DEWI HARYANI (126060300111037); SALNAN RATIH (126060300111038); SETIYO BUDI (126060300111042)
PROGRAM MAGISTER DAN DOKTOR FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO SISTEM KOMUNIKASI & INFORMASI (SKI) UNIVERSITAS BRAWIJAYA 2012
PENDAHULUAN
Fenomena temperature maupun panas merupakan fenomena yang selalu menarik untuk dipelajari. Awalnya fenomena panas dianggap sebagai fenomena zat atau material, yang dapat dipindah dari satu metarial ke material lainnya. Menjelang akhir abad 18, Benjamin Thomson dan Humphry Davy mengadakan penelitian yang mengahasilkan teori baru tentang panas sebagai suatu fenomana yang berhubungan dengan putaran (cyclic phenomona). Fisikawan Sadi Carnot menyatakan teori bahwa panas adalah bentuk energi yang terdistribusi diantara zat / energi lainnya. Sadi Carnot kemudian dikenal sebagai bapak ilmu termodinamika. Penelitiannya pada awal abad 19 menyatakan bahwa perpindahan panas menjadi gerak mekanik terjadi pada suatu titik titik dimana energi tersebut tersimpan, misalnya pada uap. Penelitian lanjutannya tentang bagaimana gerak mekanik menghasilkan panas membawa pada suatu gagasan bahwa panas merupakan energi yang bersifat abadi, yang tidak dapat diciptakan dan dihancurkan (hukum pertama Thermodynamic). Pada pertengahan abab 18, Maxwell dan Bolzman mengembangkan dasar – dasar matematis dan formulasi tentang teori kenetik gas. Menurut teori ini, panas disamakan dengan pergerakan molekul.
Maxwell menjelaskan bahwa temperature suatu benda merupakan property termal, yang membuatnya mungkin memindahkan panas (energi) pada benda lainnya. Dari sudut pandang pengukuran, temperature merupakan property fisis yang mempunyai informasi energi dari suatu system dengan demikian dapat menyatakan informasi tentang panas (derajat panas, status panas). Menurut Maxwell, temperatur merupakan nilai rata – rata energi kinetic dari suatu molekul suatu zat. Sehingga dari sudut pandang ini, pengukuran temperatur berarti menentukan jumlah energi panas pada suatu zat.
Prinsip Pengukuran Temperatur
Pengukuran temperatur merupakan sesuatu penting dalam semua aspek kehidupan, terutama dalam proses industri. Hal ini sering menimbulkan masalah tertentu, karena pengukuran temperatur tidak dapat menggunakan standar temperatur sebgaimana yang dapat dilakukan pada pengukuran besaran lain yang dapat menggunakan standar primer seperti massa, panjang dan waktu. Jika dua benda dengan panjang l1 dan l2 terhubung bersama-sama, hasilnya adalah panjang akhir l1 + l2. Hubungan serupa juga terjadi pada massa dan waktu. Namun, jika dua benda pada suhu yang sama terhubung bersama-sama, gabungan benda tersebut mempunyai temperatur yang sama seperti sebelum dihubungkan.
Ini adalah penyebab kesulitan mendasar yang ada dalam membangun sebuah standar mutlak pada suhu dalam hubungan masalah tersebut. Dengan tidak adanya hubungan tersebut, maka perlu untuk menetapkan titik referensi yang dihasilkan suhu dalam bentuk titik beku dan titik didih zat. Titik titik tersebut mendefinisakan secara tajam transisi antara padat, cair dan gas. International Practical Temperature Scale (IPTS) menggunakan filosofi tersebut dan menetapkan 6 primary fixed points untuk suhu referensi dalam hal :
· the triple point of equilibrium hydrogen - 259.34°C
· the boiling point of oxygen - 182.962°C
· the boiling point of water 100.0°C
· the freezing point of zinc 419.58°C
· the freezing point of silver 961.93°C
· the freezing point of gold 1064.43°C
(standart diukur dalam tekanan atmosfir)
Titik beku logam lainnya juga digunakan sebagai secondary fixed points untuk titik referensi tambahan pada prosedur kalibrasi.
