Pengertian Termokopel (Thermocouple), Fungsi dan Prinsip Kerja Termokopel - Termokopel (Thermocouple) merupakan jenis sensor suhu yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur suhu melalui dua jenis logam konduktor berbeda yang digabungkan pada ujungnya sehingga menimbulkan efek "Thermo-electric".
Efek Thermo-electric pada termokopel ini telah ditemukan pada tahun 1821 oleh seorang fisikawan Estonia yang bernama Thomas Johann Seebeck, dimana sebuah logam konduktor yang diberi perbedaan panas secara gradient akan menghasilkan tegangan listrik. Perbedaan tegangan listrik diantara dua persimpangan (junction) ini dinamakan dengan efek "Seebeck"
Termokopel ini merupakan jenis sensor suhu yang paling populer dan sering digunakan dalam berbagai rangkaian ataupun peralatan listrik elektronika yang berkaitan dengan suhu (temperature).
Beberapa kelebihan atau keunggulan termokopel yang membuatnya menjadi populer adalah responnya yang cepat terhadap perubahan suhu dan juga rentang suhu operasionalnya yang luas yaitu berkisar diantara -200˚C hingga 2000˚C. Selain respon yang cepat dan rentang suhu yang luas, termokopel juga tahan terhadap goncangan atau getaran dan mudah digunakan.
Sejarah Thermocouple
Pada tahun 1821, fenomena thermo-elektrik pertamakali ditemukan oleh seorang ilmuwan bernama Thomas Johann Seebeck yang berasal dari negara Jerman. Dalam penelitian tersebut Thomas melakukan penggabungan dua buah logam yang berbeda, yakni besi dan tembaga dalam sebuah rangkaian. Kemudian Ia juga meletakkan jarum kompas pada alat tersebut.
Ketika rangkaian tersebut dipanaskan, maka jarum kompas akan mengalami proses gerak. Hal ini dapat terjadi karena adanya aliran listrik ada logam yang kemudian memicu terjadinya reaksi medan magnet serta menimbulkan reaksi pada jarum penunjuk. Fenomena ini kemudian dikenal dengan istilah efek Seebeck.
Berdasarkan temuannya tersebut, maka menginspirasi Jean Charles Peltier untuk menciptakan alat ukur suhu yang memanfaatkan dua jenis logam berbeda. Dengan adanya teori dasar inilah yang menjadi cikal bakal pengembangan alat yang bernama termokopel. Yaitu alat yang menggunakan thermo-elektrik untuk dapat mendeteksi perubahan suhu pada suatu benda ataupun perangkat elektronik.
Fungsi Thermocouple
Secara umum, thermocouple memiliki fungsi sebagai alat ukur untuk mendeteksi suhu. Jadi, dengan memanfaatkan dua komponen logam penyusunnya itu termokopel akan mendeteksi apabila terjadi perubahan suhu pada perangkat elektronik.
Untuk pengaplikasiannya sendiri, termokopel sering digunakan untuk berbagai keperluan. Misalnya saja seperti digunakan pada sensor otomotif, penanak nasi, lemari pendingin, sensor pada pesawat terbang dan lain sebagainya.
Prinsip Kerja Thermocouple
Prinsip kerja dari termokopel sendiri sebenarnya cukup mudah dan sederhana. Pada dasarnya termokopel hanya terdiri dari 2 kawat logam konduktor yang berbeda jenis dan digabungkan ujungnya.
Satu jenis logam konduktor yang terdapat pada termokopel akan berfungsi sebagai referensi dengan suhu konstal (tetap) sedangkan yang satunya lagi sebagai logam konduktor yang mendeteksi suhu panas.
Untuk lebih jelasnya bisa lihat gambar di bawah ini :
Dar gambar di atas, ketika kedua persimpangan atau junction memiliki suhu yang sama, maka beda potensial atau tegangan listrik yang melalui dua persimpangan tersebut adalah "NOL" 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. Tegangan tersebut kemudian dikonversikan sesuai dengan tabel referensi yang telah ditetapkan sehingga menghasilkan pengukuran yang dapat dimengerti oleh kita.
Instalasi Thermocouple
Untuk mengetahui lebih detail lagi mengenai alat sensor suhu yang satu ini, mari simak informasi selengkapnya mengenai instalasi thermocouple:
- Probe dan Seath
Probe dan seath adalah bagian yang tidak dapat dipisahkan dalam instalasi termokopel. Probe adalah dua buah kabel yang terdapat pada termokopel. Dimana fungsi utamanya yaitu berperan sebagai sensor suhu.
Sedangkan seath adalah bagian yang berfungsi untuk melakukan proteksi atau melindungi probe. Jadi, letak dari seath ini terdapat pada bagian luar probe karena berfungsi sebagai pelindung.
