J. Sains MIPA, Desember 2010, Vol. 16, No. 3, Hal.: 143-148 ISSN 1978-1873 ANALISIS RESOLUSI SENSOR TEMPERATUR TERINTEGRASI IC LM35 DAN SENSOR THERMISTOR Warsito Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Lampung, Bandar Lampung 35145 Email: warsito@unila.ac.id ABSTRACT Resolution of sensor is one of many principal characteristics for determining the quality of sensors. More high resolution of sensor, the range of its utilization will be limited. The sensor resolution dependent also on its linearity response to physics parameter captured. The goal of this research is to compare and to analyse the resolution between integrated temperature sensor (IC LM35) and thermistor. The results show that the resolution of IC LM35 sensor is about 0.01 V/ o C with the offset value 0.042 Volt caused by incorrectness of power supply system. The NTC and PTC thermistors characterized in 27 95 o C by using 0.084 x push full Wheatstone Bridge circuit give the exponential transfer function y = 0.0001exp with the correlation coefficient R 2 = 0.811. For the temperature ranged from 75 o C to 95 o C, thermistors give the linear and sensitive responds with the transfer function y=0.057x-3.96 and the correlation coefficient R 2 = 0.958. Using this results, for the temperature utilization ranged from 75 o C to 95 o C, the thermistors arranged by push full Wheatstone Bridge circuit model give the 5 times resolution more than IC LM35. Keywords: temperature sensor, signal conditioning circuit and resolution. ABSTRAK Resolusi sebuah sensor merupakan salah satu parameter penting dalam memilih sensor yang berkualitas baik. Semakin tinggi resolusi sebuah sensor akan membawa konsekuensi kepada sempitnya lebar daerah pengukuruannya. Resolusi juga dipengaruhi oleh faktor ketidaklinearan tanggapan sebuah sensor terhadap besaran fisis yang mengenainya. Penelitian ini mempunyai tujuan utama untuk menganalisis tingkat resolusi antara sensor temperatur yang sudah terintegrasi (IC LM35) dengan sensor thermistor. Hasil penelitian menunjukkan bahwa resolusi sensor IC LM35 sebesar 0.01 V/ o C dengan nilai offset 0.042 Volt yang disebabkan oleh ketidaksempurnaan nilai tegangan catu daya. Sedangkan untuk thermistor tipe NTC dan PTC yang dirangkai secara Jembatan Wheatstone pada range suhu antara 27 95 o C memberikan fungsi 0.084 x alih eksponensial y = 0.0001exp dengan R 2 = 0.811. Pada range suhu antara 75-95 o C, thermistor memiliki tanggapan yang linear dan sensitif untuk dengan fungsi alih y=0.057x-3.96 dan nilai R 2 = 0.958. Dengan hasil ini didapatkan kesimpulan bahwa untuk range suhu pemanfaatan 75-95 o C, sensor thermistor NTC dan PTC yang dirangkai dengan model Jembatan Wheatstone memiliki sensibilitas lebih tinggi 5 kali dari pada sensor LM35. Kata kunci : sensor temperatur, pengkondisi sinyal dan resolusi. 1. PENDAHULUAN Sensor sering memegang peranan sebagai black body dalam system instrumentasi elektronika, dimana dialah yang sebenarnya memproses pengkonversian dari besaran fisis (suhu, tekanan, gaya dll) ke dalam besaran elektrik (tegangan, arus, muatan dll). Berdasar jenis catu daya-nya, sensor dapat diklasifikasikan ke dalam dua kelompok yaitu : sensor aktif dan sensor pasif 1,2). Dalam aplikasi, sensor aktif tidak memerlukan catu daya, sehingga rangkaian pengkondisi sinyal tahap awal berfungsi secara langsung sebagai pengkondisi sinyal 3). Contoh dari sensor aktif ini adalah photosel, thermokopel. Sedangkan untuk sensor pasif memerlukan catu daya untuk mengoperasikannya, contohnya adalah thermistor, LDR. 2010 FMIPA Universitas Lampung 143