Skala temperature termodinamik yang dikembangkan dan digunakan sejak 1990 adalah ITS-90 (International Temperature Scale of 1990). Temperature yang diukur dalam ITS-90 ditetapkan T90 untuk derajat Kelvin (oK) dan t90 untuk derajat celcius (oC). Salah satu poin penting dalam ITS-90 adalah penetapan triple point of water yaitu T90 = 273,16 oK atau t90 = +0,01 oC. Tabel fixed point menurut standar ITS-90 ditunjukkan tabel 1.
Tabel 1 Fixed Point untuk standar ITS-90
Fixed point adalah titik fase kesetimbangan dari suatu zat atau kondisi murni zat tersebut, dimana perubahan akan terjadi (menjadi gas, cair atau padat) pada zat tersebut apabila terjadi perubahan yang kecil saja pada tekanan dan temperaturnya.
Temperature dapat dipandang sebagai nilai kecepatan rata – rata molekul suatu zat yang ditentukan secara statistik sehingga hal tersebut merupakan energi kinetis. Misalnya pada suatu kasus, temperatur suatu benda berubah dari T1 ke T2, maka dalam hal itu harus ada energi yang berubah. Perubahannnya tergantung pada derajat jumlah molekul (jumlah meterialnya) dan ukurannya.
Dalam termodinamika modern, temperatur suatu benda didiskripsikan sebagai tipe dari potensial panas, yang merupakan properti dari penambahan dan pengurangan panas (heat source dan heat sink). Sehingga gradien temperatur mendefinisakan arah perubahan benda terhadap temperatur. Arah perubahan ini misalnya dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.
Instrumen untuk mengukur suhu dapat dibagi sesuai dengan prinsip fisik dimana instrument tersebut beroperasi. Prinsip-prinsip utama yang digunakan adalah:
· Efek termoelektrik
· Perubahan Resistansi
· Sensitivitas semikonduktor
· emisi radiasi panas
· Thermography
· Ekspansi Thermal
· Perubahan frekuensi Resonant
· Sensitivitas serat optik
· Akustik thermometry
· Perubahan Warna
· Perubahan keadaan materi.
Sensor Termal Contacting dan Non-contacting
Perkembangan pengukuran temperatur sejalan dengan perkembangan teknologi. Sehingga sebenarnya hanya sedikit metode pengukuran yang digantikan dengan metode yang baru. Yang terjadi lebih kepada pengembangan daerah maupun jenis – jenis pengukuran misalnya pada daerah yang sulit dijangkau atau berbahaya.
Dalam industri, terkait dengan daerah atau objek pengukuran, sensor temperature dibedakan dalam metode contacting dan non-contacting. Metode contacting merupakan metode dimana sensor bersentuhan langsung dengan objek / benda yang akan diukur. Sedangkan non-contacting melakukan pengukuran tanpa menyentuhkan sensor pada objek yang diukur atau mengukur dari jarak tertentu.
Contoh contacting sensor antara lain termocople, RTD dan semiconductor . Sedangkan non-contacting sensor menggunakan prinsip perubahan warna (thermography), radiasi (infrared) atau sensitifitas serat optik.
Jenis – jenis Sensor Thermal
Thermocouple
Thermocouple menggunakan prinsip termoelektrik sensor, yaitu tegangan yang dihasilkan dari pemanasan dua logam berbada yang saling disatukan. E.m.f yang merupakan fungsi dari temperatur dibangkitkan pada hubungan kedua logam tersebut. Secara umum hal ini dituliskan :
Dimana e adalah e.m.f dan T adalah temperature absolut dan a1 coefisien sambungan (junction).
Apabila koefisien sambugan tidak dibatasi maka kondisi tersebut menjadi tidak linier dan akan menyulitkan pada proses pengukuran. Pada beberapa sambungan bahan / logam, nilai kuadrat temperatur (a2T2, a3T3 … anTn)bisa sama dengan nol sehingga nilai e.m.f diperoleh :
Prinsip inilah yang diterapkan dalam thermocouple.
Termocouple dibuat dari berbagai perpaduan logam untuk memperoleh nilai kuadrat temperatur menjadi nol, kombinasi tersebut antara lain : campuran logam dasar alumel (Ni/Mn/Al/Si), chromel (Ni/Cr), constantan (Cu/Ni), nicrosil (Ni/Cr/Si) and nisil (Ni/Si/Mn), logam mulai platinum - tungsten, dan campuran logam mulia platinum/rhodium - tungsten/rhenium.