Probe atau konduktor merupakan komponen utama dari thermocouple. Komponen tersebut dibuat dari bahan logam, serta masing-masing terdiri dari jenis yang berbeda. Ukuran probe pada thermocouple juga tidak akan sama persis. Dimana semakin besar diameternya, maka semakin besar pula kemampuan alat tersebut untuk mengukur suhu.
Namun semakin besar diameter yang digunakan sebagai sensor, maka waktu yang dibutuhkan untuk merespon perubahan suhu juga akan semakin lambat. Sehingga ukuran diameter probe memang perlu dipertimbangkan agar bisa mendapatkan hasil pengukuran yang optimal.
- Temperature Indikator
Selain membutuhkan konduktor sebagai komponen utamanya, instalasi termokopel juga membutuhkan adanya temperature indikator. Dimana temperature indikator ini berfungsi untuk membaca hasil pengukuran dari termokopel.
Jadi, hasil yang didapatkan dari pengukuran harus dihantarkan pada alat khusus agar dapat dibaca. Dimana untuk menghantarkannya, alat tersebut juga membutuhkan kabel sebagai mediah yang dikenal dengan sebutan kabel ekstensi.
- PLC dan DCS
Agar dapat mengetahui nilai hasil pengukuran menggunakan termokopel. Kita juga membutuhkan alat yang bernama PLC dan DCS. Untuk mengirimkan nilai hasil pengukuran pada DCS atau PLC dapat dilakukan dengan dua cara.
Cara yang pertama adalah dengan menyambungkan kabel thermocouple pada module input yang terdapat pada alat tersebut. Lalu cara kedua yang bisa dicoba yaitu dengan menarik kabel pada termokopel, kemudian menyambungkannya pada temperatur transmitter. Kemudian temperature transmitter akan mengirimkan hasil pengukuran ke PLC dan DCS dengan menggunakan sinyal analog.
Jenis-jenis Thermocouple
Termokopel tersedia dalam berbagai macam rentang suhu dan jenis bahan. Pada dasarnya, gabungan jenis-jenis logam konduktor yang berbeda akan menghasilkan rentang suhu operasional yang berbeda pula.
Berikut jenis-jenis atau tipe termokopel yang umum digunakan berdasarkan standar Internasional.
1. Termokopel Tipe K
Tipe ini dibuat dari bahan Ni-CR (+) dan Ni-AL (-). Pada umumnya digunakan untuk ruang bakar seperti boiler, reformer hight temperature steam, dan lain sebagainya. Kabelnya memiliki warna kuning untuk positif (+) sedangkan merah untuk negative (-) dengan rentang -260 degC sampai 1200 degC.
2. Termokopel Tipe E
Tipe ini dibuat dari bahan Chromel dan Constantan (Cu-Ni alloy). Banyak digunakan untuk suhu rendah dengan output (68 µV/°C). Tipe E sendiri sebenarnya juga memiliki tipe lain yaitu non magnetic.
3. Termokopel Tipe N
Tipe N dibuat dari Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) dan Nisil (Ni-Si alloy). Kelebihan yang dimiliki tipe ini adalah tetap stabil dengan ketahanan cukup baik terhadap oksidasi. Inilah yang menjadikan tipe N ini cocok sekali untuk mengukur suhu tinggi tanpa platinum.
Tipe ini bahkan mampu mengukur suhu di atas . Sedangkan untuk sensitifitasnya sekitar µV/°C pada 900 °C, lebih sedikit daripada tipe K.
4. Termokopel Tipe J
Tipe J bisa dibilang kurang populer jika dibandingkan dengan tipe K. Rentangnya memang sangat terbatas karena berada di kisaran -40 sampai 750°C.
5. Termokopel Tipe T
Tipe T akan sangat cocok jika digunakan pada suhu sekitar -200 sampai 350°C. Adapun bahan yang digunakan untuk konduktor positif yaitu tembaga, dan untuk yang negative dari constan. Sering digunakan untuk penelitian kawat tembaga. Adapun sensitifitasnya yaitu 43 µV/°C
6. Thermocouple Tipe U
Pada termokopel tipe U, bagian positifnya adalah Cooper atau tembaga. Sedangkan bagian negatifnya terbuat dari Cooper Nickel. Untuk rentang suhu ukur dari alat tersebut cukup rendah yaitu dimulai dari -200°C, sampai dengan 350°C saja.
Pengaplikasian Thermocouple
Berikut ini adalah pengaplikasian alat termokopel yang banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari:
- Termokopel banyak digunakan sebagai sensor suhu pada termostat di rumah, kantor, kantor & bisnis, dan lain sebagainya.
- Termokopel banyak digunakan dalam dunia industri untuk memonitor suhu logam pada besi, alumunium, dan juga logam.