Warsito... Analisis Resolusi Sensor Temperatur Terintegrasi Pengetahuan tentang tujuan pemanfaatan sangat berhubungan dengan karakteristik sensor yang nantinya akan digunakan. Pada pengukuran temperatur, kita sering berhadapan dengan kesulitan memilih sensor mana yang akan digunakan, hal ini karena banyaknya pilihan untuk jenis sensor temperatur, diantaranya yang sering digunakan adalah sensor LM35 dan thermistor. Sensor LM35 merupakan sensor temperatur yang terintegrasi dengan pengkondisi sinyalnya sehingga mempunyai nilai keluaran yang linier. Jangkauan penggunaannya, mulai dari -40ºC sampai +100ºC. Pada aplikasinya, sensor ini tidak memerlukan rangkaian pengkondisi sinyal yang rumit sehingga telah siap untuk dirangkaikan dengan sistem digital melalui pin keluarannya (Gambar 1). Sensor LM35 terbuat dari bahan utama silicon yang mempunyai keluaran yang linear, yaitu perubahan suhu 1 o C akan memberikan perubahan pada tegangan keluaran sebesar 10 mv 1 3). Sensor thermistor merupakan sensor temperatur pasif yang memiliki sensitivitas tinggi terhadap perubahan temperatur. Resolusi awal 0.3 C 6). Sensor ini terbuat dari bahan semikonduktor yang memiliki resistansi menurun untuk tipe NTC (negative temperature coefficient) atau naik untuk tipe PTC (positive temperature coefficient) pada saat temperaturnya naik. Thermistor terbuat dari bahan semikonduktor yang merupakan campuran dari oksida-oksida logam yang diendapkan seperti mangan, nikel (Ni), tembaga, besi (Fe) dan uranium 1 5). Pada sensor tipe thermistor, pengkondisi sinyal tahap awal merupakan rangkaian system catu daya karena tanggapan dari sensor thermistor terhadap perubahan suhu masih dalam bentuk perubahan nilai hambatannya 6). Thermistor memiliki tanggapan terhadap perubahan temperatur yang tidak linear, sehingga berbagai metode untuk melinearisasi harus dilakukan sebelum digunakan secara langsung 7). Namun thermistor mempunyai kecepatan tanggapan yang tinggi sehingga menjadi pilihan untuk tujuan pengukuran dinamik, untuk tipe PTC yang dikarakterisasi arus sebagai fungsi waktu, mampu untuk respon dinamik hingga 10 4 Hz 8). Penelitian lain juga telah dilakukan untuk menguji tanggapan dinamik dari thermistor dan memberikan tanggapan dengan ketepatan hasil pengukuran hingga frekuensi 18 GHz 9). Pada penelitian ini, telah dilakukan karakterisasi terhadap dua sensor tersebut untuk mendapatkan tanggapan yang lengkap sehingga dapat diketahui pada range berapa sensor tersebut tepat digunakan. 2. METODE PENELITIAN Pada penelitian ini pengkondisi sinyal disesuaikan dengan jenis sensor yang di gunakan. Pada bagian pertama adalah untuk karakterisasi sensor LM35 (Gambar 1.a). Tegangan yang dihasilkan oleh sensor sangat kecil sehingga memerlukan penguatan agar dapat dibaca oleh rangkaian berikutnya. Untuk dapat menguatkan tegangan yang dihasilkan oleh masing-masing sensor digunakan rangkaian op-amp jenis penguat tak membalik (non inverting amplifier) seperti pada Gambar 1.b. dengan mengubah nilai tahanan R 2 dan R 1. Dengan