Karakteristik e.m.f dari kombinasi logam – logam ini ditunjukkan oleh gambar 1, hal ini menunjukkan linieritas dari masing – masing sambungan.
Gambar 1 karakteristik e.m.f terhadap temperatur dari beberapa sambungan logam
Termocouple umumnya dibuat dari pasangan kawat chromel dan konstantan seperti ditunjukkan gambar 2a. Untuk keperluan analisa, termokopel digambar dalam rangkaian seperti gambar 2b. e.m.f yang dihasilkan dari perubahan temperatur dinotasikan dengan E1, sedangkan temperatur pada titik pertemuan logam (hot juction) dinotasikan dengan Th.
Gambar 2 Termokopol dan rangkaian persamaanya
Resistor thermal (RTDs)
Resistor termal sering juga disebut sebagai Resistent Temperature Device (RTDs), menggunakan prinsip perubahan resistansi terhadap temperatur yang mengikuti aturan :
Untuk memperoleh linieritas, maka faktor kuadrat temperatus (a2T2, … anTn) diabaikan atau ditentukan sama dengan nol, sehingga diperoleh hubungan antara resistansi dan temperature :
dimana : Ro = tahanan konduktor pada temperature awal ( biasanya 0oC)
RT = tahanan konduktor pada temperatur toC
a = koefisien temperatur tahanan
T = temperatur
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 karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500o C. Tembaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi. Konstruksi RDT ditunjukkan oleh gambar 3.
Gambar 3 Konstruksi RTDs
RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu:
1. Tidak diperlukan suhu referensi
2. 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.
Bentuk – bentuk lain dari Konstruksi RTD ditunjukkan gambar 4.
Gambar 4. Jenis RTD: (a) Wire (b) Ceramic Tube (c) Thin Film
Karaktristik Resistansi versus Temperatur untuk variasi logam RTD ditunjukkan oleh gambar 5.
Gambar 5. Karaktristik Resistansi versus Temperatur untuk variasi logam RTD
THERMISTOR
Thermistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya negative. Umumnya tahanan thermistor pada temperature ruang dapat berkurang 6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1ºC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat thermistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi.
Thermistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan, seperti : mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe), dan uranium (U). Tahanannya adalah dari 0,5 Ω sampai 75 Ω dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran. Ukuran paling kecil berbentuk manic-manik dengan diameter 0,15 mm sampai 1,25 mm, bentuk piringan atau cincin dengan ukuran 2,5 mm sampai 25 mm. Cincin-cincin dapat ditumpukkan dan ditempatkan secara seri atau parallel guna memperbesar disipasi daya.
Dalam operasinya thermistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap tempeatur, dan umumnya nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara eksponensial untuk jenis NTC (Negative Thermal Coeffisien).
RT = RA eβT
SEMICONDUCTOR DEVICES
Semiconductor devices, baik diode atau transistor sirkuit terpadu memiliki keuntungan relative murah tetapi satu kesulitan yang mempengaruhi penggunaannya adalah kebutuhan untuk menyediakan pasokan listrik eksternal ke sensor.
Transistor sirkuit terpadu memiliki ketidaktelitian ± 3 % dengan rentang pengukuran suhu dari -50ºC sampai +150ºC. Dioda memiliki ketidaktelitian ± 0.5 % dengan rentang pengukuran suhu -50ºC sampai +200ºC untuk diode silicon dan -270ºC sampai +40ºC untuk diode germanium.
RADIATION THERMOMETERS
Termometer radiasi (juga dikenal sebagai radiasi pyrometers) mengukur radiasi ini dalam rangka untuk menghitung suhu benda. Tingkat total radiasi emisi per detik adalah :
E = KT4
Pilihan metode terbaik mengukur radiasi yang dipancarkan tergantung pada suhu. Pada temperatur rendah, puncak dari fungsi kepadatan spektral daya terletak pada daerah kisaran inframerah yaitu 0.72 µm – 1000 µm.
Versi berbeda dari termometer radiasi mampu mengukur suhu antara -100 ºC dan +10000 ºC dengan ketidaktelitian serendah 0.05% (meskipun tingkat akurasi ini tidak diperoleh ketika mengukur suhu yang sangat tinggi).
