Alat Ukur Temperatur: Macam-Macam 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^o pada 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:

1. 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 cone umum 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
2. 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.
3. 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	1000oF (538oC)
   Medium cherry red	1250oF (677oC)
   Orange	1650oF (899oC)
   Yellow	1850oF (1010oC)
   White	2200oF (1204oC)

   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
4. 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 thermocouple yang 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.
   
   DIBAWAH INI SUHU DAN PENGUKURANNYA :
   1. Pengertian Suhu
   Apa yang akan dirasakan oleh jarimu jika dimasukkan ke dalam air es? Ya, air es akan terasa dingin. Dingin boleh dikatakan sebagai salah satu ukuran dari suhu suatu benda. Benda yang dingin mempunyai suhu yang lebih rendah dari benda yang panas. Dari pernyataan ini suhu dapat difenisikan sebagai derajat/tingkatan panas suatu benda atau kuantitas panas suatu benda. Seperti dalam materi sebelumnya, suhu merupakan salah satu besaran pokok dengan satuan derajat Kelvin.
   2. Alat Ukur Suhu
   Untuk menentukan panas atau tidaknya suatu benda, kita dapat menggunakan jari tangan kita, tetapi tangan tidak dapat dipakai untuk menentukan tingkat panas suatu benda secara tetap.
   
   Alat yang tepat untuk mengukur suhu benda adalah termometer.
   Macam – macam termometer
   A. Berdasarnya zat termometriknya, termometer dapat dibedakan menjadi :
   1) Termometer zat padat.
   
   Termometer zat padat menggunakan prinsip perubahan hambatan logam konduktor terhadapap suhu sehingga sering juga disebut sebagai termometer hambatan. Biasanya termometer ini menggunakan kawat platina halus yang dililitkan pad mika dan dimasukkan dalam tabung perak tipis tahan panas.
   Contoh: Termometer platina
   
   
   2) Termometer zat cair.
   Termometer zat cair dibuat berdasarkan perubahan volume. Zat cair yang digunakan biasanya raksa atau alkohol. Contoh termometer Fahrenheit, Celcius, Reamur.
   Alasan pemilihan raksa atau alkohol sebagai isi termometer adalah sebagai berikut:
   
5. mudah dilihat karena raksa terlihat mengkilap sedangkan alkohol dapat diberi warna merah.
6. daerah ukurannya sangat luas (raksa : – 39⁰C s/d 337⁰C dan alkohol: -114⁰C – 78⁰C)
7. keduanya merupakan panghantar kalor yang baik
8. keduanya mempunyai kalor jenis yang kecil.

3) Termometer gas
Termomter gas menggunakan prinsip pengaruh suhu terhadap tekanan. Bagan alat ini sama seperti nanometer. Pipa U yang berisi raksa mula-mula permukaannya sama tinggi. Jika salah satu ujungnya dihubungkan dengan ruangan yang bersisi gas bertekanan, maka akan terjadi selisih tinggi.
Contoh: termometer gas pada volume gas tetap

B. Berdasarkan pembuatnya, antara lain:
1) termometer Celcius
2)termometer Fahrenheit
3) termometer Reamur
4)termometer Kelvin
C. Berdasarkan penggunaanya, antara lain:
1) Termometer Laboratorium
Termometer yang biasanya digunakan untuk eksperimen di lab.

b. Termometer suhu badan / klinis
Termometer khusus untuk mengukur suhu badan manusia. Termometer ini biasanya digunakan dalam bidang medis dan mempunyai batas skala 34-42 ⁰C.

4. Skala Termometer
A. Fahrenheit
Pada tahun 1714, seorang ilmuwan Jerman yang bernama Daniel George Fahrenheit membuat termometer yang mula-mula diisi alkohol dan kemudian diganti dengan raksa. Sebagai titik tetap pertama ia menggunakan campuran es dan garam dapur yang diberi angka 0⁰F (suhu terendah yang ia ketahui) dan titik tetap kedua ia menggunakan tubuh manusia dan diberi angka 96⁰C.
Berdasarkan definisi modern, skala termometer Fahrenheit adalah skala dengan temperatur air mendidih ditetapkan sebagai 212 derajat dan temperatur es melebur sebagai 32 derajat.
Pada jaman dulu termometer ini banyak digunakan di Eropa dan Amerika Serikat, tetapi pada saat ini negara-negara di Eropa sudah banyak beralih ke termometer Celcius sedangkan Amerika Serikat masih tetap menggunakannya.
B. Celcius
Sekitar 20 tahun setelah Fahrenheit membuat termometer, seorang profesor dari Swedia yang bernama Ander Celsius juga membuat termometer. Termometer ini menggunakan titik tetap bawah adalah suhu es sedang mencair sebagai 0⁰C dan titik tetap atas adalah suhu air sedang mendidih sebagai 100⁰C masing-masing pada tekanan standar. Skala antar kedua temperatur ini dibagi dalam 100 derajat.
Termometer ini banyak digunakan oleh negara-negara di dunia, termasuk Indonesia.

C. Kelvin
Pada dasarnya skala kelvin sama dengan skala celcius (seperseratus). Hanya saja skala kelvin dimulai dari suhu nol mutlak (0 K) yang besarnya sama dengan -273,15⁰C. Sehingga untuk suhu es mencair sama dengan 273,15 K dan air mendidih sama dengan 373,15 K.

Perbandingan antar skala termometer

2. Konversi Antar Skala Termometer
Untuk mengkorvensi suhu menurut termometer satu ke suhu menurut termometer yang lain, digunakan persamaan sebagai berikut :