Jelaskan Prinsip terjadinya emf pada Termokopel

Pada tahun 1821, seorang ahli fisika yaitu "Thomas Seebeck" mengungkapkan bahwa ketika dua kawat logam yang berbeda dihubungkan pada kedua ujung satu persimpangan dalam suatu rangkaian ketika suhu diterapkan pada persimpangan, akan ada aliran arus melalui rangkaian yang dikenal sebagai medan elektromagnetik (EMF). Energi yang dihasilkan oleh rangkaian ini dinamai Seebeck Effect.

Menggunakan efek Thomas Seebeck sebagai pedomannya, kedua fisikawan Italia yaitu Leopoldo Nobili dan Macedonio Melloni berkolaborasi untuk merancang baterai termoelektrik pada tahun 1826, yang disebut sebagai pengganda panas, yang diambil dari penemuan termoelektrik Seebeck dengan menggabungkan galvanometer, serta termopile untuk menghitung radiasi. Untuk upayanya, beberapa orang mengidentifikasi Nobili sebagai penemu termokopel.

Termokopel adalah semacam sensor suhu yang digunakan untuk mengukur suhu pada satu titik tertentu dalam bentuk GGL atau arus listrik. Sensor ini terdiri dari dua kawat logam yang berbeda yang dihubungkan bersama pada satu persimpangan. Temperatur dapat diukur pada persimpangan ini, dan perubahan suhu kawat logam menstimulasi tegangan.

Jumlah GGL yang dihasilkan dalam termokopel sangat kecil (milivolt), jadi perangkat yang sangat sensitif harus digunakan untuk menghitung ggl yang dihasilkan dalam rangkaian.

Perangkat umum yang digunakan untuk menghitung ggl adalah potensiometer penyeimbang tegangan dan galvanometer biasa. Dari keduanya, potensiometer penyeimbang digunakan secara fisik atau mekanis.

Prinsip kerja Termokopel terutama tergantung pada tiga efek yaitu Seebeck, Peltier dan Thompson.

Jenis efek ini terjadi di antara dua logam yang berbeda. Ketika panas menawarkan ke salah satu kawat logam, maka aliran supply elektron dari kawat logam panas ke kawat logam dingin. Oleh karena itu, arus searah merangsang dalam rangkaian.

Efek Peltier ini berlawanan dengan efek Seebeck. Efek ini menyatakan bahwa perbedaan suhu dapat terbentuk di antara dua konduktor berbeda dengan menerapkan variasi potensial di antara mereka.

Efek ini menyatakan bahwa ketika dua logam yang berbeda saling menempel & jika mereka membentuk dua sambungan maka tegangan menginduksi panjang total konduktor karena gradien suhu. Ini adalah kata fisik yang menunjukkan perubahan kecepatan dan arah suhu pada posisi yang tepat.

Konstruksi termokopel ditunjukkan di bawah ini. Ini terdiri dari dua kawat logam yang berbeda dan yang terhubung bersama di ujung persimpangan. Persimpangan berpikir sebagai ujung pengukur. Akhir persimpangan diklasifikasikan menjadi tiga jenis yaitu persimpangan ungrounded, grounded dan terbuka.

Dalam jenis persimpangan ini, konduktor benar-benar terpisah dari penutup pelindung. Aplikasi persimpangan ini terutama mencakup pekerjaan aplikasi tekanan tinggi. Manfaat utama menggunakan persimpangan ini adalah untuk mengurangi efek medan magnet liar.

Dalam jenis persimpangan ini, kabel logam serta penutup pelindung dihubungkan bersama. Fungsi ini digunakan untuk mengukur suhu di atmosfer asam, dan memberikan ketahanan terhadap kebisingan.

Persimpangan terbuka berlaku di area di mana respons cepat diperlukan. Jenis persimpangan ini digunakan untuk mengukur suhu gas. Logam yang digunakan untuk membuat termokopel pada dasarnya tergantung pada kisaran suhu yang dihitung.

Umumnya, termokopel dirancang dengan dua kabel logam yang berbeda yaitu besi dan konstantan yang membuat dalam mendeteksi elemen dengan menghubungkan pada satu persimpangan yang dinamakan sebagai persimpangan panas.

Ini terdiri dari dua persimpangan, satu persimpangan dihubungkan oleh voltmeter atau pemancar di mana sambungan dingin dan persimpangan kedua dikaitkan dalam suatu proses yang disebut sebagai persimpangan panas.

Diagram skematik termokopel ditunjukkan pada gambar di bawah ini. rangkaian ini dapat dibangun dengan dua logam yang berbeda, dan yang digabungkan bersama dengan menghasilkan dua persimpangan. Kedua logam dikelilingi ke koneksi melalui pengelasan.

