INSTRUMENTASI ELEKTRONIK DAN TEKNIK PENGUKURAN_EDISI KE-2

INSTRUMENTASI ELEKTRONIK DAN TEKNIK PENGUKURAN_EDISI KE-2

13TRANSDUCER SEBAGAI ELEMEN MASUKAN BAGI SISTEM INSTRUMENTASI

13.1. PENGELOMPOKKAN TRANSDUCERTransducer adalah sebuah alat yang bila digerakkan oleh energi di dalam sebuah sistem transmisi, menyakurkan energi dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi kedua.Tabel 13-1. Pengelompokkan transducer berdasarkan prinsip listrik.Parameter listrik dan kelas transducerPrinsip kerja dan sifat alatPemakaian alat

TRANSDUCER PASIF (DAYA DARI LUAR)

Tahanan

Alat potensiometrikPengaturan posisi kontak geser oleh sebuah gaya luar yang mengubah tahanan di dalam sebuah potensiometer atau rangkaian jembatan.Tekanan, pergeseran

Strain-gage tahananTahanan sebuah kawat atau semikonduktor diubah oleh perpanjangan atau tekanan karena tekanan geser yang diberikan dari luar.Gaya, torsi, pergeseran

Transformator selisihTegangan selisih dua kumparan primer dari sebuah transformator diubah dengan pengaturan posisi inti magnetik oleh sebuah gaya yang diberikan.Tekanan, gaya, pergeseran

Gage arus pusar (Eddy Current Gage)Induktansi sebuah kumparan diubah menurut dekatnya sebuah pelat arus pusat.Pergeseran, ketebalan

TRANSDUCER PEMBANGKIT SENDIRI (TANPA DAYA LUAR)

Gage kerutan magnetik (magneto striction gage)Sifat-sifat magnetik diubah oleh tekanan geser (stress)Gaya, tekanan, bunyi

Tegangan dan arus

Pengukuran efek HallBeda potensial dibangkitkan pada sebuah pelat semikonduktor bila fluksi magnet berinteraksi dengan arus yang dimasukkan.Fluksi magnet, arus

Kamar ionisasi (ionisasion chamber)Aliran elektron diusir oleh ionisasi gas akibat gas radioaktif.Pencacahan partikel, radiasi

Sel fotoemisifEmisi elektron akibat radiasi yang masuk pada permukaan fotoemisif.Cahaya, radiasi

Tabung pemotodarapEmisi elektron sekunder akibat radiasi yang masuk ke katoda sensitive cahaya.Cahaya dan radiasi, relay sensitive cahaya

Termokopel dan termoonggokPembangkitan ggl pada titik sambung dua logam tidak sama atau semikonduktor bila titik sambung tersebut dipanasi.Temperatur, aliran panas, radiasi

Generator kumparan putarPerputaran sebuah kumparan di dalam medan magnet membangkitkan suatu tegangan.Kecepatan, getaran

PiezoelektrikPembangkitan ggl bila perlahan-lahan bahan-bahan berkristal tertentu diberi gaya dari luar.Suara, getaran, percepatan, perubahan tekanan

Sel fototegangan (photovoltaic)Pembangkitan suatu tegangan dalam sebuah alat semikonduktor bila pemancaran energi merangsang sel.Pengukuran cahaya, sel matahari

Pirani gage atau alat ukur kawat panasTahanan elemen panas diubah oleh pendinginan konversi dari suatu aliran gas.Aliran gas, tekanan gas

Termoneter tahananTahanan kawat logam murni dengan koefisien tahanan temperatur positif yang besar berubah terhadap temperatur.Temperatur, panas

TermistorTahanan oksida logam tertentu dengan koefisien tahanan temperatur yang negatif berubah terhadap temperatur.Temperatur

Hygrometer tahananTahanan sebuah strip konduktif berubah terhadap kandungan uap air.Kelembaban relatif

Sel fotokonduktifTahanan sel sebagai elemen rangkaian berubah terhadap cahaya masuk.Relay sensitive cahaya

Kapasitansi

Gage-tekanan, kapasitansi berubahJarak antara dua pelat parallel diubah oleh sebuah gaya yang diberikan dari luar.Pergeseran, tahanan

