Sensor Temperatur

SENSOR TEMPERATUR

 A.  PENDAHULUAN

Sensor temperatur (Temperature Sensors) atau sering juga disebut sebagai sensor suhu adalah suatu komponen yang digunakan untuk mendeteksi suhu/panas.  Jenis sensor suhu bervariasi dari yang sederhana berupa switch/saklar ON/OFF perangkat termostatik sederhana yang mengontrol sistem pemanas air alat rumah tangga hingga jenis sensor yan menggunakan semikonduktor yang sangat sensitif untuk keperluan kontrol proses yang komplek di industri.

Sensor temperatur dapat mengubah besaran panas menjadi besaran listrik sehingga dapat mendeteksi gejala perubahan suhu pada obyek tertentu. Sensor ini melakukan pengukuran terhadap jumlah energi panas/dingin yang dihasilkan oleh suatu obyek sehingga dimungkinkan untuk mengetahui atau mendeteksi gejala perubahan-perubahan suhu tersebut dalam bentuk output analog maupun digital.

B.  JENIS-JENIS SENSOR TEMPERATUR

Sensor temperatur terdiri dari beberapa jenis. Setiap jenis mempunyai  karakteristik yang berbeda tergantung pada aplikasinya. Secara umum, sensor temperatur menurut cara deteksinya dikatagorikan dalam dua jenis, yaitu sensor jenis kontak (Contact Temperature Sensor) dan jenis non-kontak (Non-Contact Temperature Sensor).

1.    Contact Temperature Sensor

Sensor temperatur jenis contact adalah sensor yang memerlukan kontak (hubungan) fisik dengan objek yang akan dirasakan perubahan suhunya. Sensor jenis ini menggunakan konduksi untuk memantau perubahan suhu. Sensor ini dapat digunakan untuk memantau suhu benda padat, cair maupun gas.

2.    Contact Temperature Sensor

Sensor Suhu jenis non-contact adalah Sensor suhu yang dapat mendeteksi perubahan suhu dengan menggunakan konveksi dan radiasi sehingga tidak memerlukan kontak fisik langsung dengan obyek yang akan diukur atau dideteksi suhunya. Sensor jenis ini digunakan untuk mendeteksi cairan dan gas yang memancarkan energi radiasi sebagai panas naik dan mengendap dingin ke bawah di arus konveksi atau mendeteksi energi radiasi yang dipancarkan dari sebuah objek dalam bentuk radiasi infra-merah.

Dari dua tipe dasar dari contact dan sensor temperatur non-contact dapat dibagi menjadi beberapa kelompok sensor, yaitu: Electro-mekanis (Electro-mechanical), Resistif (Resistive), Termo-elektrik (Thermo-electric) dan Elektronik (Electronic).

C.  SENSOR TEMPERATUR ELEKTRO-MEKANIS

Sensor temperatur elektro mekanis serin disebut juga sebagai thermostat. Terdapat tiga jenis termostat menurut bahan sensornya, yaitu thermostat jenis bimetal, gas/cairan, dan magnetis.

1.    Thermostat Bimetal

Sensor ini yang pada dasarnya terdiri dari dua logam yang berbeda seperti nikel, tembaga, tungsten atau aluminium dll, yang terikat bersama untuk membentuk strip bimetal. Prinsip kerja bimetal menggunakan konsep pemuaian, khususnya muai panjang. Jadi, bimetal peka terhadap perubahan suhu. Jika keping bimetal dipanaskan atau dinaikan suhunya, maka akan melengkung ke arah logam yang memiliki angka koefisien muai panjangnya kecil. Bila didinginkan, keping bimetal akan melengkung ke arah logam yang angka koefisien muai panjangnya besar.

