Transcript Sensor Thermal

SENSOR THERMAL
Reference Sources
• Jacob Fraden
• AIP Handbook of Modern Sensors, >2’nd Edition
• Ramon Pallas-Areny and John G. Webster
• Sensors and Signal Conditioning, 2’nd Edition
• Thomas Petruzzellis
• The Alarm, Sensor, & Security Cookbook
Auxilary References (signals)
• Ramon Pallas-Areny & John G. Webster
• Analog Signal Processing
• Paul Horowitz & Winifield Hill
• The Art of Electronics
• Don Lancaster
• Active Filter Cookbook
Auxilary References
• Walt Jung
• The OpAmp Cookbook
• John Brignell & Neil White
• Intelligent Sensor Systems
• H.R. Everett
• Sensors for Mobile Robots
Good Niche References
• Larry Baxter
• Capacitive Sensors
• APC International
• Piezoelectric Ceramics: Principles & Applications
• Anthony Lawrence
• Modern Inertial Technology
• J.M. Rueger
• Electronic Distance Measurement
Magazines
• Sensors Magazine - Free!
• Circuit Cellar - Best EE-hacker magazine out
• NASA Tech Briefs - Free!
• Test and Measurement - Free!
• IEEE Sensors Journal
Conferences
• Sensors Expo
• Big trade show with turorials and proceedings
• IEEE Sensors Conference
• Very large new state-of-the-art sensors conference
• SPIE
• Old standby conference for sensors & applications
• Transducers
• Emphasizes MEMs, but like IEEE Sensors
• UIST
• ACM conference on user interface technology
Websites
• http://www.sensorsportal.com/
• References, hints, sources
• http://www.sensorsmag.com/
• Sensors Magazine site
• Buyers guide, Archive articles
• http://www.cs.indiana.edu/robotics/world.html
• Robotics sites often list sensor vendors, hints
• http://www.billbuxton.com/InputSources.html
• Bill Buxton’s encyclopedia on input devices
9
Sensor Thermal Konvensional
• Sistem pengisisan termometer (Filled System
Thermometers)
• Tipe ini termasuk jenis yang paling tua, yang
konstruksinya terdiri dari satu tabung gelas yang
mempunyai pipa kapiler kecil yang berisi vacum dan
cairan serta reservoir cairan dan cairan ini biasanya
berupa air raksa. Perubahan panas menyebabkan
perubahan ekspansi dari cairan atau dikenal temperature
to volumetric change kemudian volumetric change to
level secara simultan. Perubahan level ini menyatakan
perubahan panas atau temperatur. Ketelitian jenis ini
tergantung dari rancangan atau ketelitian tabung, juga
penyekalanya.
Pemilihan Jenis Sensor Thermal
• Level suhu maksimum dan minimum dari suatu
substrat yang diukur.
• Jangkauan (range) maksimum pengukuran
• Konduktivitas kalor dari substrat
• Respon waktu perubahan suhu dari substrat
• Linieritas sensor
• Jangkauan temperatur kerja
Karakteristik Sensor Thermal
12
Sensor temperatur dwi logam
Jenis ini menggunakan logam untuk sensornya. Logam yang digunakan adalah 2
buah yang masing-masingnya mempunyai karakteristik titik leburnya yang
berbeda.
 Bila logam dipanaskan maka logam akan memuai atau bertambah panjang.
Karea karakteristik pemuaian dari kedua jenis logam pada dwi logam berbeda,
maka ujung yang bebas dari logam akan membengkok.
Penggunaan : thermostat
electric toaster, foffe pot, dan setrika listrik. sistem pemutus rangkaian (circuit
breaker)
Logam 1
Logam
2
=
=
=
=
=
=
Rumus Sensor BiMetal
14
Vout  VS  VR
Sensor Temperatur, Thermocouple
Thermocouple
disusun dari dua jenis
logam yang hampir
sejenis dan bila
dipanaskan akan
menghasilkan thermal
electromotive force
ketika sambungan
bahan mempunyai
temperatur yang
Vs
berbeda.