Mikrofon kapasitorTekanan suara mengubah kapasitansi antara sebuag pelat tetap dan diagfragma yang dapat berubahSuara, music,derau

Ukuran dielektrikVariasi kapasitansi melalui perubahan dielektrikLevel cairan, ketebalan

Induktansi

Transducer rangkaian magnetikInduktansi diri atau bersama dari kumparan yang dieksitasi oleh ac diubah dengan perubahan-perubahan di dalam rangkaian magnetik.Tekanan, pergeseran

Pengukuran reluktansiReluktansi rangkaian magnetik diubah dengan mengubah posisi inti besi suatu kumparan.Tekanan, pergeseran, getaran, posisi

13.2. PEMILIHAN TRANSDUCERTransducer merupakan elemen masukan yang fungsinya mengubah besaran fisis menjadi sinyal listrik yang sebanding. Dengan demikian, pemilihan transducer yang sesuai merupakan langkah pertama dan mungkin yang paling penting dalam mendapatkan hasil-hasil teliti. Persyaratan ketelitian bagi sistem keseluruhan menentukan derajat terhadap mana masing-masing factor yang berkontribuasi terhadap ketelitian harus dipertimbangkan. Sebagian dari factor-faktor ini antara lain :a) Parameter dasar transducer : jenis dan rangkuman pengukuran, sensitivitas, eksitasi.b) Kondisi fisik : sambungan-sambungan mekanis dan elektris, perlengkapan-perlengkapan pemasaran, tahanan kondisi.c) Kondisi sekeliling : efek ketidaklinieran, efek histerisis, respons frekuensi, resolusi.d) Kondisi lingkungan : efek temperatur, percepatan, goncangan.e) Kesesuaian peralatan yang disertakan : perlengkapan kesetimbangan nol, toleransi sensitivitas, penyesuaian impedansi, tahanan isolasi.

Kesalahan total pengukuran di dalam sebuah sistem yang diaktifkan oleh transducer dapat diperkecil agar berada dalam rangkuman ketelitian yang diinginkan melalui teknik-teknik berikut :a) Menggunakan sistem kalibrasi pada tempatnya beserta koreksi dalam reduksi data.b) Secara simultan memonitor lingkungan dan mengoreksi data secara tepat.c) Mengontrol lingkungan secara buatan guna memperkecil kesalahan yang mungkin.

Metode lain untuk memperbaiki ketelitian sistem keseluruhan adalah mengontrol lingkungan tranducer secara buatan. Jika lingkungan transducer dapat dipertahankan tidak berubah, kesalahan diturunkan menjadi nol. Jenis pengontrolan ini memerlukan salah satu dari : menggerakkan transducer secara fisik ke posisi yang lebih melengkapi isolasi yang diperlukan terhadap lingkungan dengan sebuah penutup pemanan, isolasi getaran, atau cara lain.

13.3. STRAIN GAGE13.3.1. FAKTOR GAGE Strain gage adalah sebuah transducer pasif yang mengubah suatu pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan.Sensitivitas sebuah strain gage dijelaskan dengan suatu karakteristik yang disebut factor gage K yang didefinisikan sebagai perubahan satuan tahanan dibagi perubahan satuan panjang.

dimana K= factor gageR = tahanan gage nominalR = perubahan tahanan gagel = panjang normal bahan percobaan (kondisi tidak teregang)l = perubahan panjang bahan percobaan

Karena adalah tegangan dalam arah lateral, maka persamaannya menjadi

Tahanan dapat dicari dengan menggunakan rumus

dimana = tahanan spesifik dari sebuah konduktorl= panjang konduktord= diameter konduktorTarikan terhadap konduktor menyebabkan pertambahan panjang l dan pengurangan secara bersamaan pada diameter d. Maka tahanan konduktor berubah menjadi

dengan mensubsitusikan ke dalam persamaan, memberikan

Pertambahan tahanan R, jika dibandingkan terhadap pertambahan panjang l, selanjutnya dapat dinyatakan dalam factor gage K, dimana