Gambar 1: Prinsip Kerja Thermostat Bimetal

Ada dua jenis bimetal yang digunakan sebagai sensor temperatur, yaitu jenis Snap-Action dan jenis Creep-Action. Thermostat bimetal jenis snap-action berbentuk lempengan, perubahan suhu pada bimetal ini mengakibatkan lengkung bimetal berubah. Biasanya digunakan untuk pensaklaran ON/OFF atau sebaliknya. Thermostat bimetal jenis creep-action lebih panjang dan tipis dari jenis snap-action, berbentuk gulungan/spiral yang sesnsitif terhadap perubahan suhu. Bimetal creep-action banyak digunakan untuk pengukuran suhu atau perubahannya.

Gambar 2: Snap-action dan Creep-action Bimetal

Strip bimetal dapat digunakan sebagai saklar listrik atau sebagai cara mekanis operasi saklar listrik di kontrol termostatik dan digunakan secara luas untuk mengontrol elemen pemanas air panas di boiler, tungku, tangki penyimpanan air panas serta di dalam kendaraan sistem pendingin radiator.

Gambar 3: Thermostat Switch

Meskipun sangat murah dan tersedia dengan  jangkauan operasional yang luas, salah satu kelemahan utama dari jenis thermostat ini adalah memiliki hysteresis besar dari saat kontak listrik terbuka sampai ketika mereka menutup lagi. Sebagai contoh, ketika suhu sensing diatur pada 20^oC, switch tidak akan ON/OFF  sampai suhu 22^oC atau bahkan kembali lagi pada suhu 18^oC. Jadi kisaran suhu ayunan dapat cukup tinggi.

1.    Thermostat Gas/Cairan

Sensor ini yang pada dasarnya memanfaatkan tekanan gas/cairan yang akan berubah pada suhu yang berbeda. Pada suhu yang semakin tinggi, tekanan gas/cairan akan meningkat, tekanan gas/cairan ini yang digunakan untuk mengerakkan switch. 

Gambar 4: Thermostat Gas/Cairan

Thermostat jenis gas/cairan dapat diatur besaran suhu yang akan digunakan untuk pemutusan switch-nya. Sensor ini banyak digunakan pada sistem pendinginan, diataranya pada kulkas, coll-storage, dll.

1.    Thermostat Magnetis

Sensor ini memanfaatkan sifat kemagnetan yang akan turun/hilang bila terkena panas yang berlebihan. Magnet permanen pada suhu tertentu akan menurun gaya tarik kemagnetannya pada suatu logam bila terkena panas. Gaya tarik tersebut yang akan hilang pada suhu tertentu.

Sensor temperatur magnetis banyak digunakan sebagai pembatas suhu pada peralatan rumah tangga terutama pemanas, khususnya pada penanak nasi (rice cooker) dan penghangat makanan (warmer).

Gambar 5: Thermostat Gas/Cairan

A.  SENSOR TEMPERATUR RESISTIF

Sensor temperatur resistif bekerja dengan cara mengubah besaran temperatur ke dalam resistansi. Sensor ini berubah nilai resistansinya tergantung pada suhu yang mengenainya. Besarnya nilai resistansi sensor dipengaruhi oleh besarnya suhu. Yang termasuk sensor jenis ini adalah thermistor dan RTD (Resistive Temperature Detector). Perbedaan pada masing-masing jenis sensor ini dikarenakan oleh material pembuatan, jangkauan/range suhu, sensitivitas, dan akurasi masing-masing sensor.

1.    THERMISTOR

Thermistor adalah sensor temperatur jenis resistif. Thermistor merupakan singkatan dari Thermal Resistor, yaitu suatu resestor yang resistansinya dipengaruhi oleh suhu. Termistor adalah resistor yang peka terhadap suhu.

Thermistor terdiri dari 2 jenis yaitu PTC (Positive Temperature Coefficient) dan NTC (Negative Temperature Coefficient). PTC nilai resistansinya akan meningkat tinggi ketika suhunya tinggi dan NTC nilai resistansinya menurun ketika suhunya meningkat tinggi.

 

Gambar 6: Karakteristik Thermistor

Thermistor mengubah besaran suhu menjadi nilai resistansi. Thermistor umumnya terbuat dari bahan keramik seperti oksida nikel, mangan atau kobalt dilapisi kaca.

