuk oleh 2 buah penghantar yang berbeda jenis (besi dan konstantan), dililit bersama-sama. Salah satu ujung T merupakan measuring junction dan ujung yang lain sebagai reference junction. Reference junction dijaga pada suhu konstan 320F (00C atau 680F (200C). Bila ujung T dipanasi hingga terjadi perbedaan suhu terhadap ujung Tr, maka pada kedua ujung penghantar besi dan konstantan pada pangkal Tr terbangkit beda potensial (electro motive force/emf) sehingga mengalir arus listrik pada rangkaian tersebut.

Kombinasi jenis logam penghantar yang digunakan menentukan karakteristik linier suhu terhadap tegangan.

Tipe-tipe kombinasi logam penghantar thermokopel:

a. Tipe E (kromel-konstantan)

b. Tipe J (besi-konstantan)

c. Tipe K (kromel-alumel)

d. Tipe R-S (platinum-platinum rhodium)

e. Tipe T (tembaga-konstantan)

Tegangan keluaran emf (elektro motive force) thermokopel masih sangat rendah, hanya beberapa milivolt. Thermokopel bekerja berdasarkan perbedaan pengukuran. Oleh karena itu jika ukntuk mengukur suhu yang tidak diketahui, terlebih dulu harus diketahui tegangan Vc pada suhu referensi (reference temperature). Bila thermokopel digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi maka akan muncul tegangan sebesar Vh. Tegangan sesungguhnya adalah selisih antara Vc dan Vh yang disebut net voltage (Vnet).

Besarnya Vnet ditentukan dengan rumus:

Vnet = Vh - Vc

Keterangan :

Vnet = tegangan keluaran thermokopel

Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi

Vc = tegangan referensi

Gambar grafik tegangan terhadap suhu pada thermokopel tipe E, J, K dan R :

Gambar 4. Grafik tegangan terhadap suhu

Kelebihan dan Kekurangan Termokopel

Kelebihan :

· Mudah dibaca karena memiliki layar yang tidak mudah keruh dan skala yang jelas.

· Respon cepat untuk setiap perubahan suhu.

· Akurasi yang tepat dalam pengukuran suhu.

· Baik untuk pengukuran variasi suhu dengan jarak kurang dari 1cm.

· Tidak mudah rusak dan tahan lama.

Kekurangan :

· Hubungan temperature dan tegangan tidak linear penuh.

· Sensitivitas rendah, umumnya 50 μV/°C (28 μV/°F) atau lebih rendah (tegangan rendah rentan dengan noise.

· Accuracy pada umumnya tidak lebih baik dari pada 0.5 °C (0.9°F), tidak cukup tinggi untuk beberapa aplikasi.

· Memerlukan suatu acuan temperatur yang dikenal, umumnya temperature air es 0°C (32°F).

· Hanya dapat digunakan untuk mengukur perbedaan suhu.

· Kalibrasi yang sulit,saat thermocouples dinyalakan suhun yang tertera adalah suhu pada ruangan tersebut.

Aplikasi Termokopel

1. Pengukuran Temperatur Pada Pipa Aliran Fluida

Temperatur aliran fluida (cairan, gas, atau uap air) yang mengalir di dalam sebuah pipa dapat diukur thermocouple. Hal ini karena thermocouple dapat dipasang di sisi luar selongsong, selongsong tersebut ditanamkan masuk ke dalam pipa aliran fluida.

2. Pengukuran Temperatur Pada Pipa Boiler

Pada pengoperasian boiler, sangat penting bagi operator untuk mengontrol temperatur metal pipa boiler di setiap bagian. Bagian-bagian tersebut termasuk pipa dinding furnace yang didinginkan oleh air dan uap air pada temperatur saturasi, pipa economizer yang didinginkan oleh air pada temperatur di bawah titik saturasi, serta pipa-pipa superheater dan reheater yang didinginkan oleh uap air pada temperatur di atas titik saturasinya. Pengukuran temperatur-temperatur tersebut berfungsi untuk menjaga agar pipa-pipa boiler tetap bekerja pada temperatur amannya, mengetahui keseragaman temperatur pipa-pipa yang tersusun secara paralel, atau untuk mengetahui kenaikan temperatur fluida antara sisi inlet dengan sisi outlet pipa.

3. Pengukuran Temperatur Gas

Untuk mengukur temperatur dari gas sebenarnya tidaklah terlalu rumit, karena temperatur gas lebih mudah seragam dengan lingkungan sekitarnya. Permasalahan muncul jika temperatur lingkungan atau wadah dari gas tersebut berbeda dengan temperatur gas itu sendiri, salah satu contoh dari kasus ini adalah temperatur gas panas hasil pembakaran di dalam furnace boiler. Thermocouple ini difasilitasi dengan aliran air pendingin. Sensornya dilindungi dari pengaruh radiasi gas dengan menggunakan tabung porselen anti radiasi. Gas panas yang dialirkan pada sensor ini dijaga pada kecepatan aliran 20,34 kg/m2s oleh sebuah orifice. Temperatur perpindahan konveksi dari gas yang mengalir ke sensor ini sudah mencerminkan temperatur gas panas tersebut.

3.2 Op-Amp Non - Inverting

Gambar 5. OP - AMP

Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) merupakan penguat sinyal dengan karakteristik dasat sinyal output yang dikuatkan memiliki fasa yang sama dengan sinyal input. Rangkain penguat tak-membalik ini dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan sinyal inputnya.

3.3 Resistor

Resistor adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk menghambat atau membatasi aliran listrik yang mengalir dalam suatu rangkain elektronika.

