Sensor Suhu

Jenis sensor yang paling umum digunakan adalah jenis sensor yang mendeteksi suhu dingin atau panas. Jenis-jenis sensor suhu ini bervariasi dari perangkat termostat ON/OFF sederhana yang mengontrol sistem pemanas air panas domestik hingga jenis semikonduktor yang sangat sensitif yang dapat mengontrol proses perapian pabrik yang kompleks.

Kita ingat dari kelas sains sekolah kita bahwa pergerakan molekul dan atom menghasilkan panas (energi kinetik) dan semakin besar gerakannya, semakin banyak panas yang dihasilkan.

Sensor Suhu mengukur jumlah energi panas atau bahkan dingin yang dihasilkan oleh suatu objek atau sistem, memungkinkan kita untuk “merasakan” atau mendeteksi perubahan fisik pada suhu yang menghasilkan output analog atau digital.

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

Jenis Sensor Suhu Kontak – Jenis sensor suhu ini harus berada dalam 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 ketika panas naik dan dingin mengendap di bawah arus konveksi atau mendeteksi energi radiasi yang ditransmisikan dari 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, Elektromekanis, Resistif dan Elektronik dan ketiga jenis dibahas di bawah ini.

Termostat

Termostat adalah jenis kontak elektro-mekanis sensor suhu atau switch, yang pada dasarnya terdiri dari dua logam yang berbeda seperti nikel, tembaga, tungsten atau aluminium dll, yang terikat bersama untuk membentuk jalur Bi-logam. Laju ekspansi linier yang berbeda dari dua logam yang berbeda menghasilkan gerakan lentur mekanis ketika strip mengalami panas.

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

Termostat Bi-metal

Termostat terdiri dari dua logam yang berbeda secara panas yang saling menempel. Saat dingin, kontak ditutup dan arus mengalir melalui termostat. Ketika panas, satu logam meluas lebih dari yang lain dan strip bi-logam berikat membungkuk ke atas (atau ke bawah) membuka kontak yang mencegah arus mengalir.

Ada dua jenis utama strip bi-logam yang didasarkan terutama pada pergerakannya saat mengalami perubahan suhu. Ada tipe “snap-action” yang menghasilkan aksi instan “ON/OFF” atau “OFF/ON” pada kontak listrik pada titik suhu yang ditentukan, dan tipe “creep-action” yang lebih lambat yang secara bertahap mengubah posisi mereka karena suhu berubah.

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

Jenis Creeper umumnya terdiri dari kumparan bi-logam atau spiral yang perlahan-lahan mengendur atau menggulung saat suhu berubah. Umumnya, strip bi-metallic tipe creeper lebih sensitif terhadap perubahan suhu daripada tipe snap ON/OFF standar karena strip lebih panjang dan lebih tipis sehingga ideal untuk digunakan dalam pengukur suhu dan tombol dll.

Meskipun sangat murah dan tersedia dalam jangkauan operasi yang luas, satu kelemahan utama dari termostat tipe snap-action standar ketika digunakan sebagai sensor suhu, adalah bahwa mereka memiliki kisaran histerisis besar mulai dari saat kontak listrik terbuka hingga ketika mereka menutup kembali. Sebagai contoh, itu dapat diatur ke 20°C tetapi tidak dapat dibuka sampai 22°C atau tutup lagi hingga 18°C.

Jadi kisaran ayunan suhu bisa sangat tinggi. Termostat bi-logam yang tersedia secara komersial untuk penggunaan di rumah memang memiliki sekrup penyetel suhu yang memungkinkan titik setel suhu yang diinginkan dan tingkat histerisis yang diinginkan telah ditentukan sebelumnya.

Termistor

Termistor adalah jenis lain dari sensor suhu, yang namanya adalah kombinasi dari kata-kata THERM-ally sensitif res-ISTOR. Termistor adalah jenis resistor khusus yang mengubah ketahanan fisiknya ketika terkena perubahan suhu.

Termistor umumnya terbuat dari bahan keramik seperti oksida nikel, mangan atau kobalt dilapisi kaca yang membuatnya mudah rusak. Keuntungan utama mereka dibandingkan tipe snap-action adalah kecepatan respon mereka terhadap perubahan suhu, akurasi, dan pengulangan.

