Studi Rancang Bangun Sensor Suhu Berbasis 3-Wire Resistance Temperature Detector (RTD)

Heri Budiyatno, Moh. Toifur

Magister Pendidikan Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Ahmad Dahlan, Yogyakarta

Kampus 2, Jl. Pramuka 42, Sidikan, Umbulharjo, Yogyakarta 55161

budiyatno@yahoo.com

Abstrak – Telah dilakukan studi rancang bangun sensor suhu berbasis 3-Wire Resistance Temperature Detector (RTD). Rancangan sensor suhu dalam penelitian ini mengaplikasikan prinsip Jembatan Wheatstone, dimana resistansi bahan berubah seiring perubahan suhu. Hasil penelitian menunjukkan adanya konsistensi respon sensor terhadap perubahan suhu. Untuk setiap kenaikan suhu (oC) akan selalu diikuti dengan kenaikan tegangan keluaran (Vout). Analisis data dalam penelitian ini antara lain meliputi pencocokan data menggunakan persamaan polinomial orde dua, diperoleh persamaan: y = -0,00002x² + 0,00224x + 1,49609 dengan nilai R² sebesar 0,98158. Dapat disimpulkan bahwa rancang bangun sensor suhu berbasis 3-Wire Resistance Temperature Detector (RTD) memiliki konsistensi yang baik dalam merespon perubahan suhu.

Kata kunci: Sensor suhu, 3-Wire RTD, konsistensi sensor.

Abstract – The study of 3-Wire Resistance Temperature Detector (RTD) based temperature sensor design have been conducted. The design of the temperature sensor in this study applies the Wheatstone Bridge principle, in which the resistance of the material directly changes while temperature changes. The research result shows the response consistency of the sensor due to the temperature changes. For every increases in temperature (oC) was always followed by the increases of output voltage (Vout). Data analysis in this research includes fitting of data using second-degree polynomial equation, resulted an equation: y = -0,00002x² + 0,00224x + 1,49609 with R² value of 0,98158. It can be concluded that 3-Wire Resistance Temperature Detector (RTD) based temperature sensor design has a good consistency in responding the change of temperature.

Key words: Temperature sensor, 3-Wire RTD, sensor’s consistency.

I. PENDAHULUAN

Perangkat sensor suhu berbasis Resistance Temperature Detector (RTD) saat ini telah banyak diaplikasikan pada berbagai bidang. Kelebihan sensor suhu jenis RTD antara lain adalah: akurasi dan presisi yang tinggi, stabilitas jangka panjang, dan memiliki karakteristik histerisis yang baik[1]. Selain itu, sensor suhu jenis RTD memiliki ketelitian lebih tinggi daripada thermocouple, tahan dan stabil pada temperatur tinggi, dan kemampuannya tidak terganggu pada penggunaan rentang suhu yang lebar[2].

Pengukuran resistansi suatu sensor suhu dapat dilakukan dengan mudah, namun hasil yang didapatkan adakalanya kurang akurat. Agar diperoleh hasil yang akurat, salah satu cara dapat ditempuh yaitu dengan mengaplikasikan prinsip Jembatan Wheatstone, dimana resistansi suatu bahan berbanding lurus dengan perubahan suhu. Secara teknis hal tersebut dapat dipandang sebagai sistem kerja perangkat sensor itu sendiri. Perubahan faktor eksternal, seperti halnya perubahan suhu akan menyebabkan perubahan nilai resistivitas bahan dan kesetimbangan Jembatan Wheatstone.

Dari beberapa macam konfigurasi sensor suhu yang ada di pasaran, sensor berbasis 3 Wire-RTD cukup banyak dimanfaatkan di bidang industri[3]. Konfigurasi 3 Wire-RTD lebih disukai karena dianggap memiliki akurasi pengukuran yang baik, disamping mampu membaca suhu dalam rentang yang lebar.

Berdasarkan penjelasan di atas, peneliti bermaksud melakukan studi awal (preliminary study) rancang bangun sensor suhu berbasis 3 Wire-RTD yang mengaplikasikan prinsip Jembatan Wheatstone, dengan tujuan mempelajari karakteristik, konsistensi respon, dan mencari hubungan antara besaran fisis dengan besaran listrik perangkat sensor. Diharapkan dari penelitian ini akan diketahui konsistensi sensor dalam merespon perubahan suhu. Hasil penelitian sekiranya juga dapat dijadikan bahan masukan layak tidaknya rancangan sensor untuk dikembangkan lebih lanjut.