Optical Pyrometers
Pyrometer optic hanya dapat digunakan untuk mengukur suhu tinggi, tetapi berbagai jenis radiasi pyrometer tersedia, bahwa antara mereka mencakup keseluruhan spektrum temperatur.
Pyrometer optik dirancang untuk mengukur suhu / temperatur dimana puncak emisi radiasi terdapat bagian merah dari spektrum yang terlihat, yaitu tempat tertentu yang diukur bersinar warna merah yang sesuai dengan temperatur.
Alat ini untuk mengukur suhu di atas 600 ºC. Pyrometer optik berisi filamen tungsten yang dipanaskan di dalam sistem optik. Arus di dalam filamen akan meningkat sapai warna sama dengan panasnya benda. Pengukuran temperatur diperoleh dalam kaitannya dengan arus yang mengalir dalam filamen.
Kalibrasi dari optik pyrometer harus disesuaikan menurut emitivitas target karena mempunyai tingkat terang/gelapnya benda berbeda pada suhu tertentu. Suhu dapat diukur dari 5000 ºC sampai 10000 ºC.
Alat ini tidak dapat digunakan dalam skema kontrol suhu otomatis karena mata manusia merupakan bagian penting dari sistem pengukuran.
Radiation Pyrometers
Memfokuskan energi yang di pancarkan benda. Tidak melibatkan filamen dan mata manusia, diganti dengan detektor metal seperti lensa mata. Prinsipnya dapat mengukur suhu antara – 100 ºC sampai + 3600 ºC. Radiasi detektor termal yang mengukur kenaikan suhu pada titik optik sistem.
THERMOGRAPHY (THERMAL IMAGING)
Thermography merupakan sebuah alat pencitraan distribusi radiasi panas permukaan dalam bentuk gambar termal dan hasil temperatur terukur. Alat ini mendeteksi pancaran radiasi obyek langsung melalui medium udara. Thermography mendeteksi radiasi dalam kisaran inframerah dari spektrum elektromagnetik dengan panjang gelombang antara 2 µm – 14 µm dan menghasilkan gambar dari radiasi. Radiasi inframerah yang dipancarkan oleh semua obyek berdasarkan suhu mereka. Thermography memungkinkan untuk mendeteksi salah satu lingkungan dengan atau tanpa terlihat penerangan. Jumlah radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda meningkat seiring dengan meningkatnya suhu, sehingga memungkinkan seseorang untuk melihat variasi suhu. Jangkauan temperatur antara – 20 ºC sampai + 1500 ºC.
Salah satu aplikasi thermography dalam bidang kesehatan adalah untuk membantu mendiagnostik gangguan dalam fungsi tubuh yang berakibat pada timbulnya penyakit dengan mengamati peta distribusi panas yang tampak.
THERMAL EXPANTIONS METHODS
Metode ekspansi termal memanfaatkan dimensi dari semua zat baik zat cair, zat padat maupun gas yang berubah terhadap energi panas (suhu). Instrumen itu meliputi termometer cair, termometer bimetalic dan termometer tekanan.
Liquid in Glass Thermometers
Termometer cair (liquid in glass thermometer), pendeteksi panasnya adalah zat cair yang berada di dalam tabung kaca. Zat cair akan memuai dan menyusut secara teratur sesuai dengan suhu udara dan menunjukkan skala hasil pengukuran. Termometer cair terdiri dari bulb yang bersentuhan dengan benda yang diukur dan piranti yang berekspansi biasanya tabung Bourdon, yang mengoperasikan alat penunjuk . Bulb dan tabung bourdon dihubungkan dengan pipa kapiler dan diisi dengan media yang sesuai. Perubahan temperatur pada bulb akan menyebabkan cairan berekspansi atau berkontraksi. Beberapa jenis cairan yang dapat digunakan pada temperatur cair :
· Raksa : - 1,6 ºC sampai + 510 ºC
· Alkohol : - 43,3 ºC sampai + 71 ºC
· Pentena : - 165,5 sampai + 29,4 ºC
Bimetallic Thermometers
Bimetal adalah sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat strika listrik. Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu.
Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah memuai lebih pendek. Oleh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah.