perubahan nilai tahanan ini diharapkan output dari penguat tak membalik berkisar antara 0 V hingga 5 V sehingga dapat dibaca oleh ADC. Rangkaian penguat operasional pada penelitian ini menggunakan IC LM358 yang mempunyai chip dengan double amplifier. +Vcc V in +12 V out Gnd LM35 Output R 2 R 1 Gambar 1. Sensor LM35 (a) dan rangkaian pengkondisi sinyal non inverting (b). Pada bagian kedua yaitu sensor thermistor, maka pengujian dilakukan dengan sekaligus merealisasi sistem linearisasi menggunakan rangkaian Jembatan Wheatstone. Rangkaian yang digunakan ada yang tipe setengah penuh dan ada yang rangkaian Jembatan Wheatstone secara penuh seperti tampak pada Gambar 2. Keluaran rangkaian tersebut langsung berupa tegangan sehingga sekaligus dapat dihubungkan dengan pengkondisi sinyal berikutnya. 144 2010 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Desember 2010, Vol. 16, No. 3 PTC NTC Vcc PTC NTC Vout (a) (b) Gambar 2. (a) Dua NTC dan dua PTC yang dihubungkan secara prinsip jembatan Wheatstone (NTC+NTC+PTC+PTC). (b) Proses pengukuran pada dua NTC dan dua PTC yang dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Sensor suhu yang digunakan adalah LM35 tipe DZ, sensor ini dikonfigurasikan untuk dapat mendeteksi suhu antara 0º sampai 100º C. Sensor suhu LM35 berfungsi untuk mengubah besaran fisis yang berupa suhu menjadi besaran elektris tegangan. Pada perancangan ini, keluaran dari rangkaian pengkondisi sinyal sekaligus dipersiapkan sebagai masukan pada ADC. Pada saat keluaran LM35 mencapai full scale yaitu pada saat suhu 100 C, maka tegangan keluaran transduser (10mV/ C x 100 C) = 1 Volt. Hasil pengukuran tegangan LM35DZ dan pengukuran suhu dengan termometer terlihat pada Tabel 1 berikut. Pengujian sensor suhu LM35 ini dilakukan dengan cara membandingkan data suhu yang ditampilkan pada komputer dengan termometer alkohol serta voltmeter digital secara bersamaan. Pemanasan diperoleh dari resistor pemanas yang telah dipasang di bawah sensor suhu. Posisi termometer berada sejajar di sebelah sensor suhu LM35. Referensi pengukuran pertama adalah nilai tegangan yang ditunjukkan oleh voltmeter digital dan referensi pengukuran kedua adalah nilai temperatur yang ditunjukkan oleh termometer alkohol. Pada Tabel 1 kolom kedua berisi data temperatur yang ditunjukkan pada komputer. Data ini merupakan hasil konversi tegangan analog dari output LM35 menjadi data digital dan ditunjukkan dengan satuan o C. Kolom ketiga adalah pengukuran langsung pada pin output LM35 dengan Voltmeter digital pada range 2 Volt. Tabel 1. Hasil pengujian sensor suhu LM 35DZ menggunakan voltmeter, termometer dan hasil pembacaan pada komputer. No Nilai T pada komputer ( 0 C) Pengukuran T dengan voltmeter Tegangan (mv) Konversi ke ( 0 C) Pengukuran T dengan termometer ( 0 C) 1 29.5 292 29.2 29 2 30 298 29.8 30 3 31 302 30.2 30.5 4 32.5 316 31.6 33 5 33.5 326 32.6 34.5 6 34 332 33.2 35 2010 FMIPA Universitas Lampung 145
