ENKonsep suhu
Dari sudut pandang fisik, panas adalah ukuran energi yang terkandung dalam tubuh karena pergerakan molekul atau atomnya yang tidak teratur. Sama seperti bola tenis memiliki lebih banyak energi dengan kecepatan yang meningkat, energi internal tubuh atau gas meningkat seiring dengan meningkatnya suhu. Suhu adalah variabel yang, bersama dengan parameter lain seperti massa dan panas spesifik, menggambarkan kandungan energi tubuh.
Ukuran dasar suhu adalah derajat Kelvin. Pada 0 ° K (Elvin), setiap molekul dalam tubuh diam dan tidak ada lagi panas. Oleh karena itu, tidak ada kemungkinan suhu negatif karena tidak ada keadaan energi yang lebih rendah.
Dalam penggunaan sehari-hari, praktik yang biasa adalah menggunakan celcius (sebelumnya celcius). Titik nolnya berada pada titik beku air, yang dapat dengan mudah direproduksi dalam praktiknya. Sekarang 0 ° C sama sekali bukan suhu terendah, karena semua orang tahu dari pengalaman. Dengan memperluas skala celcius ke suhu terendah di mana semua gerakan molekul berhenti, kita mencapai – 273.15 derajat.
Manusia memiliki kemampuan untuk mengukur suhu melalui inderanya dalam kisaran terbatas. Namun, ia tidak dapat mereproduksi pengukuran kuantitatif secara akurat. Bentuk pertama pengukuran suhu kuantitatif dikembangkan di Florence pada awal abad ke-17 dan mengandalkan ekspansi alkohol. Penskalaan didasarkan pada suhu tertinggi di musim panas dan musim dingin. Seratus tahun kemudian, astronom Swedia Celsius menggantinya dengan titik leleh dan titik didih air. Ini memberi termometer kesempatan untuk memperbesar dan memperkecil kapan saja dan mereproduksi pembacaan nanti.
Suhu pengukuran listrik
Pengukuran suhu penting dalam banyak aplikasi, seperti kontrol bangunan, pengolahan makanan, dan pembuatan produk baja dan petrokimia. Aplikasi yang sangat berbeda ini membutuhkan sensor suhu dengan struktur fisik yang berbeda dan biasanya teknologi yang berbeda
Dalam aplikasi industri dan komersial, titik pengukuran biasanya jauh dari indikasi atau titik kontrol. Pemrosesan pengukuran lebih lanjut biasanya diperlukan di pengontrol, perekam atau komputer. Aplikasi ini tidak cocok untuk indikasi langsung termometer karena kita mengetahuinya dari penggunaan sehari-hari, tetapi perlu mengubah suhu menjadi bentuk perangkat lain, sinyal listrik. Untuk memberikan sinyal listrik jarak jauh ini, RTD biasanya digunakan. Termistor dan termokopel.
RTD mengadopsi karakteristik ketahanan logam yang berubah dengan suhu. Mereka adalah sensor koefisien suhu positif (PTC) yang resistansinya meningkat seiring dengan suhu. Logam utama yang digunakan adalah platinum dan nikel. Sensor yang paling banyak digunakan adalah RTDS 100 ohm atau 1000 ohm atau termometer resistansi 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 melalui penuaan. Termometer resistensi platinum memiliki kisaran suhu – 200 hingga 800 ° C.
Perubahan resistansi dengan suhu
Konduktivitas logam tergantung pada mobilitas elektron konduktor. Jika tegangan diterapkan ke ujung kawat, elektron bergerak ke kutub positif. Cacat pada kisi mengganggu gerakan ini. Mereka termasuk atom kisi eksternal atau hilang, atom pada batas butir dan antara posisi kisi. Karena lokasi patahan ini tidak bergantung pada suhu, mereka menghasilkan resistansi konstan. Dengan peningkatan suhu, atom-atom dalam kisi logam menunjukkan peningkatan osilasi di dekat posisi diam mereka, sehingga menghambat pergerakan elektron konduktor. Karena osilasi meningkat secara linier dengan suhu, peningkatan resistansi yang disebabkan oleh osilasi tergantung langsung pada suhu.
Platinum telah diterima secara luas dalam pengukuran industri. Kelebihannya termasuk stabilitas kimia, fabrikasi yang relatif mudah (terutama untuk pembuatan kawat), kemungkinan mendapatkannya dalam bentuk kemurnian tinggi, dan sifat listrik yang dapat direproduksi. Karakteristik ini menjadikan sensor resistansi platinum sebagai sensor suhu yang paling banyak dipertukarkan.