Disini berlaku rumus pengukuran temperature dwi-logam yaitu :
di mana ρ = radius kelengkungan
t = tebal jalur total
T2-T1 = kenaikan temperature
αA, αB = koefisien muai panas logam A dan logam B
Pressure Thermometers
Ada 2 jenis thermometer tekanan yaitu thermometer tekanan uap dan thermometer tekanan gas. Pada thermometer tekanan uap, cairan yang mudah menguap sebagian mengisi bulb. Temperatur yang berbeda pada bulb akan menyebabkan perubahan tekanan pada uap jenuh diatas permukaan cairan di bulb. Perubahan tekanan akan diteruskan ke tabung bourdon, indikasi tekanan berlaku sebagai ukuran temperatur pada bulb. Jangkauan pengukuran temperature berkisar dari – 15 ºC hingga + 260 ºC. Cairan yang umum digunakan adalah methyl clorida, ether, ethyl alcohol dan toluene.
Termometer tekanan gas sejenis dengan thermometer tekanan uap kecuali bahwa sistem diisi dengan gas, biasanya hydrogen. Jangkauan temperature yang diukur oleh thermometer tekanan gas adalah dari – 93 ºC hingga + 427 ºC.
QUARTZ THERMOMETERS
Termometer kuarsa adalah thermometer dengan presisi tinggi, akurasi sensor suhu tinggi. Mengukur suhu dengan mengukur frekuensi dari osilator Kristal kuarsa. Osilator berisi Kristal yang menghasilkan koefisien temperature frekuensi linier. Linieritas yang tinggi dengan rentang temperature antara – 40 ºC dan + 230 ºC dengan ketidaktelitian ± 0,1%.
SENSOR SUHU SERAT OPTIK
Sensor serat optik adalah keluarga sensor (suhu tidak satu-satunya parameter yang dapat diukur) yang menggunakan serat kaca tipis sebagai satu-satunya cara untuk membangkitkan dan membaca elemen penginderaan. Serat optik ini sama seperti yang digunakan untuk komunikasi.
Karakteristik Sensor Suhu Serat Optik
Ada beberapa karakteristik dari serat optik yang memungkinkan mereka untuk digunakan untuk sensor. Ini termasuk micro bending, efek interferometric, perubahan indeks bias, perubahan polarisasi, perubahan panjang serat, efek difraksi kisi serat, dan efek Sagnac (perjalanan cahaya dalam arah yang berlawanan sekitar loop yang digunakan untuk rotasi akal). Untuk sensor suhu serat optik, elemen penginderaan biasanya disimpan langsung pada akhir celah serat optik dan besar suhu didapatkan dari fase terpantul.
Pendekatan lain adalah dengan menggunakan strip bimetal (atau mekanisme suhu sensitif lainnya) dengan menekuk serat gelas untuk menghasilkan anomali terukur. Hal ini ditunjukkan dalam diagram berikut:
Sensor suhu serat optik merupakan alat ukur yang mahal dan hanya diterapkan ketika mereka memiliki keuntungan yang menarik untuk aplikasi khusus. Ada kemungkinan bahwa di masa mendatang jenis sensor akan menjadi lebih murah dan lebih banyak digunakan sebagai sirkuit terpadu optik menjadi kenyataan.
Kelebihan Sensor Suhu Serat Optik
Terkadang suhu harus diukur di tempat-tempat yang tidak memungkinkan sensor konvensional untuk digunakan. Misalnya ketika mengukur suhu dari benda yang memiliki suhu yang sangat tinggi dan mengandung tegangan tinggi, sensor non-kontak tidak dapat digunakan. Pada situasi seperti ini sensor serat optik menjadi satu-satunya pilihan karena sensor serat optik memiliki bahan isolasi elektrikal.
SENSOR SUHU AKUSTIK
Prinsip thermometry akustik ditemukan sejak tahun 1873 dan menggunakan fakta bahwa kecepatan suara melalui gas bervariasi dengan suhu, sesuai dengan persamaan:
dimana v adalah kecepatan suara, T adalah temperatur gas, M adalah berat molekul gas dan kedua R dan α adalah konstanta. Sensor ini dapat digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah, tetapi juga digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi hingga 20000°C. Namun nilai ketidaakuratannya ±5% dan harganya sangat mahal. Versi akustik termometer yang tersedia bermacam-macam sesuai dengan teknik yang digunakan untuk menghasilkan suara dan mengukur kecepatan suara tersebut dalam gas. Jika sinyal ultrasonik yang dibangkitkan maka disebut sensor suhu ultrasonik.