Warsito... Analisis Resolusi Sensor Temperatur Terintegrasi 7 35 343 34.3 36.5 8 35.5 350 35.0 35.5 9 36.5 359 35.9 36 10 37.5 373 37.3 36.5 11 38.5 383 38.3 38 12 39.5 390 39.0 39 13 40.5 403 40.3 40 14 41.5 408 40.8 40.5 15 42 417 41.7 43 Prosentase rata-rata kesalahan nilai pada komputer terhadap tegangan output adalah sebesar 1.52%, sedangkan prosentase rata-rata kesalahan nilai pada komputer terhadap termometer adalah sebesar 1.83%. Hasil uji linearitas tanggapan sensor LM35 pada range suhu mulai dari 0 o C 40 o C seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Pada range itu, sensor menunjukkan tanggapan yang linear dengan gradien 0.01 V/ o C dengan nilai offset 0.042 Volt. Munculnya nilai tegangan offset ini karena ketidaksempurnaan catu daya, sehingga menyebabkan adanya nilai tegangan keluaran sebelum ada perubahan temperatur. Hasil tersebut sama seperti karakteristik yang sudah diberikan oleh pabrik yaitu setiap kenaikan 1 o C akan memberikan tanggapan kenaikan tegangan 1 mv. Gambar 3. Grafik tanggapan sensor LM35 terhadap perubahan temperatur. Pada bagian karakterisasi thermistor, rangkaian yang dipergunakan adalah prinsip Jembatan Wheatstone yang mampu melinierkan thermistor, yaitu saat R 1 R 3 = R 2 R 4. Pada NTC yang dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone dengan tiga hambatan yang didapatkan dari nilai hambatan pada NTC saat suhu 27 o C, ini menjadikan tanggapan NTC menjadi linier, dengan nilai R 2 = 0.9709 dengan persamaan fungsi alihnya adalah y = 0.4717-0.0199x. Pada penelitian ini, nilai tegangan keluaran yang dihasilkan mendekati 0 yaitu -0.002 Volt, nilai ini menunjukkan bahwa grafik NTC saat dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone lebih linier. Dapat diketahui juga bahwa pada saat NTC dihubungkan dengan prinsip Jembatan Wheatstone dengan nilai hambatan 39.5 KΩ yaitu nilai hambatan saat suhu NTC 30 o C, grafik yang dihasilkan linier dengan nilai tegangan keluaran saat suhu 30 o C mendekati 0. 146 2010 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Desember 2010, Vol. 16, No. 3 Gambar 4. Grafik hubungan Suhu(T) terhadap Teganan (V) pada dua NTC dan dua PTC dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone. PTC yang dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone juga memiliki grafik linier, hambatan yang dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone dengan PTC adalah 9Ω yaitu saaat PTC mengukur suhu 27 o C (suhu kamar). Pada bagian tahapan NTC dan PTC yang dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone dengan dua hambatan, nilai hambatan yang digunakan diperoleh dari ½ kali jumlah hambatan pada NTC dan PTC yaitu 23 KΩ, nilai hambatan tersebut adalah sesuai dengan nilai hambatan saat NTC dan PTC berada pada suhu kamar. Dengan menggunakan tegangan catu daya 3 Volt, maka didapatkan fungsi alih yang linier y = 0.0197x + 0.3603 dengan nilai R 2 = 9565 untuk range suhu 27 o C sampai 92 o C. Hasil uji dua NTC dan dua PTC yang dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Secara umum grafik tersebut menunjukkan hubungan perubahan temperatur 0.084 x terhadap tanggapan tegangannya adalah eksponensial y = 0.0001exp dengan R 2 = 0.811. Tetapi memberikan tanggapan yang sangat linear dan memiliki gradien tinggi untuk range suhu 75 95 o C. Penelitian ini dilakukan dengan meletakkan NTC dan PTC saling bersilangan, NTC + PTC + NTC + PTC dengan diberi tegangan catu daya sebesar 3 Volt. Sedangkan saat NTC dan PTC dihubungkan secara prinsip Jembatan Wheatstone dengan menyusun NTC + NTC + PTC + PTC didapatkan persamaan polinomial y = 0.006x 2 0.0555x + 1.211 dengan nilai R 2 = 0.963. Pada dua penelitian ini tidak dihasilkan grafik dengan persamaan linier, hal ini dikarenakan nilai gradien NTC dan R R PTC tidak saling berlawanan yaitu ( NTC) = 3976. 