Penggunaan Thermocouple

Thermocouple sebagai salah satu jenis alat ukur temperatur menjadi jenis yang paling banyak digunakan di dunia industri. Sifatnya yang murah dan dapat dimodifikasi proses instalasinya sesuai dengan kondisi media yang diukur menjadi alasan utamanya. Setelah kita bahas prinsip dasar thermocouple pada artikel sebelumnya, kali ini akan kita bahas beberapa aplikasi penggunaan thermocouple terutama penggunaannya pada ketel uap (boiler).

Pengukuran Temperatur Pada Pipa Aliran Fluida
Temperatur aliran fluida (cairan, gas, atau uap air) yang mengalir di dalam sebuah pipa dapat diukur dengan menggunakan termometer kaca, termometer tahanan listrik, atau juga thermocouple. Termometer yang digunakan untuk mengukur temperatur aliran fluida dipasang di dalam sebuah selongsong yang berfungsi untuk melindungi termometer dari keausan, rangkaian ini biasa disebut dengan istilah thermowell. Namun di antara beberapa jenis termometer yang dapat digunakan untuk mengukur temperatur aliran fluida tersebut, thermocouple menjadi jenis yang paling banyak digunakan. Hal ini karena thermocouple dapat dipasang di sisi luar selongsong, selongsong tersebut ditanamkan masuk ke dalam pipa aliran fluida.

20130410-090536 AM.jpg

Instalasi Thermocouple Pada Pipa Aliran Fluida

Pada sistem ini, thermocouple membaca temperatur yang ada pada sisi luar selongsong. Selongsong yang kontak langsung dengan fluida tersebut berfungsi untuk memindahkan panas secara konduksi sehingga temperaturnya sama dengan temperatur fluida. Selain itu selongsong tersebut didesain sekecil mungkin agar perpindahan panas yang terjadi dapat terisolir. Kecepatan aliran fluida serta tekanan fluida juga harus menjadi pertimbangan utama dalam mendesain penggunaan selongsong thermocouple ini.

Pengukuran Temperatur Pada Pipa Boiler
Pada pengoperasian boiler, sangat penting bagi operator untuk mengontrol temperatur metal pipa boiler di setiap bagian. Bagian-bagian tersebut termasuk pipa dinding furnace yang didinginkan oleh air dan uap air pada temperatur saturasi, pipa economizer yang didinginkan oleh air pada temperatur di bawah titik saturasi, serta pipa-pipa superheater dan reheater yang didinginkan oleh uap air pada temperatur di atas titik saturasinya. Pengukuran temperatur-temperatur tersebut berfungsi untuk menjaga agar pipa-pipa boiler tetap bekerja pada temperatur amannya, mengetahui keseragaman temperatur pipa-pipa yang tersusun secara paralel, atau untuk mengetahui kenaikan temperatur fluida antara sisi inlet dengan sisi outlet pipa.

20130413-084351 AM.jpg

Instalasi Thermocouple Pada Pipa Boiler

Gambar di atas mengilustrasikan bentuk dasar instalasi thermocouple pada pipa boiler. Desain terbaik ditunjukkan oleh gambar (A) yang apabila dipasang dengan baik, thermocouple tersebut dapat menunjukkan temperatur metal pipa serta fluida yang mengalir di dalamnya sekaligus. Pemasangan thrmocouple dengan cara seperti ini akan mengurangi efek kerugian perpindahan panas secara konduksi pada sensor thermocouple.

20130413-121727 PM.jpg

Chordal Thermocouple Hasil Pengembangan The Babcock & Wilcox Company

Untuk mengukur temperatur pipa pada boiler, diperlukan sebuah sistem khusus untuk melindungi sensor thermocouple dari kondisi ekstrim temperature furnace yang tinggi serta kemungkinan adanya slag yang terbentuk di permukaan pipa boiler. Sebuah teknologi thermocouple dikembangkan oleh The Babcock & Wilcox Company, mereka mendesain instalasi thermocouple pada pipa boiler dengan menanamkan sensor thermocouple ke dalam metal pipa. Sistem ini membuat pembacaan temperatur menjadi sangat akurat karena minimnya kerugian panas yang keluar dari kawat sensor, serta menjadikannya tahan terhadap kondisi ekstrim pipa boiler. Thermocouple sistem ini juga dapat digunakan untuk mengukur temperatur metal pipa maupun uap air pada sisi pipa superheater dan reheater boiler. Dengan desainnya yang unik, thermocouple ini mampu mengeluarkan data temperatur metal sisi luar (sisi gas panas) maupun sisi dalam (sisi air/uap air). Pembacaan temperatur yang dihasilkan juga sangat akurat, dari grafik berikut dapat kia lihat pengaruh adanya deposit slag yang menempel pada pipa boiler terhadap temperatur metal pipa. Kemampuan pembacaan yang akurat ini menjadi modal penting bagi operator boiler untuk dapat menjaga operasional boiler agar selalu bekerja pada kondisi amannya.