 

 (a). Simbol Thermistor                

(b). Bentuk NTC dan PTC Thermistor

Gambar 7: Thermistor

Keuntungan dari thermistor dibandingkan dengan sensor temperatur lain adalah sebagai berikut:

1.    Memiliki Respon yang cepat atas perubahan suhu.

2.    Lebih murah dari Sensor jenis RTD (Resistive Temperature Detector).

3.    Rentang/range nilai resistansi yang luas berkisar dari 2 kΩ hingga 10 kΩ.

4.    Memiliki sensitivitas suhu yang tinggi.

5.    Level perubahan output yang tinggi

Sedangkan kekurangan dari thermistor adalah sebagai berikut:

1.    Tidak linier

2.    Range pengukuran suhu yang sempit

3.    Rentan rusak

4.    Memerlukan supply daya

5.    Mengalami self heating

Thermistor (PTC/NTC) banyak diaplikasikan dalam peralatan elektronika seperti Voltage Regulator, sensor temperatur kulkas, pendeteksi kebakaran, sensor temperatur pada otomotif, sensor temperatur pada komputer, sensor untuk memantau pengisian ulang baterai pada ponsel, kamera, dan peraltan elektronik lain, misalnya kipas pendingin.

2.    RESISTIVE TEMPERATURE DETECTOR (RTD)

           Resistive Temperature Detector atau disingkat dengan RTD adalah  sensor temperatur yang terbuat dari logam konduktifitas tinggi seperti platinum, tembaga atau nikel yang dibentuk menjadi sebuah kumparan. RTD memiliki fungsi yang sama dengan thermistor jenis PTC yaitu resistansinya akan naik yang sebanding dengan perubahan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dengan tingkat konsisten/kestabilan yang tinggi pada pendeteksian resistansi.

Gambar 8: Karakteristik RTD

RTD memiliki sensitivitas termal yang sangat kecil, yaitu 1 Ω/^oC. Jenis yang lebih umum dari RTD terbuat dari platinum dan disebut Platinum Resistance Thermometer atau PRT. RTD memiliki resistansi sekitar 100 Ω pada 0^oC dan akan meningkat menjadi sekitar 140 Ω pada 100^oC dengan rentang temperatur operasi antara -200 sampai + 600^oC.

(a). Simbol RTD                               

 (b). Bentuk RTD

Gambar 9: RTD

Keuntungan dari RTD dibandingkan dengan sensor temperatur yang lain adalah:

1.    Rentang suhu yang luas yaitu beroperasi di suhu -200⁰C hingga +650⁰C.

2.    Lebih linier jika dibanding dengan Thermistor dan Thermocouple

3.    Memiliki akurasi, presisi dan stabilitas pengukuran yang tinggi

Sedangjan kekurangan dari RTD adalah sebagai berikut:

1.    Harga RTD mahal

2.    Memerlukan supply daya

3.    Resistansi yang rendah

4.    Tahanan absolut yang rendah

5.    Mengalami self heating

RTD banyak digunakan untuk pengukuran suhu yang presisi di dalam industri makanan dan minuman, kertas, otomotif, peralatan medis, dan rumah tangga.  

A.  SENSOR TEMPERATUR TERMO-ELEKTRIK

Sensor temperatur termo-elektrik adalah sensor suhu yang mengubah suhu menjadi tegangan listrik. Salah satu sensor jenis ini adalah thermokopel. Termokopel pada intinya terdiri dari dua sambungan (junction) logam yang berbeda. Salah satu Logam di Thermocouple dijaga di suhu yang tetap (konstan) yang berfungsi sebagai junction referensi sedangkan satunya lagi dikenakan suhu panas yang akan dideteksi. Dengan adanya perbedaan suhu di dua persimpangan tersebut,  rangkaian akan menghasilkan tegangan listrik tertentu yang nilainya sebanding dengan suhu sumber panas.