APLIKASI SENSOR SUHU INFRA RED
Sebuah termometer IR dapat dibandingkan dengan mata manusia. Lensa mata merupakan optik yang mana radiasi (aliran foton) dari objek mencapai fotosensitif lapisan (retina) melalui atmosfer. Hal ini diubah menjadi sinyal yang dikirim ke otak.
Gambar 1 : Sistem pengukuran suhu menggunakan sensor infrared
PRINSIP KERJA
Termometer inframerah mengukur permukaan temperatur dari benda (target). Optik dari termometer mendeteksi energi inframerah yang telah dikumpulkan dan difokuskan pada detrektor dan diterjemahkan ke dalam bentuk informasi suhu yang dapat dibaca di display(interface). Laser disini hanya digunakan untuk membidisk target yang akan diukur.
Target
Setiap bentuk materi dengan temperatur (T) di atas nol absolut memancarkan radiasi inframerah sesuai dengan suhu. Ini disebut karakteristik radiasi. Penyebab dari hal ini adalah pergerakan molekul. Intensitas gerakan ini tergantung pada suhu objek. Karena gerakan molekul merupakan perpindahan muatan, radiasi elektromagnetik (foton partikel) dipancarkan. Foton bergerak dengan kecepatan cahaya dan berperilaku sesuai dengan prinsip-prinsip optik yang dikenal. Foton dapat dibelokkan, difokuskan dengan lensa, atau dipantulkan dari permukaan reflektif. Spektrum radiasi ini panjang gelombangnya berkisar 0,7-1000 µM. Untuk alasan ini, radiasi ini biasanya tidak bisa dilihat dengan mata telanjang. Daerah ini terletak dalam area merah dari cahaya tampak dan karena itu disebut "infra"-red.
Gambar 2 :Gelombang elektromagnetik, dengan kisaran dari sekitar 0,7 sampai 14 pM
Gambar. 3 menunjukkan bentuk tipe radiasi pada temperatur yang berbeda. Seperti ditunjukkan, pada suhu tinggi terlihat masih memancarkan sejumlah kecil radiasi. Inilah sebabnya mengapa setiap orang dapat melihat benda bersinar dari merah menjadi putih pada suhu yang sangat tinggi (di atas 600 ° C). Teknologi pengukuran inframerah didasarkan pada hal ini. Radiasi maksimum bergerak ke arah panjang gelombang yang lebih pendek sebagai target kenaikan suhu, dan kurva tidak tumpang tindih pada temperatur yang berbeda. Energi dalam rentang panjang gelombang (di bawah kurva masing-masing) meningkat ke daya 4 dari suhu (T4). Hubungan ini diakui oleh Stefan dan Boltzmann pada 1879 yang menggambarkan bahwa suhu dapat diukur dari sinyal radiasi.
Gambar. 3: Radiasi karakteristik hitam dalam kaitannya dengan suhu
Termometer IR harus diatur untuk memungkinkan jangkauan terluas dalam mendapatkan energi (sesuai dengan area di bawah kurva) atau sinyal dari target. Namun, dalam beberapa kasus hal ini tidak selalu menguntungkan. Misalnya, pada Gambar. 3 intensitas radiasi meningkat pada 2 µM lebih banyak ketika suhu meningkat dibandingkan pada saat 10 µM. Perbedaan radiasi yang lebih besar per perbedaan suhu, maka IR semakin akurat dalam bekerja. Menurut perpindahan radiasi panjang gelombang yang maksimum ke yang lebih kecil dengan diikuti kenaikan suhu (Pemindahan Wien), rentang panjang gelombang memiliki sifat yang sama dengan rentang pengukuran suhu pada pyrometer.