4 Ω/ o C dan ( PTC) = 332. 66 Ω/ o C. T T Hasil ini memberikan penjelasan bahwa thermistor memiliki respon yang cepat dan dari grafik pada Gambar 4 diketahui bahwa thermistor memiliki tanggapan yang linear dan sensitif untuk range suhu antara 75-95 o C. Fungsi alih untuk range tersebut adalah y=0.057x-3.96 dengan R 2 = 0.958. Dengan hasil ini jelaslah bahwa untuk range suhu pemanfaatan 75-95 o C, sensor thermistor NTC dan PTC yang dirangkai dengan model Jembatan Wheatstone memiliki sensibilitas lebih tinggi 5 kali dari pada sensor LM35. Karakteristik ini yang menjadi pilihan, ketika thermistor dimanfaatkan sebagai alat ukur kecepatan aliran yang mampu mendeteksi aliran gas dari 0.2 20 liter/jam dan 0.004-0.4 liter/jam untuk fluida cair 5). 4. KESIMPULAN Hasil uji linearitas tanggapan sensor LM35 pada range suhu mulai dari 0 40 o C seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Pada range itu, sensor menunjukkan tanggapan yang linear dengan gradien 0.01 V/ o C dengan nilai offset 0.042 Volt. Sedangkan thermistor memiliki tanggapan yang linear dan sensitif untuk range suhu antara 75-95 o C dengan fungsi alih untuk range tersebut adalah y=0.057x-3.96 dengan R 2 = 0.958. Dengan 2010 FMIPA Universitas Lampung 147
Warsito... Analisis Resolusi Sensor Temperatur Terintegrasi hasil ini jelaslah bahwa untuk range suhu pemanfaatan 75-95 o C, sensor thermistor NTC dan PTC yang dirangkai dengan model Jembatan Wheatstone memiliki sensibilitas 5 kali lebih tinggi dari pada sensor LM35. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada DP2M, Dirjend Dikti yang telah memberikan support dana penelitian melalui program Penelitian Hibah Kompetensi dengan No Kontrak : 529/SP2H/PP/DP2M/VII/2010 tanggal 24 Juli 2010. DAFTAR PUSTAKA 1. Asch, G. et al. Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod Paris, cinquième édition, 1998. 2. Dally, J.W., Riley, W.F. and McConnell, K.G., Instrumentation for engineering measurements, John Wiley & Sons, INC. New York, second edition, 1993. 3. Buchla, D. and McLachlan, Applied electronic instrumentation and measurement, Macmillan Publishing company USA, 1992. 4. E. T. Linacre and W. J. Harris, 1970, A Thermistor Leaf Thermometer, Journal of Plant Physiology, Volume August 1970 46 Number 2 : 190 193. 5. J A Veprek, 1963, A thermistor flowmeter, Journal of Scientific Instruments Volume 40 Number 66. 6. Warsito, 2003, The use of op-amp as the first circuit of sensor applications, PubSci AEIF Volume 3, Number 1, p. 64 68, Decembre 2003. 7. Warsito, 2005, Analisis rangkaian Pengkondisi Sinyal Tahap Awal pada Sensor Pasif : Study Kasus untuk Thermistor Tipe NTC. Jurnal Sains dan Teknologi, 11 (3): 182 186. 8. Binxin Hu, Buyin Li and Ming Liu, 2011, Integrated current time characteristic measurement system for multichannel positive temperature coefficient thermistors, Journal of Measurement Scientific Technology, Volume 22 Number 045903. 9. Djamel Allal, 2011, Final report on supplementary comparison EUROMET.EM.RF-S26.CL (EUROMET project no 874): Effective efficiency of thermistor mounts between 50 MHz and 18 GHz, Metrologia, Volume 48 Number 01004. 148 2010 FMIPA Universitas Lampung