Gambar 10: Konstruksi Termokopel

ada termokopel, bila persambungan dua logam berbeda seperti tembaga dan constanta mendapatkan panas akan menghasilkan efek termo-elektrik yang mengakibatkan perbedaan potensial konstan hanya beberapa milivolt (mV) di antara kdua logam. Perbedaan tegangan ini disebut efek Seebeck sebagai gradien suhu yang dihasilkan sepanjang kawat konduktor menghasilkan ggl. Maka tegangan output dari termokopel adalah fungsi dari perubahan suhu.
Jika kedua bahan berada pada suhu yang sama perbedaan potensial adalah nol dengan kata lain, tidak ada tegangan output. Namun, ketika pada temperatur yang berbeda tegangan output akan terdeteksi relatif berbeda.

Gambar 11: Karakteristik Termokopel

Termokopel dapat dibuat dari berbagai bahan yang berbeda memungkinkan dapat beroperasi pada suhu ekstrim antara -200^oC hingga +2.000^oC.  Berdasarkan daerah operasi kerjanya, termokopel dibedakan dalam beberapa jenis, setiap jenis diberikan kode warna tipe sebagaimana dalam tabel 1.

Tabel 1: Type dan Warna Termokopel

Tipe	Bahan (+/-)	Sensitivitas	Kode Warna (British BS 1843:1952)
E	Nickel Chromium/Constantan	-200 - 900oC
J	Iron/Constantan	0 - 750oC
K	Nickel Chromium/Nickel Aluminium	-200 - 1250oC
N	Nicrosil/Nisil	0 - 1250oC
T	Copper/Constantan	-200 - 350oC
U	Copper/Copper Nickel Compensating for "S" and "R"	0 - 1450oC

Tiga bahan termokopel yang paling umum digunakan untuk pengukuran temperatur adalah Iron-Constantan (Tipe J), Tembaga-Constantan (Type T), dan Nikel-Chromium (Type K). Tegangan output dari termokopel sangat kecil, hanya beberapa milivolt (mV) untuk perubahan 10^oC dalam perbedaan suhu dan karena output tegangan kecil ini beberapa bentuk amplifikasi umumnya diperlukan.

Kelebihan Termokoupel dibandingkan dengan sensor temperatur lain adalah sebagai berikut:

1. Memiliki rentang suhu yang luas
2. Tahan terhadap goncangan dan getaran
3. Memberikan respon langsung terhadap perubahan suhu.
4. Self Powered
5. Sederhana
6. Murah
7. Bentuk yang beragam
8. Range respon suhu yang luas

 

Sedangkan kekurangan termkopel adalah:

1.      Tidak linier

2.      Tegangan output rendah

3.      Memerlukan tegangan referensi

4.      Kurang Stabil

5.      Kurang Sensitif

Penggunaan termokopel sangatlah luas mengingat jangkauan temperatur yang dapat di ukur sangar luas. Aplikasi yang umum dikenal menggunakan termokopel antara lain adalah untuk industri besi dan baja, pengaman pada alat-alat pemanas, untuk termopile sensor radiasi, dan pembangkit listrik tenaga panas radioisotope.

A.  SENSOR TEMPERATUR ELEKTRONIK

Sensor temperatur elektronik menggunakan semikonduktor/peralatan elektronik sebagai pendeteksi suhu. Secara umum, yang sering digunakan sebagai sensor temperatur adalah IC sensor temperatur dan infrared-pyrometer.

1.   Sensor Suhu IC (IC Temperature Sensor)

Sensor suhu IC merupakan sensor temperature yang prinsip kerjanya didasarkan pada sifat atau perilaku PN junction silikon terhadap suhu/temperatur. Dimana tegangan maju PN junction akan menurun dengan meningkatnya suhu, sehingga pada beberapa sensor suhu IC akan menghasilkan sinyal output (tegangan, arus) yang berbanding lurus dengan suhu/temperatur. IC sensor temperatur yang umum digunakan adalah IC LM35 untuk skala temperatur Celcius dan IC LM36 untuk skala temperatur Fahren

Sensor LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor Suhu LM35 merupakan komponen elektronika berbentuk integrated circuit (IC) dengan 3 pin yang diproduksi oleh National Semiconductor. Sensor LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, sensor LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan.

