Perbedaan antara termokopel, termistor, dan RTD

Konsep suhu

Dari sudut pandang fisika, panas adalah ukuran energi yang terkandung dalam benda karena gerakan tak teratur molekul atau atomnya. Seperti bola tenis yang memiliki lebih banyak energi dengan kecepatan yang meningkat, energi internal benda atau gas bertambah seiring dengan peningkatan suhu. Suhu adalah variabel yang, bersama dengan parameter lain seperti massa dan kalor spesifik, menggambarkan isi energi dari benda.

Satuan dasar suhu adalah derajat Kelvin. Pada 0 ° K (Kelvin), setiap molekul dalam benda berada dalam keadaan diam dan tidak ada lagi panas. Oleh karena itu, tidak ada kemungkinan suhu negatif karena tidak ada keadaan dengan energi yang lebih rendah.

Dalam penggunaan sehari-hari, praktik umumnya adalah menggunakan Celsius (dahulu disebut centigrade). Titik nolnya berada pada titik beku air, yang dapat dengan mudah direproduksi dalam praktek. Sekarang 0 °C bukan berarti suhu terendah, karena semua orang tahu dari pengalaman. Dengan memperluas skala Celsius ke suhu terendah di mana semua gerakan molekuler berhenti, kita mencapai –273,15 derajat.

Manusia memiliki kemampuan untuk mengukur suhu melalui inderanya dalam rentang terbatas. Namun, dia tidak mampu melakukan pengukuran kuantitatif yang akurat. Bentuk pertama pengukuran suhu kuantitatif dikembangkan di Florence pada awal abad ke-17 dan bergantung pada ekspansi alkohol. Penskalaan didasarkan pada suhu tertinggi di musim panas dan musim dingin. Seratus tahun kemudian, ahli astronomi Swedia Celsius menggantinya dengan titik lebur dan titik didih air. Hal ini memberi termometer kesempatan untuk memperbesar atau memperkecil kapan saja dan mereproduksi pembacaan tersebut kemudian.

Pengukuran suhu listrik

Pengukuran suhu sangat penting dalam banyak aplikasi, seperti kontrol bangunan, pengolahan makanan, dan pembuatan baja serta produk petrokimia. Aplikasi-aplikasi yang sangat berbeda ini memerlukan sensor suhu dengan struktur fisik yang berbeda dan biasanya teknologi yang berbeda juga.

Dalam aplikasi industri dan komersial, titik pengukuran umumnya jauh dari titik indikasi atau kontrol. Pengolahan lebih lanjut dari pengukuran biasanya diperlukan di kontroler, perekam, atau komputer. Aplikasi-aplikasi ini tidak cocok untuk indikasi langsung menggunakan termometer seperti yang kita kenal dalam penggunaan sehari-hari, tetapi membutuhkan konversi suhu ke bentuk lain dari perangkat, yaitu sinyal listrik. Untuk menyediakan sinyal listrik jarak jauh ini, RTD umumnya digunakan. Selain itu, termistor dan termocouple juga dapat digunakan.

RTD mengadopsi karakteristik perubahan hambatan logam seiring dengan suhu. Mereka adalah sensor koefisien suhu positif (PTC) yang hambatannya meningkat dengan suhu. Logam utama yang digunakan adalah platinum dan nikel. Sensor yang paling banyak digunakan adalah RTD 100 ohm atau 1000 ohm atau termometer hambatan platinum.

RTD adalah sensor paling akurat untuk aplikasi industri dan juga memberikan stabilitas jangka panjang terbaik. Nilai representatif dari akurasi resistansi platinum adalah + 0,5% dari suhu yang diukur. Setelah satu tahun, mungkin ada perubahan + 0,05 ° C akibat penuaan. Termometer resistansi platinum memiliki rentang suhu – 200 hingga 800 ° C.

Perubahan hambatan dengan suhu

Kemampuan konduktivitas suatu logam bergantung pada mobilitas elektron penghantar. Jika tegangan diterapkan pada ujung kawat, elektron akan bergerak menuju kutub positif. Kekurangan dalam struktur kristal mengganggu gerakan ini. Mereka meliputi atom luar atau atom yang hilang di posisi kristal, atom di batas butir dan di antara posisi kristal. Karena lokasi kesalahan ini tidak tergantung pada suhu, mereka menghasilkan hambatan yang konstan. Dengan peningkatan suhu, atom-atom dalam struktur kristal logam menunjukkan osilasi yang meningkat di dekat posisi stasionernya, sehingga menghambat pergerakan elektron penghantar. Karena osilasi meningkat secara linear dengan suhu, peningkatan hambatan yang disebabkan oleh osilasi secara langsung bergantung pada suhu.