Sebagian besar jenis termistor memiliki Koefisien Suhu Negatif atau (NTC), yaitu nilai resistansi turun dengan peningkatan suhu, dan tentu saja ada beberapa yang memiliki Koefisien Suhu Positif, (PTC), di mana nilai resistansi naik dengan peningkatan suhu.

Termistor dibangun dari bahan semikonduktor tipe keramik menggunakan teknologi oksida logam seperti mangan, kobalt dan nikel, dll. Bahan semikonduktor umumnya dibentuk menjadi cakram atau bola yang ditekan kecil yang tertutup rapat untuk memberikan respons yang relatif cepat terhadap perubahan suhu.

Baca Juga

Termistor dinilai oleh nilai resistifnya pada suhu kamar (biasanya pada 25°C), konstanta waktu mereka (waktu untuk bereaksi terhadap perubahan suhu) dan peringkat daya mereka sehubungan dengan arus yang mengalir melalui mereka.

Seperti halnya Resistor, termistor tersedia dengan nilai resistansi pada suhu kamar dari 10MΩ menjadi hanya beberapa Ohm, tetapi untuk tujuan penginderaan, tipe-tipe dengan nilai dalam kilo-ohm umumnya digunakan.

Termistor adalah perangkat resistif pasif yang berarti kita harus melewatkan arus untuk menghasilkan output tegangan yang dapat diukur. Kemudian thermistor umumnya dihubungkan secara seri dengan resistor biasing yang sesuai untuk membentuk jaringan Pembagi Potensial dan pilihan resistor memberikan output tegangan pada beberapa titik atau nilai suhu yang telah ditentukan misalnya:

Contoh Sensor Suhu No.1

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

Pada 25°C

Pada 100°C

Dengan mengubah nilai resistor tetap R2 (dalam contoh 1kΩ kami) menjadi potensiometer atau preset, output tegangan dapat diperoleh pada titik pengaturan suhu yang telah ditentukan misalnya, output 5v pada 60°C dan dengan memvariasikan potensiometer, tegangan output tertentu level dapat diperoleh pada rentang suhu yang lebih luas.

Namun perlu dicatat, bahwa termistor adalah perangkat non-linear 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 karena itu memiliki suhu konstan Beta ( β ) yang dapat digunakan untuk menghitung resistansi (ketahanan) untuk setiap titik suhu tertentu.

Namun, ketika digunakan dengan Resistor Seri seperti pada jaringan pembagi tegangan atau pengaturan jenis Jembatan Wheatstone, arus yang diperoleh sebagai respons terhadap tegangan yang diterapkan pada jaringan pembagi/jembatan adalah linier dengan suhu. Kemudian, tegangan output melintasi resistor menjadi linier dengan suhu.

Detektor Suhu Resistif (RTD)

Jenis lain dari sensor suhu hambatan listrik adalah Resistance Temperatur Detector atau RTD. RTD adalah sensor suhu presisi yang terbuat dari logam konduksi dengan kemurnian tinggi seperti platinum, tembaga, atau gulungan nikel menjadi coil dan yang hambatan listriknya berubah sebagai fungsi temperatur, mirip dengan termistor.

Juga tersedia RTD film tipis. Perangkat ini memiliki lapisan tipis pasta platinum yang diendapkan ke substrat keramik putih.

Detektor suhu resistif memiliki koefisien suhu positif (PTC) tetapi tidak seperti termistor, outputnya sangat linier sehingga menghasilkan pengukuran suhu yang sangat akurat. Namun, mereka memiliki sensitivitas panas yang sangat buruk, yaitu perubahan suhu hanya menghasilkan perubahan output yang sangat kecil misalnya, 1Ω/°C.

Jenis RTD yang lebih umum terbuat dari platinum dan disebut Platinum Resistance Thermometer atau PRT dengan sensor Pt100 yang paling umum tersedia, yang memiliki nilai resistansi standar 100Ω pada 0°C. Kelemahannya adalah Platinum 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 output yang meningkat secara linear dengan suhu.

Tipikal RTD memiliki resistansi dasar sekitar 100Ω pada 0°C, meningkat menjadi sekitar 140Ω pada 100°C dengan kisaran suhu operasi antara -200 hingga +600°C.