Meskipun tegangan sensor suhu LM35 ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan ke sensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 μA, hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas (self-heating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC.

Macam-macam struktur dan bentuk sensor suhu LM35 ditunjukan seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 12: IC LM35

Sensor suhu LM35 yang mempunyai 3 pin seperti LM35-DZ, LM35-DH dan LM35-DP setiap pin mempunyai fungsi masing-masing diantaranya, pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau kaki tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan antara 4 Volt sampai 30 Volt, Sedangkan pin 3 dihubungkan ke body/masa atau ground.

. Keluaran sensor ini akan naik sebesar 10 mV setiap derajad celcius sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut:

VLM35 = 10 mV/ °C

Karakteristik dari IC LM35 adalah sebagai berikut:

1.    Dapat dikalibrasi langsung ke dalam besaran Celcius.

2.    Faktor skala linier + 10mV/ °C.

3.    Tingkat akurasi 0,5°C. saat suhu kamar (25°C).

4.    Jangkauan suhu antara -55°C sampai 150°C.

5.    Bekerja pada tegangan 4 volt hingga 30 volt.

6.    Arus kerja kurang dari 60µA.

7.    Impedansi keluaran rendah 0,1Ω untuk beban 1 mA.

Sensor LM35 bekerja dengan mengubah besaran suhu menjadi besaran tegangan. Tegangan ideal yang keluar dari LM35 mempunyai perbandingan 100°C setara dengan 1 volt. Sensor ini mempunyai pemanasan diri (self heating) kurang dari 0,1°C, dapat dioperasikan dengan menggunakan power supply tunggal dan dapat dihubungkan antar muka (interface) rangkaian control yang sangat mudah.

2.    Pirometer Inframerah (Infrared Pyrometer)

Pirometer inframerah (Infrared pyrometer) adalah sensor suhu yang dapat mengukur suhu dari jarak jauh tanpa melakukan kontak langsung dengan objek yang akan diukur. Infrared pyrometer merupakan device pengukur suhu yang juga biasa disebut sebagai termometer radiasi termal. Sensor ini menggunakan cahaya inframerah untuk mengukur atau mendeteksi radiasi panas (thermal) benda. jadi bisa dikatakan, infrared pyrometer adalah sensor yang digunakan untuk mengukur suhu tanpa kontak ketika sensor tipe probe atau

 sensor dengan kontak langsung, seperti termokopel, RTD, dan lain sebagainya, tidak bisa digunakan atau tidak bisa menghasilkan data yang akurat karena berbagai alasan.

Gambar 13: Pirometer inframerah

Infrared pyrometer biasa digunakan dalam keadaan yang khas, seperti dalam kasus yang berhubungan dengan objek bergerak atau berputar (misalnya: roller, belt conveyor, atau mesin-mesin yang bergerak ), atau dimana pengukuran non-kontak diperlukan karena kontaminasi atau alasan berbahaya (seperti tegangan tinggi), jarak objek yang di ukur terlalu jauh, atau juga dimana suhu yang akan diukur terlalu tinggi untuk sensor yang pengukurannya berkontak langsung dengan objek.

Gambar 13: Pirometer inframerah

Pirometer inframerah/infrared pyrometer menentukan suhu objek dengan cara mengetahui radiasi termal (terkadang disebut radiasi hitam) yang dipancarkan oleh objek tersebut. Benda atau material apapun yang memiliki suhu mutlak diatas nol, akan memiliki molekul yang selalu aktif bergerak. Semakin tinggi suhu maka pergerakan molekul akan semakin cepat. Ketika bergerak, molekul akan memancarkan radiasi inframerah, yang merupakan jenis radiasi elektromagnetik di bawah spektrum cahaya.  Saat suhu objek meningkat atau menjadi lebih panas, maka radiasi inframerah yang dipancarkannya pun akan meningkat, bahkan inframerah yang dipancarkan juga akan bisa menampakkan cahaya jika suhu benda tersebut sangat tinggi. Oleh sebab itu jika ada sebuah logam yang dipanaskan akan nampak memerah atau bahkan memutih. Pirometer akan mengukur besar radiasi inframerah yang dipancarkan oleh benda tersebut.