Platinum telah diterima secara luas dalam pengukuran industri. Keunggulannya meliputi stabilitas kimia, fabrikasi yang relatif mudah (terutama untuk pembuatan kawat), kemungkinan memperolehnya dalam bentuk keadaan murni tinggi, dan sifat listrik yang dapat direproduksi. Karakteristik ini membuat sensor resistansi platinum menjadi sensor suhu yang paling banyak dipertukarkan.

Thermistor dibuat dari beberapa oksida logam dan hambatannya berkurang dengan peningkatan suhu. Karena karakteristik hambatan berkurang dengan peningkatan suhu, ia disebut sensor koefisien suhu negatif (NTC).

Karena sifat proses dasar, jumlah elektron penghantar bertambah secara eksponensial dengan suhu; oleh karena itu, karakteristik menunjukkan peningkatan yang kuat. Nonlinearitas yang jelas ini adalah kelemahan dari resistor NTC dan membatasi rentang suhu efektifnya hingga sekitar 100 °C. Mereka tentu saja dapat dilinierkan oleh komputer otomatis. Namun, presisi dan linearitasnya tidak dapat memenuhi persyaratan untuk rentang pengukuran yang besar. Drift-nya pada suhu bolak-balik juga lebih besar daripada RTD. Penggunaannya terbatas pada aplikasi pemantauan dan indikasi di mana suhu tidak melebihi 200 °C. Dalam aplikasi sederhana ini, mereka sebenarnya unggul dibandingkan termokopel dan RTD yang lebih mahal, mengingat biayanya yang rendah dan rangkaian elektronik yang relatif sederhana yang diperlukan.

Dasar dari koppelpas adalah hubungan antara dua logam berbeda, termistor. Tegangan yang dihasilkan oleh koppelpas dan RTD meningkat dengan suhu. Dibandingkan dengan termometer resistansi, koppelpas memiliki batas suhu atas yang lebih tinggi, dengan keuntungan signifikan hingga beberapa ribu derajat Celsius. Stabilitas jangka panjangnya sedikit buruk (beberapa derajat setelah satu tahun), dan akurasi pengukurannya sedikit buruk (rata-rata + 0,75% dari rentang pengukuran). Mereka sering digunakan pada oven, tungku, pengukuran gas buang, dan area lainnya di mana suhu lebih tinggi dari 250 °C.

Efek termoelektrik

Ketika dua logam dihubungkan bersama, tegangan termoelektrik dihasilkan akibat perbedaan energi ikatan dari elektron dan ion logam. Tegangan tersebut bergantung pada logam itu sendiri dan suhu. Agar tegangan termal ini menghasilkan arus, kedua logam tentu harus dihubungkan di ujung lain untuk membentuk rangkaian tertutup. Dengan cara ini, tegangan termal dihasilkan di sambungan kedua. Efek termoelektrik ditemukan oleh Seebeck pada tahun 1822. Sejak tahun 1828, Becquerel menyarankan penggunaan pasangan termokopel platinum paladium untuk pengukuran suhu.

Jika suhu di kedua sambungan sama, tidak ada aliran arus karena tekanan parsial yang dihasilkan di kedua titik tersebut saling menghilangkan. Ketika suhu di sambungan berbeda, tegangan yang dihasilkan juga berbeda dan arus mengalir. Oleh karena itu, termokopel hanya dapat mengukur perbedaan suhu.

Titik pengukuran adalah suatu sambungan yang terpapar pada suhu yang diukur. Sambungan referensi adalah suatu sambungan pada suhu yang diketahui. Karena suhu yang diketahui biasanya lebih rendah daripada suhu yang diukur, sambungan referensi biasanya disebut sambungan dingin. Untuk menghitung suhu sebenarnya dari titik pengukuran, suhu ujung dingin harus diketahui.

Alat-alat lama menggunakan kotak sambungan termostat untuk mengontrol suhu sambungan dingin pada nilai-nilai yang diketahui seperti 50c. Alat modern menggunakan RTD tipis di ujung dingin untuk menentukan suhunya dan menghitung suhu titik pengukuran.

Tegangan yang dihasilkan oleh efek termoelektrik sangat kecil dan hanya beberapa mikrovolt per derajat Celsius. Oleh karena itu, kawat pasangan jarang digunakan dalam rentang – 30 hingga + 50 ° C, karena perbedaan antara suhu sambungan referensi dan suhu sambungan referensi terlalu kecil untuk menghasilkan sinyal yang tidak terganggu.

Pengkabelan RTD

Dalam termometer resistansi, resistansi bervariasi dengan suhu. Untuk mengevaluasi sinyal keluaran, arus konstan dilewati melalui sensor dan beda potensial di atasnya diukur. Untuk beda potensial ini, hukum Ohm berlaku, v = IR.

