Prinsip Kerja Thermocouple

Thermocouple adalah salah satu jenis alat ukur temperatur yang menggunakan prinsip termoelektris pada sebuah material. Seperti yang telah saya singgung pada artikel sebelumnya, alat ini tersusun atas dua konduktor listrik dari material yang berbeda yang dirangkai membentuk sebuah rangkaian listrik. Jika salah satu dari konduktor tersebut dijaga pada temperatur yang lebih tinggi daripada konduktor lainnya sehingga ada diferensial temperatur, maka akan timbul efek termoelektris yang menghasilkan tegangan listrik. Besar tegangan listrik yang terbentuk tergantung dari jenis material konduktor yang digunakan, serta besar perbedaan temperatur antara dua konduktor tersebut.

Thermocouple

Komponen utama dari thermocouple adalah dua jenis logam konduktor listrik yang berbeda yang dirangkai sedemikian rupa sehingga pada saat salah satu logam terkena sumber panas, sedangkan logam yang lain dijaga di temperatur yang tetap, maka rangkaian tersebut akan menghasilkan tegangan listrik tertentu yang nilainya sebanding dengan temperatur sumber panas. Penentuan kombinasi logam konduktor yang digunakan pada thermocouple mempengaruhi besar energi listrik yang akan dibangkitkan. Penentuan nilai tegangan listrik dari beberapa kombinasi konduktor dapat digambarkan pada grafik di bawah ini, data tersebut didapatkan dari pengujian laboratorium. Karakteristik yang berbeda-beda dari setiap kombinasi logam konduktor ini akan bermanfaat bagi kita dalam menentukan thermocouple yang tepat untuk digunakan pada berbagai rentan temperatur dan media yang berbeda-beda.

Prinsip Kerja Thermocouple

Komponen konduktor thermocouple dapat dirangkai secara seri maupun paralel sesuai dengan kebutuhan yang ada. Jika dirangkai secara seri, maka nilai tegangan total adalah jumlah dari keseluruhan tegangan yang dibangkitkan oleh masing-masing pasangan konduktor. Sedangkan jika disusun secara paralel, dan dengan syarat tiap-tiap pasangan konduktor memiliki nilai tahanan yang sama, maka besar tegangan total yang dibangkitkan adalah nilai rata-rata dari tegangan yang dibangkitkan oleh masing-masing konduktor. Kemampuan thermocouple untuk dirangkai secara seri maupun paralel ini bermanfaat pada saat dibutuhkannya pengukuran temperatur dengan rentan yang kecil serta ketelitian yang tinggi.

Grafik Tegangan Beberapa Kombinasi Logam Konduktor

Setiap kombinasi konduktor yang digunakan pada thermocouple menentukan rentan temperatur yang dapat dibaca oleh thermocouple tersebut. Penentuan material konduktor yang cocok pada rentan temperatur kerja tertentu sangat dipengaruhi oleh ketahanan material tersebut terhadap proses oksidasi yang terjadi pada temperatur kerja yang diinginkan. Sedangkan keawetannya dipengaruhi oleh ukuran kawat yang digunakan, jenis osilator yang digunakan, serta kondisi lingkungan kerjanya. Sebagai contoh, tabel berikut menjabarkan beberapa jenis kombinasi konduktor serta karakteristik temperatur kerjanya.

Semua jenis thermocouple dengan berbagai tipe material, akan mengalami penurunan fungsi jika digunakan untuk mengukur temperatur di atas batas kemampuan ukurnya. Hal ini terutama terjadi jika digunakan untuk mengukur temperatur gas atau udara. Untuk mengatasi masalah ini digunakan sistem insulasi untuk melindungi kawat thermocouple dari efek penurunan fungsi tersebut. Jenis insulasi yang umum digunakan adalah magnesium oksida. Magnesium oksida ini membungkus kawat thermocouple, dan selanjutnya bahan dari baja digunakan sebagai pembungkus yang paling luar.

Ada dua jenis thermocouple yang menggunakan insulasi, yaitu grounded type dan ungrounded type. Kawat sensor thermocouple grounded type ter-grounding pada lapisan baja yang terluar, menghasilkan hasil sensor temperatur yang responsif untuk perubahan temperatur yang cepat namun thermocouple jenis ini tidak dapat dirangkai secara seri maupun paralel. Sedangkan thermocouple tipe ungrounded, kawat sensor tidak ter-grounding pada sisi luarnya. Tipe thermocouple yang kedua ini sangat cocok jika digunakan untuk dirangkai secara paralel maupun seri.

Contoh Instalasi Thermocouple pada Sebuah Pipa Boiler

Gambar di atas merupakan salah satu contoh instalasi thermocouple pada sebuah bagian pipa boiler dengan tujuan untuk mengukur temperatur metal pipa boiler tersebut. Kawat sensor thermocouple yang terinsulasi ditanamkan kesebentuk logam (pad) sebelum dilas pada pipa boiler. Jika pad dari thermocouple tersebut terekspos oleh temperatur luar yang berbeda dengan temperatur bagian yang diukur, maka cara instalasi ini tidak cocok untuk digunakan, karena bagian pad tersebut akan menyerap panas dari sumber luar tersebut. Untuk metode instalasi thermocouple yang lainnya akan kita bahas pada artikel selanjutnya.

Sinyal yang keluar dari thermocouple adalah berupa voltase listrik berukuran milivolt. Maka pada rangkaian thermocouple diperlukan potensiometer untuk membaca sinyal listrik tersebut. Selain itu diperlukan juga alat konverter milimeter menjadi nilai temperatur sesuai dengan yang dibutuhkan. Alat konverter ini harus terkalibrasi dengan sempurna untuk mendapatkan hasil pembacaan yang baik. Ada juga potensiometer jenis lain yang ia juga sekaligus sebagai konverter, sehingga hasil pembacaan yang keluar dari potensiometer tersebut sudah berupa temperatur aktual benda yang diukur.

Sumber :

1. B&W – Steam, Its Generation and Use – Chapter 40
2. Wikipedia.org\
3. http://artikel-teknologi.com/prinsip-kerja-thermocouple