PMR UNIT SMA ISLAM NU PUJON: Prinsip Kerja Termometer

Standard satuan temperatur yang secara umum digunakan di dunia ada dua macam, yakni satuan Fahrenheit dan Celcius. Skala Fahrenheit menggunakan angka 32^o untuk menunjukkan titik beku dan 212^o untuk titik didih dari air murni pada tekanan atmosfer. Sedangkan untuk satuan Celcius, menggunakan angka 0^opada titik beku serta 100^o 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 0^oC atau 32^oF 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:

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 coneumum digunakan pada industri-industri keramik untuk mengukur temperatur furnace. Campuran zat yang digunakan pada alat ini dapat bekerja pada rentan temperatur 593-1982^oC.

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.

Termometer Vapour Pressure
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

P_vm = 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 538^oC. 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 538^oC.

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.

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.
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 (1,71×10^-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 1000^oF (538^oC)

Medium cherry red 1250^oF (677^oC)

Orange 1650^oF (899^oC)

Yellow 1850^oF (1010^oC)

White 2200^oF (1204^oC)

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.

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 1500^oF (816^oC). 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 538^oC. 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.

Pyrometer Radiasi
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.

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 thermocoupleyang 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 982^oC, tergantung dari tahanan listrik logam yang muncul seiring adanya peningkatan temperatur logam tersebut. Termometer ini menggunakan prinsip jembatan Wheatstone untuk menciptakan rangkaian tahanan listrik.

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.