+
thermocoupl
e
Sambungan
pengukuran
Sambungan
referensi
+
Ujung panas
-
VR
Beda potensial
yang terjadi pada
kedua ujung
logam yang
berbeda panas
jenisnya
-
Ujung dingin
Beda potensial pada Termokopel
Sensor thermocouple
Koefisien Seebeck dan sensitifitas DVM
Thermocoupel
Koefisien
Seebeck(uV/oC)
Sensitifitas DVM
untuk 0.10C (uV)
E
J
K
R
S
T
62
51
40
7
7
40
6.2
5.1
4.0
0.7
0.7
4.0
15
Temperature Sensor Options
• Resistance Temperature Detectors (RTDs)
• Platinum, Nickel, Copper metals are typically used
• positive temperature coefficients
• Thermistors (“thermally sensitive resistor”)
• formed from semiconductor materials, not metals
• often composite of a ceramic and a metallic oxide (Mn, Co, Cu or Fe)
• typically have negative temperature coefficients
• Thermocouples
• based on the Seebeck effect: dissimilar metals at diff. temps.  signal
TEUM@2007
Cara membaca sensor Thermocouples
TEUM@2007
TEUM@2007
Rangkaian Aplikasi
21
Sensor RTD
Penemu : Seebeck yang
kemudian dikembangkan oleh Sir
William Siemens.
Prinsip kerja : sensor ini
berdasarkan perubahan tahanan
dari beberapa jenis logam apabila
mendapatkan perubahan panas.
Semua logam akan mengalami
perubahan tahanan positif apabila
terjadi perubahan temperatur
yang positif.
22
Sensor temperatur RTD
 Bahan : untuk sensor ini antara lain platina, nikel,
paduan nikel alloy, terutama tembaga karena
mempunyai tahanan yang rendah dan perubahan
tahanan yang linier
 Nilai tahanan untuk RTD platina mempunyai jarak dari
10 sampai dengan 100 ohm untuk model bird gage.
Standar koefisien temperatur kawat platina (DIN 43760)
adalah = 0.00385. Untuk kawat 100 adalah 0.385/oC.
Nilai ini adalah rata-rata dari 0oC sampai 100oC
23
Sensor temperatur thermistor
Thermistor adalah juga
resistor yang sensitif terhadap
perubahan temperatur.
Thermistor biasanya dibuat
dari bahan semikonduktor.
Thermistor umumnya
mempunyai koefisien
temperatur negatif (NTC),
artinya apabila temperatur
bertambah maka tahanannya
akan berkurang, tetapi juga
ada yang mempunyai
koefisien temperatur positif
(PTC).
VCC
Thermist
ror
NPN
BC10
8
Sensor temperatur dengan IC
Sensor dengan Integrated
Circuit (IC) tipe LM335
keluarannya 10 mV/0F dan
sensor yang lain tipe
AD592 arus keluarannya
1A/oK. IC tipe LM335
adalah sebagai zener
diode yang sensitif
terhadap temperatur.
3 tipe IC yang mempunyai
jarak dan penggunaan
yang berbeda-beda.
Apabila mendapat
pembiasan balik pada
daerah breakdown, maka
keluarannya adalah
Vz = 2,73V + (10mV/oC) T
Tipe
Range(0C)
Pengguna
an
LM135
LM235
LM335
-55  t  150
-40  t  125
-40  t  100
Militer
Industri
Komersial
24
25
Sensor temperatur dengan IC
Untuk menentukan ukuran batasan besarnya tahanan tergantung dari
besarnya tegangan suplai pada zener diode dan tegangan pada temperatur
VOH = f(VOL)
nominal, yaitu:
VOL = f(VOH)
R(bias) = V(suplai) – V(nominal)
VM = f(VM)
Iz
Dalam manufaktur besarnya Iz = 1mA
Bila nilainya adalah linier maka hal ini adalah penting, karena arus beban kecil
maka dibandingkan dengan arus minimum yang melalui zener yaitu :
Vmak
RL
>>
V(suplai) – V mak
R(bias)
26
CONTOH
Jika rangkaian
menggunakan IC
LM335 yang
mempunyai jarak –
10 oC sampai
dengan +50 oC pada
temperatur nominal
20 oC, menggunakan
catu daya +5V hitung
tahanan beban
minimum yang
diperbolehkan.
