Bagaimana cara kerja termokopel?
Artikel ini memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan berikut, antara lain:
- Bagaimana cara kerja termokopel?
- Apa efek Seebeck?
- Apa perbedaan antara jenis termokopel?
- Apa kompensasi persimpangan dingin?
- Apa kelebihan termokopel dibandingkan dengan termometer resistansi?
Efek seebeck
Termokopel menggunakan fenomena bahwa tegangan disebabkan oleh adanya gradien suhu di sepanjang konduktor listrik.
Penyebab efek termoelektrik ini terletak pada ikatan logam logam dan khususnya pada elektron bebas. Jika kawat logam hanya dipanaskan di satu ujung, osilasi kisi dan gerakan elektron bebas meningkat di sana. Karena tabrakan yang berat mereka mulai menyebar dan menyebar ke ujung yang dingin. Di sana, energi kinetik elektron lebih rendah dan elektron tidak ditolak lagi oleh tabrakan berat.
Gas elektron berperilaku secara harfiah seperti "gas nyata" yang partikelnya menempati ruang yang lebih besar ketika dipanaskan dan kepadatan partikel menurun.
Ujung panas kawat dengan demikian memiliki jumlah elektron yang lebih kecil daripada ujung dingin. Akibatnya, tegangan listrik diperoleh antara kedua ujungnya, juga dikenal sebagai tegangan termoelektrik . Efek termoelektrik ini juga disebut efek Seebeck dan tegangan termoelektrik juga disebut sebagai tegangan Seebeck .
Efek termoelektrik (efek Seebeck) adalah fenomena di mana panas diubah menjadi energi listrik dengan difusi partikel bermuatan karena gradien suhu!
Per perbedaan suhu Kelvin sepanjang satu konduktor listrik, efek Seebeck adalah dalam urutan beberapa mikrovolt. Tegangan termoelektrik sangat tergantung pada bahan konduktor pada gradien suhu yang diberikan. Dalam hal material yang elektron bebasnya dapat bergerak relatif mudah ketika dipanaskan, tegangan termoelektrik lebih besar karena elektronnya lebih kuat menyebar.
Termokopel
Jika kawat sederhana seperti yang dijelaskan di atas terkena sumber panas, kawat akan memanas secara merata. Karena kurangnya gradien suhu di antara kedua ujungnya, tidak ada tegangan termoelektrik yang dapat diukur. Selain itu, tegangan termoelektrik lebih lanjut akan disebabkan pada lead pengukuran tambahan.
Oleh karena itu, dua konduktor yang berbeda diperlukan yang berbeda dalam kekuatan efek Seebeck (misalnya tembaga dan besi). Kabel yang berbeda sekarang terhubung di satu ujung. Sambungan ini berfungsi sebagai persimpangan pengukuran (“sambungan panas”) dan terpapar pada suhu yang akan diukur. Ujung lainnya mengarah ke apa yang disebut persimpangan referensi ("sambungan dingin"), suhu yang biasanya suhu sekitar.
Sekarang ada gradien suhu antara persimpangan pengukur dan persimpangan referensi dan dengan demikian antara ujung kabel masing-masing. Ini menghasilkan efek termoelektrik dengan konsekuensi tegangan listrik. Karena ini adalah logam yang berbeda, efek termoelektrik berbeda dalam kekuatannya. Sebagai contoh, dibandingkan dengan tembaga, besi memiliki tegangan termoelektrik sekitar 6 kali lebih tinggi.
Karena kedua logam terhubung satu sama lain di persimpangan pengukuran, mereka berada pada potensial listrik yang sama . Akibatnya, potensial listrik di persimpangan referensi berbeda dan tegangan listrik disebabkan yang dapat diukur dengan voltmeter.
Tegangan listrik ini juga dapat dijelaskan sebagai berikut: Difusi elektron dari titik pengukuran ke titik referensi karena gradien suhu jauh lebih kuat dengan besi, yaitu lebih banyak elektron akan terakumulasi di sana daripada di ujung kawat tembaga. Ini mengarah pada ketidakseimbangan muatan antara ujung-ujung kawat di persimpangan referensi, yang mendukung peningkatan akumulasi elektron di ujung kawat besi. Tegangan terukur dihasilkan di persimpangan referensi, yang tergantung pada perbedaan suhu ke persimpangan pengukuran.
Termokopel hanya mengukur tegangan termoelektrik karena perbedaan suhu antara persimpangan pengukuran dan sambungan referensi!
Kompensasi persimpangan dingin
Dengan pengaturan pengukuran yang dijelaskan di atas, tegangan yang diukur awalnya hanya dapat digunakan untuk menentukan perbedaan suhu antara persimpangan pengukuran dan persimpangan referensi. Untuk menentukan suhu absolut pada titik pengukuran, suhu di persimpangan referensi harus diketahui. Penentuan suhu di persimpangan "dingin" ini juga disebut sebagai kompensasi sambungan dingin .
Temperatur sambungan dingin dapat, misalnya, ditentukan dengan Pt100, yang sinyal listriknya kemudian dapat diproses secara langsung dengan tegangan termoelektrik untuk menghasilkan suhu pada titik pengukuran.
Jenis termokopel
Pemilihan bahan untuk menghasilkan tegangan termoelektrik dari termokopel adalah sangat penting. Properti kombinasi material berikut ini diambil sebagai dasar:
- tegangan termoelektrik setinggi mungkin
- ketahanan korosi tertinggi
- karakteristik linier antara perbedaan suhu dan tegangan termoelektrik (akurasi tinggi)
- linearitas pada rentang suhu yang luas
Hingga saat ini, belum ada pasangan material yang mampu mencakup semua properti yang diperlukan sampai batas yang sama. Oleh karena itu, kombinasi bahan yang berbeda (disebut jenis ) digunakan tergantung pada aplikasi, misalnya:
- Tipe J: paduan tembaga-nikel & besi; dapat digunakan dari sekitar. -200 ° C hingga 750 ° C
- Tipe K: paduan nikel-kromium & nikel; dapat digunakan dari sekitar. -250 ° C hingga 1200 ° C
- Tipe R: platinum-rhodium alloy & platinum; dapat digunakan dari sekitar. -50 ° C hingga 1500 ° C
- Tipe K adalah tipe yang paling umum dalam penggunaan pribadi.
Pro
Keuntungan dari termokopel adalah waktu tunda yang relatif pendek, yaitu mereka bereaksi sangat cepat terhadap perubahan suhu. Selain itu, termokopel secara mekanis sangat kuat dan mencakup kisaran suhu dari -250 ° C hingga +2000 ° C tergantung pada jenisnya. Selain itu, karena desain hemat-ruang, termokopel juga dapat dengan mudah menjangkau lokasi yang sulit dijangkau. Karena ujung pengukur yang relatif kecil, termokopel juga dapat mengukur suhu benda yang sangat kecil.