Dalam diagram di atas, persimpangan dinotasikan dengan P & Q, dan suhu dinotasikan oleh T1, & T2. Ketika suhu persimpangan berbeda satu sama lain, maka gaya elektromagnetik dihasilkan di rangkaian.

Jika suhu di persimpangan akhir berubah menjadi setara, maka setara, serta gaya elektromagnetik terbalik, menghasilkan di rangkaian, dan tidak ada aliran arus yang melaluinya. Demikian pula, suhu di ujung persimpangan menjadi tidak seimbang, maka variasi potensial menginduksi dalam rangkaian ini.

Besarnya gaya elektromagnetik menginduksi dalam rangkaian bergantung pada jenis bahan yang digunakan untuk pembuatan termokopel. Seluruh aliran arus di seluruh rangkaian dihitung oleh alat ukur.

Gaya elektromagnetik yang diinduksi dalam rangkaian dihitung dengan persamaan berikut

Di mana ∆Ө adalah perbedaan suhu antara ujung persimpangan termokopel panas serta ujung persimpangan termokopel referensi, a & b adalah konstanta

Kelebihan dan Kekurangan Termokopel

Kelebihan termokopel termasuk yang berikut ini

• kuat dan dapat digunakan di lingkungan yang keras serta getaran tinggi.

• Kisaran suhu operasi sangat luas.

• Kisaran suhu pengoperasian yang luas

• Biaya rendah dan sangat konsisten

Kekurangan termokopel termasuk yang berikut ini

• Memiliki akurasi rendah.

• Kalibrasi ulang termokopel sulit

Beberapa aplikasi termokopel termasuk yang berikut ini.

• Ini digunakan sebagai sensor suhu pada Termostat di kantor, rumah, kantor & bisnis.

• Ini digunakan dalam industri untuk memonitor suhu logam dalam besi, aluminium, dan logam.

• Ini digunakan dalam industri makanan untuk aplikasi cryogenic dan suhu rendah. Termokopel digunakan sebagai pompa panas untuk melakukan pendinginan termoelektrik.

• Ini digunakan untuk menguji suhu di pabrik kimia, pabrik minyak bumi.

• Ini digunakan dalam mesin gas untuk mendeteksi nyala percontohan.

Jadi, ini semua tentang pengertian termokopel. Dari informasi di atas akhirnya, kita dapat menyimpulkan bahwa pengukuran keluaran termokopel adalah dapat dihitung dengan menggunakan metode seperti multimeter, potensiometer, dan penguat (amplifier) oleh perangkat keluaran.

Tujuan utama termokopel adalah untuk membangun pengukuran suhu yang konsisten & langsung dalam beberapa aplikasi yang berbeda.

Mengenal Thermocouple

Thermocouple terdiri dari 2 kata, Thermo dan couple. Thermo adalah kepanjangan dari thermometer atau alat yang digunakan untuk mengukur suhu sesuatu. Sedangkan couple sendiri dikarenakan sensor thermocouple terdiri dari dua kabel yang berlainan jenis yang disatukan di salah satu ujungnya. Kedua kabel ini akan menghasilkan beda potensial ketika mengalami kenaikan maupun penurunan suhu. Perbedaan potensial inilah yang nantinya akan dibaca sebagai nilai dari thermocouple itu sendiri.

sumber: https://www.automationdirect.com

sumber: https://image.slidesharecdn.com

Prinsip Kerja Thermocouple

Prinsip kerja thermocouple pada bedasarkan pada 3 hukum; Hukum Seebeck, Hukum Peltier, dan Hukum Thomson.

Hukum Seebeck menyatakan bahwa ketika dua metal yang berlainan disatukan dalam dua ujungnya, maka ia akan menimbulkan gaya electromotive (emf). Gaya yang dihasilkan akan berbeda antara metal jenis yang satu dengan jenis lainnya.

Hukum Peltier menyatakan bahwa ketika dua metal yang berlainan jenisnya disatukan, ia akan menghasilkan gaya EMF tergantung dari suhu yang dialami oleh kedua ujung yang disatukan.

Jenis-jenis Thermocouple dan Range Ukurnya

Ada banyak jenis thermocouple. Saya hanya akan menyebutkan 3 yang paling umum digunakan. Untuk info dan jenis kabel thermocouple lainnya dapat merujuk ke link berikut: https://www.thermocoupleinfo.com/thermocouple-types.htm

Thermocouple tipe J adalah thermocouple yang paling banyak digunakan di industri petrokimia. Hal ini disebabkan range ukurnya yang pendek dan paling umum yakni di -210 degC  hingga 760 degC. Thermocouple type J sangat cocok digunakan untuk mengukur suhu air, suhu udara normal, suhu atmosfer, suhu low temperature steam, suhu condensate dan sebagainya. Ciri umum kabel thermocouple type J adalah kabel positif berwarna putih dan kabel negatifnya berwarna merah. Bahan pembentuk kabel thermocouple type J adalah Fe (+) dan Cu-Ni (-). Meski begitu, kabel thermocouple type J tidak terlalu bagus untuk mengukur suhu tinggi semacam high temperature steam sebab daya tahan kabelnya tidak bagus jika digunakan untuk suhu tinggi.