Gambar 6. Resistor

Cara menghitung nilai resistansi resistor dengan gelang warna :

1. Masukan angka langsung dari kode warna gelang pertama.

2. Masukan angka langsung dari kode warna gelang kedua.

3. Masukan angka langsung dari kode warna gelang ketiga.

4. Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10^n), ini merupakan nilai toleransi dari resistor.

Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) merupakan penguat sinyal dengan karakteristik dasat sinyal output yang dikuatkan memiliki fasa yang sama dengan sinyal input. Penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) dapat dibangun menggunakan penguat operasional, karena penguat operasional memang didesain untuk penguat sinyal baik membalik ataupun tak membalik. Rangkain penguat tak-membalik ini dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan sinyal inputnya

Read more at: https://elektronika-dasar.web.id/penguat-tak-membalik-non-inverting-amplifier/
Copyright © Elektronika Dasar

Home » Pengujian » Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) Wednesday, January 2nd 2019. | Pengujian, Percobaan Mesothelioma Law Firm, Sell Annuity Payment Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) merupakan penguat sinyal dengan karakteristik dasat sinyal output yang dikuatkan memiliki fasa yang sama dengan sinyal input. Penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) dapat dibangun menggunakan penguat operasional, karena penguat operasional memang didesain untuk penguat sinyal baik membalik ataupun tak membalik. Rangkain penguat tak-membalik ini dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan sinyal inputnya

Read more at: https://elektronika-dasar.web.id/penguat-tak-membalik-non-inverting-amplifier/
Copyright © Elektronika Dasar

3.4 Kapasitor

Berfungsi untuk menghilangkan riak yang tersisa setelah gelombang disearahkan oleh diode bridge

Gambar 7. Kapasitor

3.5 Dioda Zener

Dioda Zener (Zener Diode) adalah Komponen Elektronika yang terbuat dari Semikonduktor dan merupakan jenis Dioda yang dirancang khusus untuk dapat beroperasi di rangkaian Reverse Bias (Bias Balik).

Gambar 8. Dioda Zener

3.6 Potensiometer

Gambar 9. Potensiometer

Potensiometer adalah sebuah jenis resistor yang mengatur sebuah tahanan atau hambatan secara linier atau Komponen resistif tiga kawat yang bertindak sebagai pembagi tegangan yang menghasilkan sinyal output tegangan variabel kontinu yang sebanding dengan posisi fisik wiper di sepanjang trek.

3.7 LED

LED dapat kita definisikan sebagai suatu komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor dan dapat memancarkan cahaya apabila arus listrik melewatinya.

LED (Ligth-Emitting Diode) memiliki fungsi utama dalam dunia elektronika sebagai indikator atau sinyal indikator atau lampu indikator.

4. Percobaan [kembali]

4.1 Prosedur Percobaan [kembali]

1) Siapkan semua alat dan bahan yang dibutuhkan.

2) Baca datasheet komponen sebelum dirangkai.

3) Tentukan nilai resistor pada rangkaian pengkondisian sinyal.

4) Pasang rangkaian pengkondisian sinyal pada rangkaian.

5) Hidupkan catu daya dan cek output rangkaian. Jika sudah benar pasang led pada rangkaian.

6) Hidupkan dan cek kembali apakah rangkaian sudah berjalan sesuai dengan ketentuan.

4.2 Rangkaian Simulasi [kembali]

Gambar 19. Rangkaian Thermocouple

Prinsip Kerja

Rangkaian signal conditioning terbagi dalam 3 blok fungsi:

a) Low pass Filter

Pertama termocouple akan diatur pada suhu tertentu. Termokopel yang terlalu panjang bisa menangkap sinyal liar layaknya sebuah antenna, karena output dari termokopel merupakan sinyal berfrekuensi rendah, perlu dipasang sebuah filter untuk menghilangkan sinyal frekuensi tinggi yang tidak lain adalah noise. R1, R3, C1, dan C2 adalah komponen penyusun low pass filter yang memiliki frekuensi cut off sekitar 3Hz. Diode zener D1 dan D2 digunakan untuk membatasi input yang masuk ke rangkaian. Resistor pull up 1MΩ berfungsi sebagai pengaman pada saat termokopel putus / tidak terhubung, karena saat termokopel tidak terhubung input rangkaian signal conditioning menjadi besar sehingga pemanas tidak akan menyala bila alat ini digunakan sebagai pengendali suhu.

b) Penguat tingkat I

Penguat Tingkat I adalah rangkaian non Inverting OP-AMP menggunakan IC OP 07. Alasan memilih penguat jenis non inverting dengan pertimbangan penguat non Inverting memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi dan impedansi keluaran yang rendah, selain itu sinyal input dari termokopel sebanding dengan kenaikan suhu. Didalam rangkaian ini terdapat 2 buah potensiometer. RV1 sebagai Zero adjustment, berfungsi untuk mengatur besar kecilnya tegangan offset keluaran. Tegangan offset adalah tegangan yang timbul pada keluaran saat nilai inputannya nol. Tegangan ini digunakan untuk menentukan suhu terendah yang bisa dibaca alat ukur ini. RV2 sebagai Gain Adjustment, berfungsi untuk mengatur besar penguatan pada tingkat ini, dengan menganggap tegangan offset = 0V

c) Penguat tingkat II

Penguat tingkat II juga menggunakan penguat Non Inverting sama seperti menguat tingkat I. Op Amp yang digunakan adalah Op 07 serta R7 dan R8 pengatur tegangan output. Maka setelah rangkaian dinyalakan dengan mengatur suhu termocouple sebesar 157 derjat, maka saat temperatur pada pipa boiler menyentuh suhu tersebut maka akan ditandai dengan hidupnya lampu led sebagai tanda peringatan.