Penyelesaian
Pada temperatur nominal maka outputnya :
Vz = 2,73 V + (10mV/0C) (20 oC) = 2,93 V
Tetapi, anode pada zener diode pada –2,73 V, maka tegangan
keluarannya adalah :
Vout = Vz + V(offset) = (2,93 – 2,73) V = 200 mV
R(bias) = 5V – 0,2V = 4,8 K
1mA
Dipilih harga R(bias) besarnya 4,7 K.
Untuk menentukan nilai minimum harus ditentukan R(zero)
pada I(bias), sehingga harus dipilih harga R(zero) << R(bias)
dan dipilih R(zero) = 500.
Untuk koreksi besarnya tahanan beban digunakan persamaan
berikut :
Vmak . R(bias) :
RL >> Vmak – R(bias )
V(supply) – Vmak
Vz = 2,73 + (10)(50) = 3,23V
Vmak = 3,23V – 2,73V = 0,5V
RL >> (0,5V) x (4,7K) = 522
5V – 0.5V
Materi Tambahan Sensor Thermal
2 Oktober 2012
Resistance Thermal Detector
Spesifikasi RTD
• RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor
suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari
bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan
pada bahan keramik isolator.
• Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak,
nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan
platina krn dapat menjangkau 1500 derajat.
• Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan
tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji
tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor
Konstruksi RTD dan Bentuk lainnya
Kumparan kawat platina
Inti dari Quartz
Terminal sambungan
Kabel keluaran
(a) Wire; (b) Ceramic Tube; (c) Thin Film
RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel
1. Tidak diperlukan suhu referensi
2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan
dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan
dan memperbesar tegangan eksitasi.
3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar
dari termokopel
4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang
karena noise tidak jadi masalah
5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik
pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.
Model Matematis Linier
Uji Coba Sensor RTD
Cara percobaan sama dengan yang lalu dengan RL diganti
dengan nilai 100 Ohm.
Menurut situs Livescience.com mengutip penulis Lifes Little Mysteries, gravitasi
cenderung untuk menjaga molekul udara terkonsentrasi di dekat tanah. Jadi,
atmosfer menipis ketika Anda naik. Udara menjadi sangat tipis pada ketinggian
10.000 kaki (3.000 meter).
Pada ketinggian 35.000 kaki (11.000 m), ketinggian umum dari jet komersial,
tekanan udara turun menjadi kurang dari seperempat dari kondisi normal di atas
permukaan laut, dan suhu luar turun di bawah minus 51 derajat Celcius,
menurut The Engineering Toolbox. Jika jendela dibuka, maka dalam hitungan
menit Anda akan mati menderita hipoksia atau kekurangan oksigen karena
udara dalam pesawat menguap dan kondisinya setara dengan keadaan di luar
pesawat.
Websites
http://www.sensorsportal.com/
References, hints, sources
http://www.sensorsmag.com/
Sensors Magazine site
Buyers guide, Archive articles
http://www.cs.indiana.edu/robotics/world.html
Robotics sites often list sensor vendors, hints
http://www.billbuxton.com/InputSources.html
Bill Buxton’s encyclopedia on input devices
Aplication of Sensors
Robot was created with
the purpose of
exploring:
1. Robotic hardware
technologies and
mechanical
components
2. Schematics and
circuit solutions
3. Microcontrollers,
sensors and other
electronic
components
4. Embedded software
programming
5. Real-time intelligent
processing
algorithms