20130413-124829 PM.jpg

Pembacaan Chordal Thermocouple Pada Berbagai Kondisi

Pengukuran Temperatur Gas
Untuk mengukur temperatur dari gas sebenarnya tidaklah terlalu rumit, karena temperatur gas lebih mudah seragam dengan lingkungan sekitarnya. Permasalahan muncul jika temperatur lingkungan atau wadah dari gas tersebut berbeda dengan temperatur gs itu sendiri, salah satu contoh dari ksus ini adalah temperatur gas panas hasil pembakaran di dalam furnace boiler. Pembacaan temperatur gas sangat dipengaruhi oleh temperatur dan kecepatan aliran gas, temperatur lingkungan sekitar gas, ukuran sensor ukur temperatur yang digunakan, serta konstruksi dari sensor temperatur yang digunakan.

Pyrometer optik dan pyrometer radiasi tidak didesain untuk mengukur temperatur gas. Begitu juga dengan thermocouple yang tidak menggunakan cover dengan baik akan menghasilkan pembacaan yang jauh dari temperatur aktual gas tersebut. Alat ukur yang cocok untuk mengukur temperatur gas adalah High Velocity Thermocouple dan Multiple-Shield High Velocity Thermocouple. Keduanya didesain untuk dapat mengurangi kerugian pengukuran akibat adanya perpindahan panas radiasi dari gas tersebut. Selain itu alat ini dapat mengukur temperatur gas tinggi di sekitar lingkungan dengan temperatur rendah atau juga sebaliknya mengukur temperatur gas rendah di lingkungan yang bertemperatur tinggi.

20130413-014652 PM.jpg

Desain Pelindung Untuk High Velocity Thermocouple dan
Multiple-Shield High Velocity Thermocouple

Salah satu desain thermocouple yang digunakan khusus untuk mengukur temperatur gas panas hasil pembakaran furnace boiler telah dikembangkan juga oleh The Babcock & Wilcox Company. Thermocouple ini difasilitasi dengan aliran air pendingin. Sensornya dilindungi dari pengaruh radiasi gas dengan menggunakan tabung porselen anti radiasi. Gas panas yang dialirkan pada sensor ini dijaga pada kecepatan aliran 20,34 kg/m2s oleh sebuah orifice. Temperatur perpindahan konveksi dari gas yang mengalir ke sensor ini sudah mencerminkan temperatur gas panas tersebut.

20130413-022229 PM.jpg

High Velocity Thermocouple Dengan Pendingin Air

Sumber :
    B&W - Steam, Its Generation and Use - Chapter 40

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.

20130324-095445 AM.jpg

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.

20130223-094848 PM.jpg

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.

20130405-122452 AM.jpg

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.

20130405-014640 AM.jpg

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.

20130405-014834 PM.jpg

Thermocouple Dengan Insulasi

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.

20130406-125803 AM.jpg

20130406-125855 AM.jpg

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

Prinsip Kerja Termometer

Standard satuan temperatur yang secara umum digunakan di dunia ada dua macam, yakni satuan Fahrenheit dan Celcius. Skala Fahrenheit menggunakan angka 32o untuk menunjukkan titik beku dan 212o untuk titik didih dari air murni pada tekanan atmosfer. Sedangkan untuk satuan Celcius, menggunakan angka 0o pada titik beku serta 100o untuk titik didih air murni pada tekanan atmosfer. Pada perkembangan selanjutnya, konvensi internasional menetapkan standard baru pada titik bawah masing-masing satuan tersebut. Sekarang penunjukan 0oC atau 32oF bukan pada titik beku air, namun berada pada titik tripel (triple point) dari air. Triple point adalah kondisi dimana air bisa berfase cair, padat, ataupun gas sekaligus.

Panas sangat berpengaruh terhadap properti dari suatu materi seperti ekspansi termal, radiasi, serta efek elektrik. Ketiga properti tersebut menjadi dasar untuk membuat alat ukur temperatur sesuai dengan pengaruh perubahan suhu terhadap properti suatu benda. Tingkat presisi alat ukur temperatur sangat bergantung kepada properti materil yang digunakan, properti material yang diukur, serta desain dari alat ukur itu sendiri. Sehingga penentuan alat ukur yang tepat sesuai dengan media kerja yang akan diukur sangat mempengaruhi hasil akhir pengukuran.