Arus pengukuran harus sekecil mungkin untuk menghindari pemanasan sensor. Dapat diasumsikan bahwa arus pengukuran 1mA tidak akan memperkenalkan kesalahan yang jelas. Arus ini menghasilkan beda potensial 0,1V pada PT 100 pada 0 ℃. Sinyal tegangan ini harus sekarang ditransmisikan melalui kabel penghubung ke titik indikasi atau titik evaluasi dengan modifikasi minimal. Ada empat jenis berbeda dari rangkaian koneksi:

rangkaian dua kawat

Kabel dengan 2 inti digunakan untuk koneksi antara termometer dan elektronik evaluasi. Seperti konduktor listrik lainnya, kabel memiliki hambatan seri dengan termometer resistansi. Sebagai hasilnya, kedua hambatan tersebut ditambahkan bersama dan elektronik mengartikannya sebagai kenaikan suhu. Untuk jarak yang lebih jauh, hambatan garis dapat mencapai beberapa ohm dan menghasilkan offset yang signifikan pada nilai pengukuran.

rangkaian tiga kawat

Untuk meminimalkan pengaruh hambatan garis dan fluktuasinya dengan suhu, sirkuit tiga kawat biasanya digunakan. Ini mencakup pemasangan kawat tambahan pada salah satu kontak RTD. Hal ini menghasilkan dua rangkaian pengukuran, salah satunya digunakan sebagai acuan. Sirkuit 3-kawat dapat mengkompensasi hambatan garis dalam hal jumlahnya dan variasi suhu. Namun, semua tiga konduktor harus memiliki karakteristik yang sama dan terpapar suhu yang sama. Metode ini biasanya diterapkan secara cukup untuk membuat sirkuit 3-kawat menjadi metode yang paling banyak digunakan saat ini. Tidak diperlukan penyeimbangan garis.

rangkaian empat kawat

Bentuk koneksi terbaik dari termometer resistansi adalah rangkaian 4-kawat. Pengukuran tidak bergantung pada resistansi kabel maupun perubahan yang disebabkan oleh suhu. Tidak diperlukan penyeimbangan kabel. Termometer memberikan arus pengukuran melalui koneksi daya. Penurunan tegangan pada kabel pengukuran diambil oleh kabel pengukuran. Jika hambatan masukan suatu perangkat elektronik jauh lebih besar daripada hambatan kabel, yang terakhir dapat diabaikan. Penurunan tegangan yang ditentukan dengan cara ini independen dari karakteristik kabel penghubung. Teknik ini biasanya hanya digunakan untuk alat-alat ilmiah yang memerlukan ketelitian pengukuran satu per seratus.

Transmiter 2-kawat

Dengan menggunakan transmisi 2-kawat alih-alih kabel multi-kawat, masalah dari rangkaian 2-kawat seperti yang dijelaskan di atas dapat dihindari. Transmisi mengonversi sinyal sensor menjadi sinyal arus yang dinormalisasi sebesar 4-20mA, yang proporsional terhadap suhu. Pemasok daya untuk transmisi juga beroperasi melalui dua koneksi yang sama, dengan menggunakan arus dasar 4 mA. Transmisi 2-kawat memberikan keuntungan tambahan, yaitu penguatan sinyal secara signifikan mengurangi dampak gangguan eksternal. Ada dua tata letak untuk penempatan transmisi. Karena jarak antara sinyal yang tidak diperkuat harus sesingkat mungkin, penguat dapat dipasang langsung pada termometer di kepala terminalnya. Solusi terbaik ini kadang-kadang tidak memungkinkan karena alasan struktural atau pertimbangan bahwa transmisi mungkin sulit dijangkau jika terjadi kerusakan. Dalam hal ini, transmisi yang dipasang di rel diinstal di dalam panel kontrol. Keuntungan akses yang ditingkatkan dibeli dengan biaya jarak yang lebih panjang yang harus ditempuh oleh sinyal yang tidak diperkuat.

Kabel termistor

Hambatan sebuah termistor biasanya beberapa kali lipat lebih besar daripada hambatan kabel penghubung. Oleh karena itu, pengaruh hambatan kabel terhadap pembacaan suhu dapat diabaikan, sementara termistor hampir selalu dihubungkan dalam konfigurasi 2-kabel.

Kabel termopasangan

Berbeda dengan RTD dan termistor, termopasangan memiliki kaki positif dan negatif, sehingga polaritas harus diperhatikan. Mereka dapat dihubungkan langsung ke transmisi 2-kabel lokal dan kabel tembaga dapat dikembalikan ke instrumen penerima. Jika instrumen penerima dapat menerima masukan termopasangan secara langsung, kabel termopasangan yang sama atau kabel ekstensi termopasangan harus digunakan sepanjang jalan kembali ke instrumen penerima.