Termokopel

Efek Seebeck

Fenomena menarik yang diterapkan di bidang instrumentasi adalah efek Seebeck, yang merupakan produksi tegangan kecil di sepanjang kawat karena perbedaan suhu di sepanjang kawat itu. Efek ini paling mudah diamati dan diterapkan dengan sambungan dua logam yang berbeda dalam kontak, masing-masing logam menghasilkan tegangan Seebeck yang berbeda sepanjang panjangnya, yang diterjemahkan menjadi tegangan antara dua ujung kawat (tidak tersambung). Sebagian besar pasangan logam yang berbeda akan menghasilkan tegangan terukur saat sambungannya dipanaskan, beberapa kombinasi logam menghasilkan tegangan per derajat suhu yang lebih tinggi daripada yang lain:

Efek Seebeck cukup linier; yaitu, tegangan yang dihasilkan oleh sambungan yang dipanaskan dari dua kabel berbanding lurus dengan suhu. Ini berarti bahwa suhu sambungan kawat logam dapat ditentukan dengan mengukur tegangan yang dihasilkan. Jadi, efek Seebeck memberi kita metode pengukuran suhu listrik.

Termokopel

Ketika sepasang logam yang berbeda bergabung bersama untuk tujuan pengukuran suhu, perangkat yang terbentuk disebut termokopel . Termokopel yang dibuat untuk instrumentasi menggunakan logam dengan kemurnian tinggi untuk hubungan suhu/tegangan yang akurat (linier dan dapat diprediksi).

Tegangan Seebeck cukup kecil, dalam puluhan milivolt untuk sebagian besar rentang suhu. Hal ini membuat mereka agak sulit untuk mengukur secara akurat. Juga, fakta bahwa apa saja sambungan antara logam yang berbeda akan menghasilkan tegangan yang bergantung pada suhu menimbulkan masalah saat kami mencoba menghubungkan termokopel ke voltmeter, menyelesaikan rangkaian:

Persimpangan Pengukuran

Sambungan besi/tembaga kedua yang dibentuk oleh hubungan antara termokopel dan meteran pada kabel atas akan menghasilkan tegangan yang bergantung pada suhu yang berlawanan dengan polaritas dengan tegangan yang dihasilkan pada sambungan pengukuran. Ini berarti bahwa tegangan antara kabel tembaga voltmeter akan menjadi fungsi dari selisih suhu antara dua persimpangan, dan bukan suhu di persimpangan pengukuran saja. Bahkan untuk jenis termokopel di mana tembaga bukan salah satu dari logam yang berbeda, kombinasi dari dua logam yang bergabung dengan kabel tembaga dari alat ukur membentuk sambungan yang setara dengan sambungan pengukuran:

Persimpangan Referensi

Persimpangan kedua ini disebut referensi atau dingin persimpangan, untuk membedakannya dari persimpangan di ujung pengukuran, dan tidak ada cara untuk menghindari memiliki satu di sirkuit termokopel. Dalam beberapa aplikasi, pengukuran suhu diferensial antara dua titik diperlukan, dan sifat bawaan termokopel ini dapat dimanfaatkan untuk membuat sistem pengukuran yang sangat sederhana.

Namun, di sebagian besar aplikasi, tujuannya adalah untuk mengukur suhu pada satu titik saja, dan dalam kasus ini, persimpangan kedua menjadi kewajiban untuk berfungsi.

Kompensasi untuk tegangan yang dihasilkan oleh sambungan referensi biasanya dilakukan oleh sirkuit khusus yang dirancang untuk mengukur suhu di sana dan menghasilkan tegangan yang sesuai untuk melawan efek sambungan referensi. Pada titik ini Anda mungkin bertanya-tanya, “Jika kita harus menggunakan beberapa bentuk pengukuran suhu lain hanya untuk mengatasi keanehan dengan termokopel, lalu mengapa repot-repot menggunakan termokopel untuk mengukur suhu sama sekali? Mengapa tidak menggunakan bentuk pengukuran suhu lain ini, apa pun itu, untuk melakukan pekerjaan itu?” Jawabannya adalah ini:karena bentuk pengukuran suhu lain yang digunakan untuk kompensasi sambungan referensi tidak sekuat atau serbaguna seperti sambungan termokopel, tetapi melakukan pekerjaan pengukuran suhu ruangan di lokasi sambungan referensi dengan cukup baik. Misalnya, sambungan pengukuran termokopel dapat dimasukkan ke dalam cerobong asap 1800 derajat (F) dari tungku penyimpanan pengecoran, sedangkan sambungan referensi berada seratus kaki jauhnya dalam lemari logam pada suhu sekitar, yang suhunya diukur oleh perangkat yang dapat jangan pernah bertahan dari panas atau atmosfer korosif tungku.