Pirometer akan mengetahui berapa suhu objek tersebut dengan cara memanfaatkan perubahan panas yang dipancarkan dan yang diterima oleh pirometer. cahaya infrared dapat difokuskan, dipantulkan atau diserap. Pirometer infrared biasanya menggunakan lensa untuk memfokuskan cahaya inframerah yang dari suatu objek ke detektor atau yang biasa disebut thermopile. Thermopile akan menyerap radiasi inframerah dan mengubahnya menjadi energi panas. Semakin banyak energi infrared maka semakin banyak energi panas yang didapat thermopile. Energi panas ini akan diubah menjadi listrik, yang kemudian dikirim ke detektor, yang kemudian akan diubah menjadi besaran suhu dan ditunjukkan atau ditampilkan oleh display infrared pyrometer.

A.  PENUTUP

Sensor temperatur (Temperature Sensors) atau sering juga disebut sebagai sensor suhu adalah suatu komponen yang digunakan untuk mendeteksi suhu/panas.  Jenis sensor suhu bervariasi dari yang sederhana berupa switch/saklar ON/OFF perangkat termostatik sederhana yang mengontrol sistem pemanas air alat rumah tangga hingga jenis sensor yan menggunakan semikonduktor yang sangat sensitif untuk keperluan kontrol proses yang komplek di industri.

Sensor temperatur terdiri dari beberapa jenis. Setiap jenis mempunyai  karakteristik yang berbeda tergantung pada aplikasinya. Secara umum, sensor temperatur menurut cara deteksinya dikatagorikan dalam dua jenis, yaitu sensor jenis kontak (Contact Temperature Sensor) dan jenis non-kontak (Non-Contact Temperature Sensor).

Dari dua tipe dasar dari contact dan sensor temperatur non-contact dapat dibagi menjadi beberapa kelompok sensor, yaitu: Electro-mekanis (Electro-mechanical), Resistif (Resistive), Termo-elektrik (Thermo-electric) dan Elektronik (Electronic).

Sensor temperatur elektro mekanis serinG disebut juga sebagai thermostat. Terdapat tiga jenis termostat menurut bahan sensornya, yaitu thermostat jenis bimetal, gas/cairan, dan magnetis.

Sensor temperatur resistif bekerja dengan cara mengubah besaran temperatur ke dalam resistansi. Yang termasuk sensor jenis ini adalah thermistor dan RTD (Resistive Temperature Detector).

Sensor temperatur termo-elektrik adalah sensor suhu yang mengubah suhu menjadi tegangan listrik. Salah satu sensor jenis ini adalah thermokopel.

Sensor temperatur elektronik menggunakan semikonduktor/peralatan elektronik sebagai pendeteksi suhu. Secara umum, yang sering digunakan sebagai sensor temperatur adalah IC sensor temperatur dan infrared-pyrometer.

DAFTAR RUJUKAN

Kho, Dicson. (2014). Pengertian Sensor Suhu dan Jenis-jenis Sensor Suhu. http://teknikelektronika.com/pengertian-sensor-suhu-jenis-jenis-sensor-suhu. (Online). Diakses tangggal 23 September 2016.

Supriyanto. (2015). Macam-macam Sensor Temperature Suhu.        http://blog.unnes.ac.id/antosupri/macam-macam-sensor-temperature-suhu. (Online). Diakses tangggal 23 September 2016.

……………….. (2014) Temperature Sensors Types for Temperature Measurements. www.electronics-tutorials.ws/io/io_3.html. (Online). Diakses tangggal 23 September 2016.