- Termokopel juga digunakan pada industri makanan untuk aplikasi cryogenic dan suhu rendah. Dalam hal ini termokopel berfungsi sebagai pompa panas untuk dapat melakukan pendinginan termoelektrik.
- Termokopel banyak digunakan untuk melakukan pengujian suhu di pabrik kimia dan pabrik minyak bumi.
- Termokopel juga digunakan pada mesin gas untuk dapat mendeteksi nyala percontohan.
Perbedaan Mendasar Termokopel Dengan Termistor
Termokopel :
- Penginderaan suhu yang luas (Tipe T = -200-350 ° C; Tipe J = 95-760 ° C; Tipe K = 95-1260 ° C; tipe lain pergi ke suhu yang lebih tinggi)
- Bisa sangat akurat
- Parameter penginderaan = tegangan yang dihasilkan oleh persimpangan pada suhu yang berbeda
- Tegangan termokopel relatif rendah (4.3mV untuk termokopel tipe T dengan satu ujung pada 0 C, lainnya pada 100 C, jadi itu 43uV / C tempco)
- Kebanyakan linier
Termistor :
- Rentang penginderaan yang lebih sempit (kualitas Z termistor pada -55 hingga +150 C)
- Parameter sensing = resistensi
- Biasanya sangat nonlinier
- Termistor NTC mengalami penurunan resistensi secara eksponensial dengan meningkatnya suhu
- Bagus untuk merasakan perubahan kecil dalam suhu (kecuali Anda berhati-hati dalam pengkondisian sinyal Anda, sulit untuk menggunakan termistor secara akurat dan dengan resolusi tinggi lebih dari kisaran 50 C).
- Rangkaian penginderaan tidak perlu amplifikasi & sangat sederhana (pembagi tegangan dengan resistor referensi terikat pada tegangan referensi biasanya sudah cukup).
- Akurasi biasanya sulit untuk menjadi lebih baik dari 1 ° C tanpa kalibrasi
Karakteristik Thermocouple
Sama halnya dengan alat ukur lainnya, termokopel juga memiliki karakteristik dan ciri khasnya tersendiri. Berikut karakteristik dari thermocouple yang perlu diketahui:
- Thermocouple terdiri dari dua konduktor yang berfungsi sebagai sensor suhu.
- Logam yang digunakan untuk konduktor terbuat dari dua material yang berbeda.
- Pada thermocouple, satu logam digunakan untuk mengukur suhu konstan, sedangkan satunya lagi digunakan untuk mendeteksi panas.
- Tegangan yang dihasilkan oleh alat tersebut memiliki nilai berbeda tergantung perangkat elektronik yang digunakan.
- Rentang suhu pengukuran thermocouple mulai dari -200° C sampai dengan 1450° C.
Kelebihan dan kekurangan Thermocouple
Thermocouple adalah alat ukur yang populer. Namun, alat ukur tersebut tentu saja tidak bisa lepas dari kelebihan dan kekurangannya. Berikut adalah kelebih dan kekurangan termokopel:
1. Kelebihan Thermocouple
Sebagai alat ukur suhu, berikut adalah kelebih dari termokopel:
- Thermocouple adalah alat ukur yang relatif murah namun memiliki hasil pengukuran yang akurat.
- Termokopel memiliki tingkat repeatability yang cukup tinggi.
- Termokopel memiliki skala jelas.
- Hasil pengukurannya mudah untuk dibaca.
- Memiliki respon yang cepat terhadap perubahan suhu.
- Memiliki akurasi yang tepat.
- Range pengukurannya yang luas.
- Termokopel terbilang awet dan tidak mudah rusak.
- Mampu beroperasi dengan cukup baik pada jarak kurang dari 1 cm.
- Self powered.
2. Kekurangan Thermocouple
Selain kelebihannya, termokopel juga tidak lepas dari kekurangan. Berikut adalah kekurangan dari thermocouple:
- Agar dapat digunakan, thermocouple membutuhkan peralatan tambahan dan harga peralatan tersebut cukup mahal.
- Termokopel sulit untuk di kalibrasi.
- Ketika melakukan pengukuran awal, alat tersebut membutuhkan acuan temperatur terlebih dahulu.
- Termokopel memiliki tingkat sensitivitas yang rendah.
- Alat ukur tersebut kurang stabil.
- Thermocouple hanya dapat digunakan untuk mengukur suhu saja.
- Akurasinya tidak cukup tinggi, yaitu hanya sekitar 0,5 ° C saja.
Demikianlah pembahasan kita kali ini mengenai thermocouple, mulai dari pengertian, sejarah, fungsi, jenis-jenis, kelebihan dan kekurangannya. Semoga tulisan di atas dapat bermanfaat bagi kita semua.