Tegangan yang dihasilkan oleh sambungan termokopel sangat bergantung pada suhu. Setiap arus dalam rangkaian termokopel adalah fungsi dari resistansi rangkaian yang berlawanan dengan tegangan ini (I=E/R). Dengan kata lain, hubungan antara suhu dan tegangan Seebeck adalah tetap, sedangkan hubungan antara suhu dan arus adalah variabel, tergantung pada resistansi total rangkaian. Dengan konduktor termokopel yang cukup berat, arus hingga ratusan amp dapat dihasilkan dari sepasang sambungan termokopel! (Saya sebenarnya pernah melihat ini dalam eksperimen laboratorium, menggunakan batangan tembaga dan paduan tembaga/nikel yang berat untuk membentuk sambungan dan konduktor sirkuit.)

Untuk tujuan pengukuran, voltmeter yang digunakan dalam rangkaian termokopel dirancang untuk memiliki resistansi yang sangat tinggi untuk menghindari penurunan tegangan yang menyebabkan kesalahan di sepanjang kawat termokopel. Masalah drop tegangan sepanjang panjang konduktor bahkan lebih parah di sini dibandingkan dengan sinyal tegangan DC yang dibahas sebelumnya karena di sini kita hanya memiliki beberapa milivolt dari tegangan yang dihasilkan oleh junction. Kami tidak mampu untuk memiliki bahkan satu milivolt penurunan sepanjang konduktor tanpa menimbulkan kesalahan pengukuran suhu yang serius.

Idealnya, arus dalam rangkaian termokopel adalah nol. Instrumen penunjuk termokopel awal memanfaatkan rangkaian pengukuran tegangan potensiometrik keseimbangan nol untuk mengukur tegangan sambungan. Garis indikator/perekam suhu Leeds &Northrup "Speedomax" awal adalah contoh yang baik dari teknologi ini. Instrumen yang lebih modern menggunakan sirkuit penguat semikonduktor untuk memungkinkan sinyal tegangan termokopel menggerakkan perangkat indikasi dengan sedikit atau tanpa arus yang ditarik di sirkuit.

Termopil

Termokopel, bagaimanapun, dapat dibangun dari kawat pengukur berat untuk resistansi rendah dan dihubungkan sedemikian rupa sehingga menghasilkan arus yang sangat tinggi untuk tujuan selain pengukuran suhu. Salah satu tujuannya adalah pembangkit tenaga listrik. Dengan menghubungkan banyak termokopel secara seri, suhu panas/dingin bergantian dengan setiap sambungan, perangkat yang disebut thermopile dapat dibangun untuk menghasilkan sejumlah besar tegangan dan arus:

Efek Peltier

Dengan set persimpangan kiri dan kanan pada suhu yang sama, tegangan pada setiap persimpangan akan sama dan polaritas yang berlawanan akan dibatalkan menjadi tegangan akhir nol. Namun, jika rangkaian sambungan kiri dipanaskan dan rangkaian kanan didinginkan, tegangan pada setiap sambungan kiri akan lebih besar dari setiap sambungan kanan, menghasilkan tegangan keluaran total yang sama dengan jumlah semua diferensial pasangan sambungan. Dalam thermopile, ini adalah bagaimana hal-hal diatur. Sebuah sumber panas (pembakaran, zat radioaktif kuat, panas matahari, dll.) diterapkan pada satu set sambungan, sedangkan set lainnya diikat ke semacam heat sink (berpendingin udara atau air). Yang cukup menarik, saat arus mengalir melalui rangkaian beban eksternal yang terhubung ke thermopile, energi panas ditransfer dari sambungan panas ke sambungan dingin, menunjukkan fenomena termo-listrik lain:yang disebut Efek Peltier (arus listrik mentransfer energi panas).