Pada suhu rendah, termometer IR bekerja di 2 µM dan akan berhenti pada suhu di bawah 600 °dan energi radiasinya terlalu sedikit. Alasan suatu perangkat memiliki rentang panjang gelombang yang berbeda-beda adalah pola emisivitas dari beberapa bahan yang dikenal sebagai “non-gray bodies” (kaca, logam, dan film plastik). Gambar. 3 menunjukkan bahan yang ideal, Yang disebut "blackbody". Hubungan antara energi pemancar yang nyata dan blackbody dikenal sebagai ε emisivitas (epsilon) dimana nilai maksimalnya adalah 1 (sesuai blackbody yang ideal) dan nilai minimalnya adalah 0. Bahan dengan emisivitas yang kurang dari 1 disebut gray bodies. Bahan yang emisivitas juga tergantung pada suhu dan panjang gelombang disebut non-gray bodies. Jadi, jumlah dari pemancaran yang terdiri dari penyerapan (A), refleksi (R) dan transmisi (T) sama dengan satu. (Lihat Gambar. 4)
Gambar. 4: Selain radiasi yang dipancarkan dari sasaran, sensor juga menerima radiasi yang dipantulkan dan juga radiasi yang melewati sasaran.
Bahan yang padat tidak memiliki transmisi dalam rentang inframerah (T = 0). Menurut hukum Kirchoff Diasumsikan bahwa semua radiasi yang diserap oleh bahan yang menyebabkan peningkatan suhu dan kemudian dipancarkan oleh bahan ini. Hasil untuk penyerapan dan pemancaran adalah:
Untuk blackbody ideal juga tidak memiliki reflektansi (R = 0), sehingga E = 1.
Banyak non-logam bahan seperti kayu, plastik, karet, bahan organik, batu, atau beton memiliki permukaan yang hanya bisa sedikit memantulkan dan memiliki emisivitas tinggi antara 0,8 dan 0,95. Sebaliknya, logam yang memiliki permukaan yang mengkilap memiliki emissivities di sekitar 0,1. Termometer IR mengganti ini dengan menawarkan pilihan variabel untuk menetapkan faktor emisivitas. (Lihat Gambar 5.)
Gambar. 5: Emisi khusus pada emissivities yang berbeda
Menentukan Emisivitas
Ada berbagai metode untuk menentukan emisivitas suatu benda. Pertama, emisivitas bahan yang sering duganakan dapat ditemukan dalam tabel emisivitas. Tabel emisivitas juga membantu menemukan rentang panjang gelombang yang tepat untuk bahan tertentu serta alat pengukurnya yang tepat. Terutama dalam kasus logam, nilai-nilai dalam tabel tersebut hanya boleh digunakan untuk tujuan tertentu dimana kondisi permukaan (misalnya dipoles, teroksidasi atau ditingkatkan) dapat mempengaruhi emisivitas lebih dari bahan itu sendiri. Hal ini juga dapat dimungkinkan menentukan sendiri emisivitas bahan tertentu menggunakan metode yang berbeda. Untuk melakukannya dapat menggunakan pyrometer dengan kemampuan pengaturan emisivitas.
Mengukur Suhu Besi
Emisivitas logam tergantung pada panjang gelombang dan temperatur. Karena logam seringkali memantulkan, mereka cenderung memiliki emisivitas. Dalam kasus seperti itu, penting untuk memilih suatu instrumen yang dapat mengukur radiasi inframerah pada panjang gelombang tertentu dan dalam rentang suhu tertentu di mana logam memiliki kemungkinan emisivitas tertinggi. Dengan banyak logam, kesalahan pengukuran menjadi lebih besar dengan panjang gelombang, yang berarti bahwa panjang gelombang terpendek yang hanya bisa digunakan untuk pengukuran.
Gambar. 6: Pengukuran kesalahan dalam menetapkan emisivitas tergantung pada panjang gelombang dan suhu target.
Panjang gelombang optimal untuk suhu tinggi dalam kasus pengukuran suhu logam adalah sekitar 0,8 sampai 1.0μm. Panjang gelombang dari 1,6, 2,2, dan 3,9 μM juga masih bisa digunakan.
Optik dan Jendela
Sistem optik dari sebuah termometer IR mengambil energi inframerah yang dipancarkan dari tempat pengukuran secara melingkar dan memfokuskannya pada detektor. Target harus benar-benar mengisi tempat ini, jika tidak termometer IR akan "melihat" suhu radiasi lainnya dari latar belakang, sehingga membuat nilai yang terukur tidak akurat.
Gambar. 7: Target benar-benar harus mengisi tempat yang akan diukur, jika tidak maka nilai yang terukur akan salah
Resolusi optik didefinisikan sebagai hubungan antara jarak antara alat pengkur dari target dan diameter dari tempat pengukuran (spot) (D: S).