Hukum Hooke memberikan hubungan antara tegangan geser dengan regangan untuk sebuah kurva tegangan geser-regangan (stress-strain curve) yang linear, dinyatakan dalam modulus kekenyalan (elastisitas) dari bahan yang dipasang per satuan luas dan regangan sebagai perpanjangan benda yang tergeser per satuan luas.

dimana = regangans= tegangan geser (kg/cm2)E= modulus Young (kg/cm2)

13.3.2. KONFIGURASI STRAIN GAGEBentuk elemen pengindera dipilih menurut regangan yang akan diukur : satu sumbu (uniaksial), dua sumbu (biaksial), dan arak ganda/banyak. Pemakaian satu sumbu biasanya untuk memaksimalkan bahan pengindera regangan dalam arah yang diselidiki. Pengukuran regangan dalam arah lebih dari satu dapat dilakukan dengan menempatkan gage elemen tunggal pada lokasi yang sesuai, dan bisa juga menggunakan gage elemen ganda atau gage rosette.

13.3.3. STRAIN GAGE TANPA IKATAN (UNBONDED STRAIN GAGE)Strain gage ini terdiri dari sebuah kerangka diam dan sebuah jangkar yang ditopang pada pertengahan kerangka. Tipe ini dipakai sebagai transducer pergeseran atau dinamometer yang mampu mengukur gaya.

13.4. TRANSDUCER PERGESERAN (DISPLACEMENT TRANSDUCER)Konsep pengubahan suatu gaya terpasang menjadi pergeseran merupakan dasar bagi berbagai jenis transducer. Elemen mekanis yang digunakan untuk mengubah gaya terpasang menjadi pergeseran disebut alat-alat penjumlah gaya (force summing devices). Bagian dari alat ini umumnya dalah sebagai berikut :a) Diagragma rata atau bergelombang.b) Tiupan (bellows).c) Tabung Boundon melingkar atau berbelit.d) Tabung/pipa lurus.e) Kantilever massa suspense tunggal atau dobel.f) Torsi ujung berputar.Pergeseran yang ditimbulkan oleh tindakan alat penjumlah gaya diubah menjadi perubahan suatu parameter elektris. Prinsip-prinsip listrik yang paling lazim digunakan dalam pengukuran pergeseran adalah : kapasitif, induktif, transformator selisih, ionisasi, osilasi, fotolistrik, piezoelektris, potensiometrik, kecepatan.

13.4.1. TRANSDUCER KAPASITIFKapasitansi dari kapasitor pelat parallel diberikan oleh :

dimana A= luas masing-masing pelat (m2)d= jarak kedua pelat (m)o= 9,85 x 10-12 F/mk= konstanta dielektrik

Transducer kapasitif memiliki respons frekuensi yang sangat baik dan dapat mengukur fenomena statik dan dinamik. Kekurangannya adalah kepekaan terhadap variasi temperatur dan kemungkinan sinyal-sinyal yang tak teratur atau cacat (distorsi) karena kawat yang panjang.

13.4.2. TRANSDUCER INDUKTIFDalam transducer induktif, pengukuran gaya dilakukan dengan mengubah perbandingan induktansi dari sepasang kumparan atau dengan mengubah induktansi kumparan tunggal. Kesalahan histerisis dari transducer seluruhnya hampir dibatasi oleh komponen-komponen mekanis. Transducer induktif member respons terhadap pengukuran static dan dinamik, dan dia memiliki resolusi yang kontinyu beserta keluaran yang cukup tinggi. Kekurangannya adalah bahwa respons frekuensi (variasi gaya yang dimasukkan) dibatasi oleh konstruksi anggota penjumlah gaya. Di samping itu, medan magnet luar dapat mengakibatkan petunjuk yang salah.

13.4.3. TRANSFORMATOR SELISIH YANG BERUBAH-UBAHTransducer transformator selisih mengukur gaya dinyatakan dalam pergeseran inti ferromagnetik dari sebuah transformator. Transformator selisih menghasilkan resolusi kontinu dan memperlihatkan histerisis yang rendah. Pergeseran yang relatif besar diperlukan sehingga instrumen sensitif terhadap getaran. Instrumen pencatat harus dipilih agar beroperasi pada sinyal ac atau harus menggunakan sebuah jaringan demodulator jika diinginkan suatu keluaran dc.

