Alat Termokopel

Definisi

Alat termokopel didefinisikan sebagai perangkat pengukur yang menggunakan termokopel untuk menentukan suhu, arus, dan tegangan. Alat serbaguna ini mampu melakukan pengukuran pada sirkuit arus bolak-balik (AC) dan arus searah (DC), menjadikannya alat yang berharga di berbagai aplikasi.

Dasar-dasar Termokopel

Termokopel adalah perangkat listrik yang terdiri dari dua kawat yang terbuat dari logam yang berbeda. Fungsinya didasarkan pada prinsip fundamental: pada titik pertemuan kedua logam yang berbeda ini, energi panas diubah menjadi energi listrik. Fenomena ini, yang dikenal sebagai efek Seebeck, merupakan dasar operasi alat-alat termokopel, memungkinkan mereka mengukur suhu dan parameter listrik lainnya dengan memanfaatkan potensial listrik yang dihasilkan pada titik pertemuan logam.

Mekanisme Operasi

Untuk mengukur besarnya arus listrik, arus yang akan diukur dialirkan melalui titik pertemuan termokopel. Ketika arus mengalir, ia menghasilkan panas dalam elemen pemanas. Sebagai respons, termokopel menginduksi gaya gerak listrik (emf) pada terminal outputnya. Emf yang diinduksi ini kemudian diukur menggunakan instrumen Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC). Besarnya emf ini secara langsung proporsional terhadap suhu di titik pertemuan termokopel dan nilai root - mean - square (RMS) dari arus yang diukur.

Keuntungan Utama

Salah satu keuntungan paling signifikan dari alat termokopel adalah kesesuaiannya untuk pengukuran arus dan tegangan frekuensi tinggi. Alat-alat ini menunjukkan akurasi yang lebih baik saat menangani frekuensi di atas 50Hz, menjadikannya ideal untuk aplikasi di mana parameter listrik frekuensi tinggi perlu ditentukan dengan tepat.

Prinsip Kerja Instrumen Termoelektrik

Pembangkitan emf termal terjadi dalam rangkaian yang terdiri dari dua logam yang berbeda. Suhu di titik pertemuan kedua logam ini memainkan peran penting dalam operasi keseluruhan dan merupakan parameter kunci dalam memahami cara kerja alat tersebut.

Misalkan a dan b adalah konstanta yang nilainya ditentukan oleh sifat-sifat logam yang digunakan dalam termokopel. Biasanya, nilai a berkisar antara 40 hingga 50 mikrovolt, sementara b memiliki nilai dalam rentang beberapa puluh hingga ratusan mikrovolt per derajat Celsius kuadrat μV/C°2.

Nyatakan Δθ sebagai perbedaan suhu antara titik panas dan dingin termokopel. Berdasarkan ini, ekspresi-ekspresi terkait suhu dapat diturunkan sebagai berikut.

Pemanas menghasilkan panas, dan jumlah panas yang dihasilkan secara langsung proporsional dengan produk kuadrat dari nilai root - mean - square (RMS) arus (I) dan resistansi (R) elemen pemanas, dinyatakan oleh rumus I2R. Akibatnya, peningkatan suhu juga proporsional dengan panas yang dihasilkan oleh elemen pemanas. Hubungan ini fundamental untuk memahami bagaimana pemanas bekerja dan mempengaruhi suhu dalam sistem, membentuk hubungan yang jelas antara input listrik dan output termal.

Instrumen termokopel memiliki dua titik pertemuan, dingin dan panas. Perbedaan antara kedua titik pertemuan ini dinyatakan sebagai

Nilai b sangat kecil dibandingkan dengan a dan oleh karena itu diabaikan. Suhu di titik pertemuan dinyatakan sebagai

Penyimpangan instrumen Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) secara langsung proporsional dengan gaya gerak listrik (emf) yang diinduksi pada terminalnya. Hubungan ini berarti bahwa ketika emf yang diinduksi meningkat atau menurun, penyimpangan kumparan bergerak instrumen berubah sesuai. Secara matematis, penyimpangan kumparan bergerak dalam instrumen semacam itu dapat dinyatakan oleh persamaan berikut, yang mencakup prinsip-prinsip fisik yang mengatur respons instrumen terhadap input listrik.