Thermocouple type K adalah thermocouple lain yang banyak juga dipakai di industri petrokimia. Biasanya thermocouple jenis ini dipakai untuk mengukur ruang bakar seperti di boiler, reformer, super heater dan high temperature steam. Warna kabel thermocouple type K pada umumnya berwarna kuning untuk kabel positif dan merah untuk kabel negatif dengan range ukur -260 degC sampai 1200 degC. Bahan kabel thermocouple adalah Ni-Cr (+) dan Ni-Al (-)

Thermocouple type T biasanya digunakan untuk mengukur suhu yang sangat dingin. Bahan pembuatnya adalah Cu (+) dan Cu-Ni (-). Range ukurnya berkisar -270 degC hingga 370 degC. Warna kabel type T adalah biru - merah.

Tabel referensi type T:

sumber: https://www.thermocoupleinfo.com

Sensor thermocouple terdiri dari probe dan sheath. Probe adalah dua kabel thermocouple yang berbeda jenisnya yang salah satu ujungnya disatukan. Biasanya probe ini membutuhkan pelindung, nah pelindung inilah yang dinamakan sheath. Semakin besar diameter probe maka semakin besar pula suhu yang dapat diukur oleh thermocouple tersebut. Namun semakin besar diameter probe, maka semakin lambat respon waktu sensor terhadap suhu. Oleh karena itu harus dipilih ukuran yang benar-benar pas agar kinerjanya bisa maksimal.

EMF atau voltase yang dihasilkan oleh thermocouple selanjutnya dihantarkan ke alat bacanya menggunakan kabel ekstensi. Perlu diketahui bahwa kabel ekstensi sebaiknya adalah kabel thermocouple itu sendiri. Sebab jika menggunakan kabel biasa pada umumnya, akan menyebabkan pembacaan suhu tidak akurat. Hal ini dikarenakan akan ada error yang disebabkan oleh perbedaan bahan kabel antara kabel sensor dan ekstensinya. Kabel ekstensi dapat ditarik ke alat yang dapat membaca suhu yang diterima oleh sensor seperti temperature transmitter, temperature indicator atau multimeter khusus yang dapat membaca thermocouple.

Nilai pembacaan dari thermocouple dapat dikirimkan ke PLC atau DCS dengan setidaknya dua macam cara. Cara pertama adalah dengan menarik langsung kabel thermocouple ke module input thermocouple di DCS atau PLC. Cara kedua adalah dengan menarik kabel sensor ke temperature transmitter baru kemudian dikirimkan ke DCS menggunakan sinyal analog. 

• Nilai pembacaan palsu, bergoyang atau hunting

Nilai pembacaan suhu suatu zat seharusnya cenderung stabil dan tidak mungkin terjadi goncangan yang sangat cepat atau dalam bahasa orang teknik disebut hunting. Misalnya nilai temperature air tidak mungkin naik-turun antara 30 hingga 40 degC dalam waktu satu detik saja. Oleh karenanya, ketika nilai pembacaan temperature menjadi goyang-goyang atau hunting, basanya terjadi masalah pada sensornya seperti:

- Terminal thermocouple dan ekstension yang mulai kotor dan berkarat

- Terjadi perubahan kimia pada sensor. Biasanya terjadi pada sensor suhu tinggi.

- Terminal thermocouple yang tergenang air

- Terjadi short di luar junction tip

Jika terminal thermocouple kotor dan berkarat atau kemasukan air, cukup bersihkan terminalnya dan kabel yang terhubung padanya. Jangan lupa yakinkan pula suhu yang seharusnya terukur dengan alat ukur temperature seperti Fluke 714. Tidak disarankan menggunakan thermogun sebab sering terjadi perbedaan suhu yang terukur. 

Untuk kasus perubahan kimia pada sensor, bisanya kasus ini terjadi di area pembakaran yang suhunya mencapai 1000 degC. Suhu yang sangat panas ini biasanya dapat mengubah material penyusun sensor thermocouple tersebut sehingga pembacaan tidak akurat lagi.

• Nilai pembacaan error atau over

Untuk kasus ini biasanya sensor atau kabel ekstensi telah putus. Perbaikan dapat dilakukan dengan menyambung kembali kabel atau sensor yang putus atau dengan menggantinya bila diperlukan.

Sekian dan terima kasih. Bila ada kritik, saran atau masukan jangan lupa tinggalkan di komentar ya. Salam.

Page 2