13.4.4. TRANSDUCER OSILASITransducer ini menggunakan anggota penjumlah gaya untuk mengubah kapasitansi atau induktansi dalam sebuah rangkaian osilator LC.Transducer ini mengukur kedua fenomena statik dan dinamik yang digunakan dalam telemetri. Keterbatasan rangkuman frekuensi, kestabilan thermal yang jelek, dan ketelitian yang rendah, membatasi penggunaannya pada pemakaian ketelitian rendah.

13.4.5. TRANSDUCER FOTOLISTRIKTransducer fotolistrik memanfaatkan sifat-sifat sel emisi cahaya yang mengontrol pancaran elektronnya bila dihadapkan pada cahaya yang dating. Efisiensi transducer ini tinggi dan kesesuaiannya untuk mengukur kondisi static dan dinamik. Alat ini bisa memiliki stabilitas jangka panjang yang jelek, tidak member respons terhadap variasi cahaya berfrekuensi tinggi dan memerlukan pergeseran yang besar bagi anggota penjumlah gaya.

13.4.6. TRANSDUCER PIEZOELEKTRIKTransducer ini memiliki respons frekuensi yang sangat baik, sehingga digunakan dalam asselometer frekuensi tinggi. Tegangan keluaran yang dihasilkan dalam orde 1 sampai 30 mV setiap g percepatan. Alat ini tidak memerlukan sumber daya luar. Kekurangan alat ini adalah alat ini tidak bisa mengukur kondisi statik, tegangan keluaran juga dipengaruhi oleh variasi temperatur dan kristal.

13.4.7. TRANSDUCER POTENSIOMETRIKTransducer potensiometrik adalah alat elektromekanik yang mengandung elemen tahanan yang dihubungkan oleh sebuah kontak geser yang dapat bergerak. Efisiensi listriknya sangat tinggi dan memberikan suatu keluaran yang cukup untuk memperbolehkan operasi pengontrolan tanpa penguatan selanjutnya. Alat ini juga bisa mengeksitasi dari ac ke dc.

13.4.8. TRANSDUCER KECEPATANTransducer kecepatan terdiri dari sebuah kumparan putar yang digantung di dalam medan magnet sebuah magnet permanen. Pengukuran jenis ini umumnya digunakan untuk kecepatan yang ditimbulkan dalam bentuk linear, sinus atau random. Redaman diperoleh secara elektris, berarti menjamin stabilitas yang tinggi dalam kondisi temperature yang berbeda.

13.5. PENGUKURAN TEMPERATUR13.5.1. TERMOMETER TAHANANDetector thermometer tahanan (RTD/resistance temperature detector) menggunakan elemen sensitif dari kawat platina, tembaga atau nikel yang memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk masing-masing temperatur di dalam rangkumannya.Hubungan antara temperatur dan tahan konduktor dalam rangkuman temperatur sekitar 0oC diberikan oleh

dimana Rt= tahanan konduktor pada temperatur t (oC)Rref = tahanan pada temperatur referensi (0oC)= koefisien temperatur tahanant= selisih antara temperatur kerja dan temperatur referensi

Dalam sebuah elemen pengindera temperatur diinginkan nilai yang tinggi sehingga suatu perubahan tahanan yang besar terjadi pada perubahan temperatur yang relatif kecil. Perubahan tahanan ini (R) dapat diukur dengan sebuah jembatan Wheatstone, yang dapat dikalibrasi agar menunjukkan temperatur yang menyebabkan perubahan tahanan.13.5.2. TERMOKOPELTermokopel terdiri dari sepasang kawat logam yang tidak sama dihubungkan bersama-sama pada satu ujung (ujung pengindera atau ujung panas) dan berakhir pada ujung lain (ujung referensi atau ujung dingin) yang dipertahankan pada suatu temperatur konstan yang diketahui. Bila antara ujung pengindera dengan ujung referensi terdapat perbedaan temperatur, suatu ggl yang menyebabkan arus di dalam rangkaian akan dihasilkan.