Di sini, ekspresi K3 - aK1K2R) menghasilkan nilai konstan. Karakteristik ini menyebabkan instrumen menunjukkan respons kuadrat, artinya output instrumen bervariasi sebagai kuadrat dari kuantitas input (seperti arus atau tegangan).

Konstruksi Instrumen Termoelektrik

Instrumen termoelektrik terutama terdiri dari dua komponen esensial: elemen termoelektrik dan instrumen penunjuk. Kedua bagian ini bekerja bersama-sama untuk memungkinkan pengukuran akurat kuantitas listrik dan termal.

Elemen Termoelektrik

Empat jenis elemen termoelektrik yang berbeda umumnya digunakan dalam instrumen termokopel. Setiap jenis memiliki fitur dan prinsip operasional uniknya sendiri, yang dijelaskan di bawah ini.

Tipe Kontak

Elemen termoelektrik tipe kontak menggunakan pemanas terpisah. Seperti yang digambarkan dalam gambar di bawah, titik pertemuan termokopel dibawa ke dalam kontak fisik langsung dengan pemanas. Kontak langsung ini memfasilitasi transfer panas yang efisien dari pemanas ke titik pertemuan termokopel, yang penting untuk mengonversi secara akurat energi termal yang dihasilkan oleh pemanas menjadi sinyal listrik (gaya gerak listrik atau emf) yang dapat diukur oleh instrumen penunjuk.

Fungsi Elemen Pemanas Listrik

Elemen pemanas listrik memiliki fungsi-fungsi kritis berikut dalam instrumen termoelektrik:

• Konversi Energi: Ini berfungsi sebagai komponen kunci dalam mentransformasikan energi listrik menjadi energi termal. Konversi ini adalah langkah awal dalam proses yang memungkinkan pengukuran kuantitas listrik menggunakan efek termal.

• Konversi Termoelektrik: Dengan memanfaatkan efek Seebeck, energi panas yang dihasilkan oleh elemen pemanas kemudian dikonversi menjadi energi listrik. Konversi ini terjadi di titik pertemuan termokopel, di mana perbedaan suhu antara titik panas dan dingin menciptakan gaya gerak listrik (emf).

• Operasi Instrumen: Terminal output termokopel terhubung ke instrumen Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC). Sejumlah kecil energi listrik yang dihasilkan digunakan untuk menyimpangkan penunjuk PMMC. Energi ini disimpan dalam pegas instrumen, yang membantu dalam mempertahankan posisi penunjuk dan menunjukkan nilai yang diukur.

Jenis Elemen Termoelektrik

Instrumen Tipe Non-Kontak

Dalam instrumen termoelektrik tipe non-kontak, tidak ada koneksi listrik langsung antara elemen pemanas dan termokopel. Sebaliknya, kedua komponen dipisahkan oleh lapisan isolasi listrik. Meskipun isolasi ini memberikan isolasi listrik, tetapi juga memiliki dampak yang signifikan pada kinerja instrumen. Dibandingkan dengan instrumen tipe kontak, desain non-kontak membuat sistem kurang sensitif terhadap perubahan kuantitas yang diukur dan menghasilkan waktu respons yang lebih lambat. Hal ini karena transfer panas dari elemen pemanas ke termokopel kurang efisien karena adanya penghalang isolasi.

Elemen Termo Vakum

Dalam instrumen termoelektrik berbasis tabung vakum, baik pemanas maupun termokopel ditempatkan di dalam tabung kaca yang dikosongkan. Lingkungan vakum ini secara signifikan meningkatkan efisiensi instrumen. Dengan menghilangkan keberadaan udara, hilangnya panas melalui konveksi dan konduksi diminimalkan. Akibatnya, pemanas dapat mempertahankan panasnya untuk periode yang lebih lama, memastikan sumber panas yang lebih stabil dan konsisten untuk termokopel. Stabilitas ini dalam pembangkitan panas mengarah pada pengukuran yang lebih akurat dan andal seiring waktu.