………………………………

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah seluruh peralatan eksperimen dirangkai, kemudian dilakukan pengambilan data perubahan suhu dan tegangan keluaran sebanyak 25 kali pengamatan. Interval suhu ditentukan sebesar 2 oC, dari suhu 29 oC sampai dengan 77 oC. Setiap perubahan suhu (T) dalam interval tersebut selanjutnya dicatat perubahan tegangan keluaran (Vout).

Berikut adalah foto sensor suhu berbasis 3-Wire RTD yang dirangkai oleh penulis dalam eksperimen ini:

DSC01898

Gambar 5. Foto Dokumentasi Eksperimen.

Fitting data kurva hubungan antara tegangan keluaran dengan perubahan suhu menggunakan fungsi polinomial orde dua diperoleh fungsi kuadratik sebagai berikut: y = -0,00002x2 + 0,00224x + 1,49609 dengan nilai R² sebesar 0,98158. Grafik fungsi terdapat pada gambar 6 di bawah ini:

Kurva

Gambar 6. Grafik Suhu-Tegangan Keluaran

Penelitian ini mempelajari rancang bangun sensor suhu berbasis 3-Wire RTD yang mengaplikasikan prinsip Jembatan Wheatstone. Dimuka telah dipaparkan bahwa di dalam rangkaian sensor terdapat hubungan yang hampir linier antara resistansi bahan logam/konduktor dengan suhu. Sehingga dengan mengamati perubahan nilai resistivitas elemen coils tembaga yang menyebabkan Jembatan Wheatstone menjadi tidak setimbang, dapat diketahui besarnya perubahan suhu yang terjadi.

Eksperimen telah berhasil mempelajari sistem kerja dan karakteristik sensor berbasis 3 Wire-RTD, serta memperhatikan dengan seksama bagaimana besaran fisis (T) yang ditandai dengan perubahan panas dalam rangkaian elemen coils tembaga, oleh perangkat sensor kemudian diterjemahkan menjadi besaran listrik (Vout) berupa sinyal-sinyal listrik yang terbaca dengan jelas oleh multimeter (alat pengukur voltase).

Hasil eksperimen diperoleh tegangan terendah sensor sebesar 1,550 Volt dan tertinggi 1,576 Volt. Rata-rata kenaikan tegangan adalah 0,001 Volt/2 oC atau 0,5 milivolt/1 0C. Eksperimen menggunakan multimeter dengan tingkat ketelitian pembacaan tiga digit di belakang koma, sehingga fluktuasi tegangan keluaran meski nilainya amat kecil masih terbaca dengan akurat oleh multimeter. Gambar 6 memperlihatkan kurva tegangan keluaran (Vout) semakin naik seiring kenaikan suhu (T). Tegangan keluaran tercatat naik secara linier hingga suhu 59 oC. Pada rentang suhu 61 oC – 77 oC tegangan keluaran nampak mengalami fluktuasi (naik turun) pada kisaran voltase yang sangat kecil yaitu sekitar 0,001 Volt/2 oC.

Hasil analisis data diperoleh persamaan polinomial orde dua sebagai berikut: y = -0,00002x2 + 0,00224x + 1,49609 dengan nilai R² sebesar 0,98158. Dalam persamaan tersebut, nilai Indeks Determinasi hampir mendekati 1 (R² lebih dari 0,95). Berdasarkan kriteria Indeks Determinasi dapat dikatakan bahwa persamaan polinomial orde dua yang diperoleh dari fitting data sekiranya sudah tepat (baik). Model garis regresi hampir cocok/sempurna (fit) menjelaskan hubungan antara variabel x, suhu (T) dengan variabel y, tegangan keluaran (Vout).

Indeks Determinasi juga menunjukkan tingkat ketelitian dan sejauh mana ragam pengamatan/variabilitas dapat diterangkan oleh sebuah persamaan. Dari persamaan polinomial di atas, disimpulkan bahwa 98,158% ragam pengamatan dapat diterangkan oleh garis regresi dan 1,842% tidak tercakup dalam persamaan. Sebanyak 98,158% variabel bebas (x) berkontribusi pada perubahan variabel terikat (y), sedangkan sisanya 1,842% merupakan kontribusi variabel di luar domain penelitian. Interpretasi ragam pengamatan terkait respon sensor, dapat dimaknai bahwa perubahan tegangan keluaran (Vout) berapapun besarnya sangat ditentukan oleh perubahan suhu lingkungan (T). Jika suhu lingkungan berubah, otomatis tegangan keluaran secara linier mengikuti perubahan suhu lingkungan.