Termistor terbuat dari beberapa oksida logam dan resistansinya menurun dengan meningkatnya suhu. Karena karakteristik resistansi menurun dengan kenaikan suhu, ini disebut sensor koefisien suhu negatif (NTC).
Karena sifat proses dasar, jumlah elektron konduktor meningkat secara eksponensial dengan suhu; Oleh karena itu, karakteristiknya menunjukkan peningkatan yang kuat. Nonlinieritas yang jelas ini merupakan kelemahan resistor NTC dan membatasi kisaran suhu efektifnya hingga sekitar 100 ° C. Tentu saja, mereka dapat dilinierisasi oleh komputer otomatis. Namun, akurasi dan linearitas tidak dapat memenuhi persyaratan rentang pengukuran yang besar. Pergeseran mereka pada suhu bergantian juga lebih besar dari RTD. Penggunaannya terbatas pada pemantauan dan indikasi aplikasi di mana suhu tidak melebihi 200 ° C. Dalam aplikasi sederhana ini, mereka sebenarnya lebih unggul daripada termokopel dan RTD yang lebih mahal, mengingat biayanya yang rendah dan sirkuit elektronik yang relatif sederhana yang diperlukan.
Dasar termokopel adalah koneksi antara dua logam yang berbeda, termistor. Tegangan yang dihasilkan oleh termokopel dan RTD meningkat dengan suhu. Dibandingkan dengan termometer resistansi, mereka memiliki batas suhu atas yang lebih tinggi, dengan keunggulan signifikan beberapa ribu derajat Celcius. Stabilitas jangka panjangnya sedikit buruk (beberapa derajat setelah satu tahun), dan akurasi pengukuran sedikit buruk (rata-rata + 0,75% dari rentang pengukuran). Mereka sering digunakan dalam oven, tungku, pengukuran gas buang dan area lain di mana suhunya lebih tinggi dari 250 ° C.
Efek termoelektrik
Ketika dua logam dihubungkan bersama, tegangan termoelektrik dihasilkan karena energi pengikatan elektron dan ion logam yang berbeda. Tegangan tergantung pada logam itu sendiri dan suhunya. Agar tegangan termal ini menghasilkan arus, kedua logam tersebut tentu saja harus dihubungkan bersama di ujung lainnya untuk membentuk sirkuit tertutup. Dengan cara ini, tegangan termal dihasilkan di persimpangan kedua. Efek termoelektrik ditemukan oleh Seebeck pada tahun 1822. Pada awal tahun 1828, Becquerel menyarankan penggunaan termokopel paladium platinum untuk pengukuran suhu.
Jika ada suhu yang sama di kedua persimpangan, tidak ada aliran arus karena tekanan parsial yang dihasilkan di dua titik saling meniadakan satu sama lain. Ketika suhu di persimpangan berbeda, tegangan yang dihasilkan berbeda dan arus mengalir. Oleh karena itu, termokopel hanya dapat mengukur perbedaan suhu.
Titik pengukuran adalah persimpangan yang terpapar suhu yang diukur. Persimpangan referensi adalah persimpangan pada suhu yang diketahui. Karena suhu yang diketahui biasanya lebih rendah dari suhu yang diukur, persimpangan referensi biasanya disebut persimpangan dingin. Untuk menghitung suhu sebenarnya dari titik pengukuran, suhu ujung dingin harus diketahui.
Instrumen yang lebih tua menggunakan kotak sambungan kontrol termostatik untuk mengontrol suhu sambungan dingin pada nilai yang diketahui seperti 50c. Instrumen modern menggunakan RTD film 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 celcius. Oleh karena itu, termokopel biasanya tidak digunakan dalam kisaran – 30 hingga + 50 ° C, karena perbedaan antara suhu sambungan referensi dan suhu sambungan referensi terlalu kecil untuk menghasilkan sinyal non-interferensi.
Pengkabelan RTD
Dalam termometer resistansi, resistansi bervariasi dengan suhu. Untuk mengevaluasi sinyal keluaran, arus konstan melewatinya dan penurunan tegangan di atasnya diukur. Untuk penurunan tegangan ini, hukum Ohm dipatuhi, v = IR.