Di dunia sains telah banyak dikembangkan metode-metode pengukuran temperatur. Sehingga berdasarkan metode pengukuran ini juga dapat kita klasifikasikan termometer menjadi beberapa jenis. Untuk lebih jelasnya, mari kita bahas satu-persatu metode pengukuran temperatur ini:

  1. Perubahan Fase.
    Fusi. Beberapa zat kimia seperti merkuri dan air, memiliki temperatur yang tetap untuk mengalami perubahan fase dari padat menjadi cair. Sifat ini disebut fusi, yang mana sangat cocok untuk dijadikan acuan skala alat pengukuran temperatur. Titik leleh atau cair materi-materi ini dijadikan acuan untuk batas bawah skala alat ukur temperatur. Salah satu aplikasi dari alat ukur yang menggunakan metode ini adalah pyrometric cone. Alat ini menggunakan campuran senyawa oksida dan kaca yang akan meleleh pada temperatur yang telah ditentukan. Pyrometric cone umum digunakan pada industri-industri keramik untuk mengukur temperatur furnace. Campuran zat yang digunakan pada alat ini dapat bekerja pada rentan temperatur 593-1982oC.

    Vaporisasi. Tekanan penguapan sebuah cairan bergantung kepada temperaturnya. Pada saat sebuah cairan dipanaskan hingga mendidih, tekanan uap yang terbentuk sama dengan tekanan total permukaan cairan tersebut. Titik didih berbagai jenis zat kimia dapat digunakan sebagai acuan termometrik. Apabila cairan dan uap yang terbentuk berada di dalam sebuah bejana tertutup, maka kenaikan tekanan uap yang terjadi dapat digunakan untuk mengukur temperatur menggunakan pressure gauge yang terkalibrasi.

    20130221-150158.jpg

    Termometer Vapour Pressure

  2. Expansion Properties
    Sebagian besar material di alam ini memiliki sifat yang akan berekspansi (memuai) apabila terjadi kenaikan temperatur di lingkungan sekitarnya. Besar ekspansi yang terjadi berbanding lurus dengan kenaikan temperatur yang terjadi. Sifat ini dapat digunakan sebagai alat ukur temperatur selanjutnya.
    Gas. Pemuaian pada gas dijabarkan kedalam rumusan berikut

    Pvm = R x T

    Dimana P = tekanan absolut (lb/ft2); vm = volume (ft3/mole gas); R = konstanta gas (1545 ft lb/mole); T = temperatur absolut (R=oF + 460).

    Nitrogen menjadi gas yang paling umum digunakan untuk termometer yang menggunakan prinsip kerja ekspansi ini. Nitrogen dapat digunakan dalam rentang temperatur -129 sampai 538oC. Konstruksi dari temperatur ini persis sama dengan termometer vapour pressure, hanya saja media kerjanya yang diganti dengan gas nitrogen. Pemuaian dari gas nitrogen yang dipanaskan meningkatkan tekanan sistem dan mengaktuasi indikator temperatur.

    Liquid. Pemuaian zat cair dapat digunakan sebagai termometer dengan jalan menggunakan bulb dan pipa kapiler. Pada termometer jenis ini bulb dan pipa kapiler diisi penuh dengan cairan dan dikalibrasi dengan menggunakan pressure gauge. Salah satu jenis zat yang paling umum digunakan untuk termometer jenis ini adalah mercury, yang dapat bekerja pada renta suhu -40 hingga 538oC.

    Termometer jenis liquid ini sangat simpel, murah, dapat langsung dibaca, dan bersifat portabel. Namun termometer ini memiliki ketelitian yang rendah. Termometer jenis ini dengan bulb yang tidak terlindungi apapun, hanya cocok untuk digunakan di lingkungan laboratorium saja dan tidak untuk di lingkungan industri berat. Untuk penggunaan di dunia industri, dibutuhkan sedikit modifikasi dengan penggunaan pelindung metal pada sisi bulb termometer. Namun hal ini menjadikan termometer ini lebih lambat untuk merespon terjadinya perubahan suhu dalam rentan waktu yang pendek.

    20130222-092835.jpg

    Termometer Bimetal

    Solid. Termometer tipe selanjutnya yang menggunakan prinsip kerja pemuaian adalah pada benda padat. Tipe ini menggunakan media kerja logam bimetal. Logam bimetal adalah logam tipis dari dua jenis logam yang memiliki koefisien pemuaian berbeda, dan digabungkan menjadi satu. Pada saat terjadi perubahan panas, logam bimetal ini akan melengkung karena adanya perbedaan koefisien pemuaian antara kedua logam tadi. Prinsip inilah yang dapat digunakan sebagai alat ukur temperatur.