Karena RTD adalah perangkat resistif, kita perlu melewatkan arus melalui mereka dan memantau tegangan yang dihasilkan. Namun, setiap variasi dalam resistansi karena panas sendiri dari kabel resistif ketika arus mengalir melalui itu, I²R, (Hukum Ohm) menyebabkan kesalahan dalam pembacaan.

Untuk menghindari hal ini, RTD biasanya terhubung ke jaringan Jembatan Wheatstone yang memiliki kabel penghubung tambahan untuk kompensasi timbal dan/atau koneksi ke sumber arus konstan.

Termokopel

Thermocouple adalah 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°C hingga lebih dari 2000°C.

Termokopel adalah sensor termoelektrik yang pada dasarnya terdiri dari dua persimpangan logam yang berbeda, seperti tembaga dan konstanta yang dilas atau dikerutkan menjadi satu. Satu persimpangan disimpan pada suhu konstan yang disebut persimpangan referensi (Dingin), sementara yang lainnya persimpangan (Panas).

Ketika dua persimpangan berada pada suhu yang berbeda, tegangan dikembangkan di persimpangan yang digunakan untuk mengukur sensor suhu seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Konstruksi Termokopel

Prinsip pengoperasian termokopel sangat sederhana dan mendasar. Ketika menyatu bersama persimpangan dua logam berbeda seperti tembaga dan konstantan menghasilkan efek “termo-listrik” yang memberikan perbedaan potensial konstan hanya beberapa milivolt (mV) di antara mereka.

Perbedaan tegangan atau potensial antara dua persimpangan disebut “effect Seebeck” karena gradien suhu dihasilkan di sepanjang kabel penghantar yang menghasilkan ggl. Kemudian tegangan output dari termokopel adalah fungsi dari perubahan suhu.

Jika kedua persimpangan pada suhu yang sama perbedaan potensial di kedua persimpangan adalah nol dengan kata lain, tidak ada output tegangan seperti V₁ = V₂.

Namun, ketika persimpangan terhubung dalam suatu 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 suhu sampai level puncak tegangan persimpangan tercapai dan ini ditentukan oleh karakteristik dari dua logam berbeda yang digunakan.

Termokopel dapat dibuat dari berbagai bahan berbeda yang memungkinkan suhu ekstrem antara -200°C hingga lebih dari +2000°C dapat diukur. D

Dengan begitu banyak pilihan bahan dan kisaran suhu, standar yang diakui secara internasional telah dikembangkan lengkap dengan kode warna termokopel untuk memungkinkan pengguna memilih sensor termokopel yang benar untuk aplikasi tertentu. Kode warna negara Inggris dan umumnya untuk termokopel standar diberikan di bawah ini.

Kode Warna Termokopel

Tiga bahan termokopel yang paling umum digunakan di atas untuk pengukuran suhu umum adalah Iron-Constantan (Tipe J), Copper-Constantan (Tipe T), dan Nickel-Chromium (Tipe K).

Tegangan output dari termokopel sangat kecil, hanya beberapa milivolt (mV) untuk perubahan suhu 10°C dan karena output tegangan kecil ini diperlukan beberapa bentuk amplifikasi (penguatan).

Amplifikasi atau Penguatan Termokopel

Jenis amplifier, baik diskrit atau dalam bentuk Penguat Operasional (Op-amp) perlu dipilih dengan hati-hati, karena stabilitas drift yang baik diperlukan untuk mencegah kalibrasi ulang termokopel pada interval yang sering. Hal ini membuat chopper dan tipe instrumentasi dari amplifier lebih disukai untuk sebagian besar aplikasi sensor suhu.

Jenis Sensor Suhu Lainnya yang tidak disebutkan di sini termasuk, Sensor Persimpangan Semikonduktor, Sensor Radiasi Panas dan Infrared, Termometer Tipe Medis, Indikator dan Tinta atau Pewarnaan Berubah Warna.

Dalam tutorial ini tentang “Jenis Sensor Suhu”, kami telah melihat beberapa contoh sensor yang dapat digunakan untuk mengukur perubahan suhu.

Dalam tutorial selanjutnya masih tentang Sensor kita akan melihat sensor yang digunakan untuk mengukur kuantitas cahaya yaitu Sensor Cahaya misalnya seperti Photodioda, Photo transistor, Fotovoltaik Cell dan LDR (Light Dependent Resistor).