Tipe Jembatan

Dalam instrumen termoelektrik tipe jembatan, arus listrik mengalir langsung melalui termokopel. Ketika arus melewati, suhu termokopel naik. Magnitudo kenaikan suhu ini secara langsung proporsional dengan nilai root - mean - square (RMS) dari arus. Hubungan langsung antara arus, perubahan suhu, dan output listrik hasil dari termokopel membentuk dasar bagaimana instrumen-instrumen ini mengukur kuantitas listrik dengan akurat, memberikan metode yang andal dan efisien untuk berbagai aplikasi pengukuran.

Keuntungan Instrumen Termoelektrik

Instrumen termoelektrik menawarkan beberapa keuntungan yang signifikan, menjadikannya alat yang berharga dalam pengukuran dan analisis listrik:

• Indikasi RMS Langsung: Salah satu keuntungan utama adalah kemampuan untuk menampilkan langsung nilai root - mean - square (RMS) dari tegangan dan arus pada gelombang. Fitur ini menyederhanakan proses pengukuran, memungkinkan pengguna untuk dengan cepat dan akurat menentukan parameter listrik penting ini tanpa perlu perhitungan tambahan atau metode konversi yang kompleks.

• Imunitas terhadap Medan Magnet Liar: Instrumen-instrumen ini secara inheren tahan terhadap pengaruh medan magnet liar. Imunitas ini memastikan pengukuran yang lebih akurat dan andal, karena gangguan magnet eksternal tidak mengganggu operasi instrumen atau menggeser hasil. Dalam lingkungan di mana gangguan magnet umum, seperti dekat mesin listrik atau garis transmisi, keuntungan ini menjadi sangat signifikan.

• Rentang Pengukuran Arus yang Luas: Elemen termoelektrik yang digunakan dalam instrumen-instrumen ini memungkinkan pengukuran arus dalam rentang yang luas. Baik dalam aplikasi arus rendah maupun arus tinggi, instrumen termoelektrik dapat mengukur dan menampilkan nilai relevan dengan akurat, menjadikannya serbaguna untuk berbagai sistem listrik dan setup eksperimental.

• Sensitivitas Tinggi: Instrumen termoelektrik menunjukkan tingkat sensitivitas yang tinggi, memungkinkan mereka mendeteksi bahkan perubahan kecil dalam kuantitas listrik. Sensitivitas ini penting untuk pengukuran presisi dalam aplikasi di mana variasi kecil dalam tegangan atau arus dapat memiliki implikasi signifikan, seperti di laboratorium penelitian atau dalam kalibrasi perangkat listrik lainnya.

• Utilitas Kalibrasi Potensiometer: Mereka sangat berguna untuk kalibrasi potensiometer. Dengan memanfaatkan akurasi sel standar, instrumen termoelektrik dapat membantu memastikan fungsi dan akurasi potensiometer, yang merupakan komponen penting dalam banyak rangkaian listrik untuk regulasi dan pengukuran tegangan.

• Operasi Bebas Frekuensi: Elemen termoelektrik bebas dari kesalahan frekuensi, memungkinkan instrumen-instrumen ini digunakan dalam rentang frekuensi yang luas. Karakteristik ini menjadikannya cocok untuk aplikasi yang melibatkan sinyal arus bolak-balik (AC) dengan frekuensi yang bervariasi, dari sistem daya frekuensi rendah hingga rangkaian elektronik frekuensi tinggi.

Kerugian Instrumen Termoelektrik

Meskipun memiliki banyak kekuatan, instrumen termoelektrik memiliki satu batasan yang signifikan:

• Kapasitas Overload Terbatas: Dibandingkan dengan elemen pengukuran listrik lainnya, instrumen termoelektrik memiliki kapasitas overload yang relatif rendah. Ini berarti mereka lebih rentan terhadap kerusakan atau pembacaan yang tidak akurat ketika terkena arus atau tegangan listrik yang melebihi batas nominalnya. Oleh karena itu, pertimbangan hati-hati dan tindakan perlindungan yang tepat harus diambil ketika menggunakan instrumen-instrumen ini dalam aplikasi di mana kondisi overload mungkin terjadi untuk menghindari potensi kegagalan instrumen atau akurasi pengukuran yang terkompromi.