Aplikasi lain untuk termokopel adalah dalam pengukuran rata-rata suhu antara beberapa lokasi. Cara termudah untuk melakukannya adalah dengan menghubungkan beberapa termokopel secara paralel satu sama lain. Sinyal milivolt yang dihasilkan oleh masing-masing termokopel akan rata-rata keluar pada titik persimpangan paralel. Perbedaan tegangan antara sambungan turun seiring dengan hambatan kabel termokopel:

Sayangnya, rata-rata akurat dari potensial tegangan Seebeck ini bergantung pada resistansi kawat masing-masing termokopel yang sama. Jika termokopel terletak di tempat yang berbeda dan kabelnya bergabung secara paralel di satu lokasi, panjang kabel yang sama tidak mungkin. Termokopel yang memiliki panjang kawat terbesar dari titik pengukuran ke titik sambungan paralel akan cenderung memiliki hambatan terbesar, dan oleh karena itu, akan memiliki pengaruh paling kecil pada tegangan rata-rata yang dihasilkan.

Beberapa Sambungan Termokopel

Untuk membantu mengkompensasi hal ini, resistansi tambahan dapat ditambahkan ke masing-masing cabang rangkaian termokopel paralel untuk membuat resistansi masing-masing lebih sama. Tanpa resistor ukuran khusus untuk setiap cabang (untuk membuat resistansi sama persis di antara semua termokopel), dapat diterima untuk hanya memasang resistor dengan nilai yang sama, jauh lebih tinggi daripada resistansi kabel termokopel sehingga resistansi kabel tersebut akan memiliki dampak yang jauh lebih kecil pada hambatan total cabang. Resistor ini disebut swamping resistor karena nilainya yang relatif tinggi menaungi atau "merawa" resistansi kabel termokopel itu sendiri:

Karena sambungan termokopel menghasilkan tegangan rendah seperti itu, sambungan kabel harus sangat bersih dan rapat untuk pengoperasian yang akurat dan andal. Juga, lokasi sambungan referensi (tempat di mana kabel termokopel logam yang berbeda bergabung dengan tembaga standar) harus tetap dekat dengan alat ukur, untuk memastikan bahwa instrumen dapat secara akurat mengkompensasi suhu sambungan referensi. Terlepas dari persyaratan yang tampaknya membatasi ini, termokopel tetap menjadi salah satu metode pengukuran suhu industri yang paling kuat dan populer dalam penggunaan modern.

TINJAUAN:

• Efek Seebeck adalah produksi tegangan antara dua logam yang tidak sejenis dan bergabung yang sebanding dengan suhu sambungan tersebut.
• Dalam rangkaian termokopel mana pun, ada dua sambungan ekivalen yang terbentuk antara logam yang berbeda. Persimpangan yang ditempatkan di lokasi pengukuran yang dimaksudkan disebut pengukuran persimpangan, sedangkan persimpangan lainnya (tunggal atau setara) disebut referensi persimpangan.
• Dua sambungan termokopel dapat dihubungkan secara berlawanan satu sama lain untuk menghasilkan sinyal tegangan yang sebanding dengan suhu diferensial antara kedua sambungan tersebut. Kumpulan sambungan yang terhubung sedemikian rupa untuk menghasilkan listrik disebut thermopile .
• Saat arus mengalir melalui sambungan thermopile, energi panas dipindahkan dari satu set sambungan ke sambungan lainnya. Ini dikenal sebagai Efek Peltier .
• Beberapa sambungan termokopel dapat dihubungkan secara paralel satu sama lain untuk menghasilkan sinyal tegangan yang mewakili suhu rata-rata antara sambungan. Resistor “swamping” dapat dihubungkan secara seri dengan masing-masing termokopel untuk membantu menjaga kesetaraan antara sambungan, sehingga tegangan yang dihasilkan akan lebih mewakili suhu rata-rata yang sebenarnya.
• Arus dalam rangkaian termokopel harus dijaga serendah mungkin untuk akurasi pengukuran yang baik. Juga, semua sambungan kabel yang terkait harus bersih dan kencang. Penurunan milivolt saja di sembarang tempat di sirkuit akan menyebabkan kesalahan pengukuran yang substansial.