Arus pengukuran harus sekecil mungkin untuk menghindari pemanasan sensor. Dapat dipertimbangkan bahwa arus pengukuran 1mA tidak akan menimbulkan kesalahan yang jelas. Arus menghasilkan penurunan tegangan 0.1V di PT 100 pada 0 °C. Tegangan sinyal ini sekarang harus ditransmisikan melalui kabel penghubung ke titik indikasi atau titik evaluasi dengan modifikasi minimal. Ada empat jenis sirkuit koneksi:
Sirkuit 2-kawat
Kabel 2-inti digunakan untuk sambungan antara termometer dan elektronik evaluasi. Seperti konduktor listrik lainnya, kabel memiliki resistansi secara seri dengan termometer resistansi. Akibatnya, kedua resistor ditambahkan bersama dan elektronik menafsirkannya sebagai kenaikan suhu. Untuk jarak yang lebih jauh, resistansi saluran dapat mencapai beberapa ohm dan menghasilkan offset yang signifikan dalam nilai yang diukur.
Sirkuit 3-kawat
Untuk meminimalkan pengaruh resistansi saluran dan fluktuasinya dengan suhu, sirkuit tiga kawat biasanya digunakan. Ini termasuk menjalankan kabel tambahan pada salah satu kontak RTD. Ini menghasilkan dua sirkuit pengukuran, salah satunya digunakan sebagai referensi. Sirkuit 3-kawat dapat mengkompensasi resistansi saluran dalam hal jumlah dan variasi suhunya. Namun, ketiga konduktor tersebut diharuskan memiliki karakteristik yang sama dan terkena suhu yang sama. Ini biasanya diterapkan cukup untuk menjadikan sirkuit 3-kawat sebagai metode yang paling banyak digunakan saat ini. Tidak diperlukan penyeimbangan saluran.
Sirkuit 4-kawat
Bentuk sambungan termometer resistansi terbaik adalah sirkuit 4-kawat. Pengukuran tidak bergantung pada resistansi saluran atau perubahan yang diinduksi suhu. Tidak diperlukan penyeimbangan saluran. Termometer menyediakan arus pengukuran melalui sambungan daya. Voltage penurunan pada garis pengukuran diambil oleh garis pengukur. Jika resistansi input perangkat elektronik berkali-kali lebih besar dari resistansi saluran, yang terakhir dapat diabaikan. Penurunan tegangan yang ditentukan dengan cara ini tidak bergantung pada karakteristik kabel penghubung. Teknik ini biasanya hanya digunakan untuk instrumen ilmiah yang membutuhkan akurasi pengukuran seperseratus.
Pemancar 2-kawat
Dengan menggunakan pemancar 2-kawat alih-alih kabel multi-kawat, masalah rangkaian 2-kawat seperti yang dijelaskan di atas dapat dihindari. Pemancar mengubah sinyal sensor menjadi sinyal arus yang dinormalisasi 4-20mA, yang sebanding dengan suhu. Catu daya ke pemancar juga beroperasi melalui dua koneksi yang sama, menggunakan arus dasar 4 mA. Pemancar 2-kawat memberikan keuntungan tambahan, yaitu, amplifikasi sinyal sangat mengurangi dampak interferensi eksternal. Ada dua pengaturan untuk memposisikan pemancar. Karena jarak antara sinyal yang tidak diperkuat harus sependek mungkin, amplifier dapat langsung dipasang pada termometer di kepala terminalnya. Solusi terbaik ini terkadang tidak mungkin karena alasan struktural atau pertimbangan yang mungkin sulit dijangkau pemancar jika terjadi kegagalan. Dalam hal ini, pemancar yang dipasang di rel dipasang di kabinet kontrol. Keuntungan dari akses yang ditingkatkan adalah dibeli dengan biaya jarak yang lebih jauh yang harus ditempuh oleh sinyal yang tidak diperkuat.
Pengkabelan termistor
Resistansi termistor biasanya beberapa kali lipat lebih besar daripada kawat timah mana pun. Oleh karena itu, efek resistansi timbal pada pembacaan suhu dapat diabaikan, sedangkan termistor hampir selalu dihubungkan dalam konfigurasi 2 kabel.
Pengkabelan termokopel
Tidak seperti RTDS dan termistor, termokopel memiliki kaki positif dan negatif, sehingga polaritas harus diperhatikan. Mereka dapat dihubungkan langsung ke pemancar 2-kawat lokal dan kawat tembaga dapat dikembalikan ke instrumen penerima. Jika instrumen penerima dapat menerima input termokopel secara langsung, kawat termokopel atau kabel ekstensi termokopel yang sama harus digunakan kembali ke instrumen penerima.
Berita Panas