Analisis di atas berguna untuk menjawab fokus studi dimana akan dicari hubungan antara besaran fisis (T) dengan besaran listrik (Vout) dan sejauh mana tingkat konsistensi sensor didalam merespon suhu lingkungan. Konsistensi kurva kalibrasi kenaikan tegangan keluaran (Vout) terhadap suhu (T) menegaskan bahwa dua variabel penelitian yakni besaran fisis (x) dan besaran listrik (y) memiliki linearitas yang sangat kuat. Tanggapan linier perangkat sensor dalam merespon suhu lingkungan menjadi dasar penilaian konsistensi respon sensor yang tinggi. Disamping itu, nilai Indeks Determinasi (R²) yang dihasilkan oleh eksperimen ini dapat dijadikan pedoman bahwa rancang bangun sensor telah teruji dan menunjukkan konsistensi respon yang tinggi pula. Hal tersebut telah dibuktikan sendiri oleh penulis melalui eksperimen ini. Penulis melihat bahwa naiknya suhu lingkungan selalu diikuti dengan konsistensi kenaikan tegangan keluaran. Perubahan tegangan keluaran (Vout) yang selalu konsisten dengan perubahan suhu lingkungan (T) ini selanjutnya dapat dikalibrasi untuk menghasilkan pembacaan suhu suatu benda.

 

 V. KESIMPULAN

  1. Studi rancang bangun sensor suhu berbasis 3-Wire RTD yang mengaplikasikan prinsip Jembatan Wheatstone diperoleh konsistensi respon sensor terhadap perubahan suhu lingkungan.
  2. Konsistensi sensor antara lain dapat dijelaskan dengan kurva kalibrasi tegangan keluaran (Vout) terhadap suhu (T) menggunakan persamaan polinomial orde dua: y = -0,00002x2 + 0,00224x + 1,49609 dengan nilai R² = 0,98158.

PUSTAKA

[1] Azom.com. 2013. Resistance Temperature Detectors-Applications and Advantages and Disadvantages of RTD’s by Pyrosales.http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=239, diakses tanggal 6 Oktober 2013.

[2] IlmuListrik.com. 2013. Sensor Suhu RTD (Resistance Thermal Detector). http://ilmulistrik.com/sensor-suhu-rtd-resistance-thermal detector.html, diakses tanggal 6 Oktober 2013.

[3] Pyromation Inc. 2013. RTD Theory. http://www.pyromation.com/Downloads/Doc/Training_ RTD_Theory.pdf, diakses tanggal 6 Oktober 2013.

[4] Serway R. A. & Jewett, J. W. 2010. Fisika untuk Sains dan Teknik, Salemba Teknika, Jakarta.

[5] Anonim, 2013. http://assets.newport.com/webDocuments   EN/images/TN_RTD-1_Callendar-Van_Dusen_IX.PDF, diakses tanggal 22 Januari 2014.

[6] Prathama,Y.P. 2013. Paper Aplikasi Jembatan Wheatstone. http://putrashared.blogspot.com/2013/02/ paper-aplikasi-jembatan-wheatstone.html, diakses tanggal 6 Oktober 2013.

[7] Atkin, J., 2010. http://www.colorado.edu/physics/phys1140_sm98/   Expe-riments/E3/E3bridge.html, diakses tanggal 6 Oktober 2013.

[8] Fraden, J. 1993. Handbook of Modern Sensors : Physics, Designs, and Applications. Springer, New York.

[9] Wikipedia.org. 2013. Resistance Thermometer. http://en.wikipedia.org/wiki/Resistance_thermometer, diakses tanggal 6 Oktober 2013.

[10] Fauzi, M. 2013. Jenis-Jenis Sensor dan Fungsinya. http://fauzyblogdot.blogspot.com/2013/10/jenis-jenis-sensor-dan-fungsinya.html, diakses tanggal 10 April 2014.

[11] Bevington, P.R. & Robinson, D.K. 1992. Data Reduction and Error Analysis for The Physical Sciences, McGraw-Hill Book, Singapore.

[12] Walpole, Ronald E. 1990. Pengantar Statistika, Gramedia, Jakarta.

Download selengkapnya dengan mengklik link di bawah ini:

Makalah berjudul “Studi Rancang Bangun Sensor Suhu Berbasis 3-Wire Resistance Temperature Detector (RTD)” dipresentasikan pada Seminar Nasional HFI-UAD 2014