Gambar. 8: diagram optik sensor inframerah. Pada jarak 130 mm dengan diameter tempat 33 mm memberikan rasio sekitar 4:1.
Pirometer sering dilengkapi dengan teleskop dan laser di depan perangkat. Sinar laser memungkinkan pengguna untuk pengukuran yang lebih cepat dan tepat. Penggunaan laser sangat berguna untuk pengukuran benda yang bergerak atau dalam kondisi cahaya yang redup.
Penggunaan laser dalam pengukuran terbukti secara efektif membantu mengarahkan pengukuran infrarmerah secara tepat kepada obyek pengukuran. Aplikasi yang merupakan penggabungan teleskop dengan laser sangat berguna untuk penentuan daerah pengukuran ketika optik ditujukan untuk benda-benda terang (pada suhu yang tinggi) atau untuk membuat pengukuran di area yang memiliki pechayaan yang tinggi atau dalam jarak jauh.
Gambar. 9: Perangkat dengan laser yang memungkinkan pengukuran tempat yang tepat bahkan benda-benda kecil.
Ringkasan: Seperti halnya dengan kamera, kinerja optik, menentukan berapa ukuran target yang dapat dilihat atau diukur. Rasio jarak (jarak dari objek: diameter spot) merupakan ciri kinerja optik dalam alat pengukuran IR. Tempat proyeksi harus terisi penuh untuk menghasilkan target pengukuran yang tepat. Agar lebih mudah, optik dilengkapi dengan laser pointer. Jika jendela pelindung antara alat ukur dan target diperlukan, bahan untuk jendela harus dipilih dengan tepat. Dalam kasus ini, rentang panjang gelombang dan kondisi operasi yang dimainkan memiliki peran yang signifikan.
Detektor
Detektor merupakan bentuk inti dari termometer IR. Detektor mengubah radiasi inframerah yang diterima menjadi sinyal listrik, yang kemudian dipancarkan sebagai nilai suhu oleh sistem elektronik. Detektor inframerah dibagi ke dalam 2 kelompok besar: Quantum detektor dan detektor termal. Detektor Quantum (dioda) berinteraksi langsung dengan foton, sehingga menghasilkan pasangan elektron dan menyebabkan sinyal listrik. Detektor termal mengubah suhu mereka tergantung pada dampak radiasi. Detektor Thermal jauh lebih lambat daripada detektor kuantum karena pemanasan diri diperlukan. Quantum detektor selalu digunakan untuk sistem pencitraan dan scanner baris.
Tampilan dan Antarmuka
Interface dan tampilan nilai yang terukur penting bagi pengguna. Output analog atau digital dapat digunakan untuk tujuan tertentu. Hal ini juga dimungkinkan untuk menghubungkan data logger, printer, dan komputer secara langsung.
Gambar. 10: output Data dari termometer IR dapat dihubungkan langsung ke data logger atau printer.
Keuntungan Menggunakan Termometer IR
Keuntungan Menggunakan Termometer IR
1. Dapat melakukan pengukuran secara cepat.
2. Bisa melakukan pengukuran untuk target bergerak.
3. Pengukuran dapat diambil dari benda-benda berbahaya atau fisik tidak dapat diakses (tegangan tinggi bagian, pengukuran jarak yang besar).
4. Pengukuran dapat dilakukan di suhu tinggi (lebih dari 1300 ° C).
5. Tidak ada gangguan, tidak ada energi yang hilang dari sasaran.
Beberapa yang perlu diperhatikan ketika menggunakan termometer IR:
1. Targetnya harus terlihat termometer IR. Tingkat debu atau asap yang tinggi membuat pengukuran kurang akurat.
2. Optik sensor harus dilindungi dari debu dan kondensasi cairan.
3. Biasanya, hanya suhu permukaan dapat diukur.
DAFTAR PUSTAKA
Alan S. Morris, Measurement and Instrumentation Principles, Alan S. Morris, Butterworth-Heinenman, 2001
Karl Ehinger, Industrial temperature measurement, ABB Automation Product, 2008
Raytek Corporation, Principles of Non-Contact Temperature Measurement, 2003
http://www.capgo.com/Resources/Temperature/FibreOptic/Fibre.html diakses tanggal 2 Desember 2012
Komentar