13.5.3. TERMISTORTermistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien temperatur yang tinggi, yang biasanya negative. Dalam beberapa hal, tahanan sebuah termistor pada temperatur ruang bisa berkurang sebanyak 6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi. Tiga karakteristik penting termistor : a) Karakteristik temperatur tahanan; menunjukkan termistor mempunyai koefisien tahanan temperatur negatif yang tinggi sehingga membuatnya menjadi sebuah transducer temperatur yang ideal.b) Karakteristik tegangan arus; menunjukkan bahwa penurunan tegangan sebuah termistor bertambah terhadap kenaikan arus sampai mencapai suatu nilai puncak setelah penurunan tegangan berkurang jika arus bertambah. c) Karakteristik pemanasan sendiri; termistor sensitif terhadap apa saja yang mengubah laju panas sehingga panas dihantar ke luar. Dengan begitu dapat digunakan untuk menguykur aliran, tekanan, tinggi permukaan cairan, komposisi gas, dll.

13.6. ALAT-ALAT SENSITIF CAHAYAElemen sensitif cahaya merupakan alat terandalkan untuk mendeteksi energi pancaran atau cahaya. Mereka melebihi sensitivitas mata manusia terhadap semua warna spektrum dan bekerja dalam daerah ultraviolet dan infra merah. Penggunaan praktis alat sensitif cahaya ditemukan dalam berbagai pemakaian teknik, antara lain :a) Tabung cahaya vakum; paling menguntungkan digunakan dalam pemakaian yang memerlukan pengamatan pulsa cahaya yang waktunya singkat atau cahaya yang dimodulasi pada frekuensi yang relatif tinggi.b) Tabung cahaya gas; digunakan dalam industri gambar hidup sebagai pengindera suara pada film.c) Tabung cahaya pengali atau pemotodarap; dengan kemampuan penguatan yang sangat hebat, sangat banyak digunakan pada pengukuran fotoelektrik dari alat-alat kontrol dan juga sebagai alat cacah kelipatan.d) Sel-sel fotokonduktif; juga disebut tahanan cahaya atau tahanan yang bergantung pada cahaya. Dipakai dalam industri dan penerapan pengontrolan di laboratorium.e) Sel-sel fototegangan; semikonduktor untuk mengubah energi radiasi menjadi daya listrik. Contoh : solar sel.

13.7. PENGUKURAN MAGNETIK13.7.1. GALVANOMETER BALISTIKDefleksi sebuah galvanometer balistik berbanding langsung dengan muatan listrik yang mengalir melalui kumparannya. Karena muatan dan fluksi dihubungkan oleh sebuah konstanta kesebandingan, defleksi galvanometer merupakan ukuran fluksi, sehingga

dimana = fluksi magnetik (Weber)K= konstanta kesebandingan= defleksi sudut galvanometer (rad)13.7.2. ALAT UKUR FLUKSI DAN GAUSSAlat ukur fluksi menggunakan mekanisme kumparan putar khusus yang tidak mempunyai magnet-dalam dan potongan kutub. Defleksi alat ukur fluksi bergantung pada besarnya arus dan kekuatan medan magnet yang tidak diketahui. Besarnya arus dapat dikontrol dengan sebuah tahanan geser.Alat ukur Gauss bekerja dengan cara torsi yang dikeluarkan oleh induksi magnetik terhadap sebuah magnet kecil disetimbangkan oleh torsi pemulih dari sebuah pegas spiral. 13.7.3. TRANSDUCER MAGNETIKBismuth dan logam-mu memiliki sifat mengubah tahanan atau impedansinya jika ditempatkan di dalam sebuah medan magnet melintang. Transducer efek Hall menggunakan sebuah bilah dari bahan semikonduktor yang disingkapkan ke medan magnet yang tidak diketahui. Bila bilah tersebut membawa arus ke dalam kehadiran suatu medan magnet melintang antara sisi-sisi bilah semikonduktor tersebut dihasilkan suatu ggl yang berlawanan.

Iradona Rahmawati_I1A004065Page 1