  3. Sifat Radiasi Material
    Tipe termometer selanjutnya adalah yang menggunakan sifat radiatif dari suatu benda. Setiap benda padat akan memancarkan radiasi semakin tinggi apabila dia berada dalam temperatur yang semakin panas. Prinsip ini sesuai dengan persamaan Stefan-Boltzman berikut:

    q/S = σ ε T4

    Dimana:

    q = energi radiasi tiap satuan waktu (Btu/h)
    S = luas area permukaan (ft2)
    σ = konstanta Stefan-Boltzman (1,71x10-9 Btu/h ft2 R4)
    ε = emisivitas permukaan
    T = temperatur absolut (R)

    Logam panas dapat kita jadikan ilustrasi untuk memudahkan kita memahami metode pengukuran temperatur ini. Logam panas memancarkan warna yang berbeda-beda di setiap tingkatan temperatur. Secara garis besar adalah sebagai berikut:

    Dark red 1000oF (538oC)
    Medium cherry red 1250oF (677oC)
    Orange 1650oF (899oC)
    Yellow 1850oF (1010oC)
    White 2200oF (1204oC)

    Pyrometer Optik. Pyrometer optik adalah sebuah instrumen pengukuran temperatur yang menggunakan prinsip pancaran radiasi benda panas. Pyrometer optik secara visual membandingkan tingkat kecerahan permukaan sebuah benda dengan referansi sebuah sumber radiasi tertentu. Benda referensi yang digunakan biasanya berupa filamen tungsten yang dipanaskan secara elektrik. Di dalam alat ini juga digunakan sebuah filter warna merah sehingga secara visual didapatkan gelombang tertentu yang dapat dikomparasi dengan titik referensi. Alat ini dapat menentukan temperatur permukaan benda dengan angka emisivitas (ε) 1,0.

    20130222-140613.jpg

    Prinsip Kerja Pyrometer Optik

    Pyrometer optik sangat cocok digunakan untuk mengukur logam panas, karena jika alat ini dikalibrasi dengan baik ia akan sangat sempurna mengukur temperatur logam di atas 1500oF (816oC). Sehingga alat ini sangat ideal untuk digunakan pada industri-industri yang melibatkan proses pemanasan logam seperti boiler, perlakuan panas untuk logam, dan lain sebagainya. Namun pyrometer optik tidak cocok jika digunakan untuk mengukur temperatur gas, karena gas panas tidak memancarkan radiasi secara kasat mata.

    Pyrometer Radiasi. Logam panas memancarkan radiasi dengan nilai tertentu yang besarnya ditangkap oleh pyrometer jenis ini untuk menentukan temperatur logam tersebut. Pyrometer tipe ini memiliki tingkat sensitifitas yang tinggi, kepresisian, serta rentan pembacaan temperatur yang lebih lebar. Alat ini sangat baik membaca temperatur logam di atas 538oC. Satu kelebihan yang peling penting dari akat ini adalah tidak dibutuhkannya pembacaan temperatur secara visual, sehingga ia dapat dipasang di sebuah titik yang tidak terjangkau oleh pandangan manusia, seperti di dalam furnace boiler.

    20130223-114043.jpg

    Pyrometer Radiasi

  4. Electrical Properties
    Alat ukur temperatur yang paling banyak digunakan di dunia industri adalah yang menggunakan sifat elektris. Sifat elektris suatu logam akan berubah jika temperaturnya berubah, prinsip ini dapat digunakan untuk mengukur temperatur sebuah logam. Ada dua jenis alat ukur temperatur yang menggunakan prinsip elektris ini, yakni thermocouple dan termometer electrical resistance.

    Thermocouple. 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.

    20130223-094848 PM.jpg

    Prinsip Kerja Thermocouple

    Thermocouple memiliki kelebihan seperti harganya yang murah, mudah diaplikasikan pada berbagai kondisi sistem, awet, serta sederhana namun sangat responsif. Alat ini juga memungkinkan untuk mensentralisasi pembacaan temperatur, sehingga sejumlah thermocouple yang tersebar di beberapa tempat, hasil pembacaannya dapat diletakkan pada satu tempat tertentu. Thermocouple menjadi satu alat ukur yang paling banyak diterapkan di dunia industri terutama di pembangkit-pembangkit tenaga listrik.

    Termometer Tahanan. Termometer tahanan dapat membaca temperatur di antara -240 hingga 982oC, tergantung dari tahanan listrik logam yang muncul seiring adanya peningkatan temperatur logam tersebut. Termometer ini menggunakan prinsip jembatan Wheatstone untuk menciptakan rangkaian tahanan listrik.

    20130223-104011 PM.jpg

    Prinsip Kerja Termometer Tahanan

    Termometer tahanan ini memiliki tingkat kepresisian yang sangat baik, akurat, namun tidak dapat digunakan pada temperatur yang tinggi. Hal ini dikarenakan pada temperatur yang tinggi, rangkaian tahanan akan menjadi sangat mudah terkontaminasi oleh logam-logam lain yang akan menempel pada rangkaian tersebut, mengakibatkan pembacaan yang menjadi tidak akurat.