PRINSIP KERJA ALAT UKUR
Alat Ukur
alat ukur listrik digital
alat ukur listrik analog
Untuk mengetahui besaran listrik DC maupun AC seperti tegangan, arus, resistansi, daya, faktor kerja, dan frekuensi kita menggunakan alat ukur listrik. Awalnya Awalnya dipakai alat-alat ukur analog dengan enunjukan menggunakan jarum dan membaca dari skala. Kini banyak dipakai alat ukur listrik digital yang praktis dan hasilnya tinggal membaca pada layar display
Bahkan dalam satu alat ukur listrik dapat digunakan untuk mengukur beberapa besaran, misalnya tegangan AC dan DC, arus listrik DC dan AC, resistansi kita menyebutnya Multimeter. Untuk kebutuhan praktis tetap dipakai alat ukur tunggal, misalnya untuk mengukur tegangan saja, atau daya listrik saja.
Parameter Alat Ukur •
•
•
Alat ukur listrik merupakan peralatan yang diperlukan oleh manusia. Karena besaran listrik seperti : tegangan, arus, daya, frekuensi dan sebagainya tidak dapat secara langsung ditanggapi oleh panca indera. Untuk mengukur besaran listrik tersebut, diperlukan alat pengubah. Atau besaran ditransformasikan ke dalam besaran mekanis yang berupa gerak dengan menggunakan alat ukur. Perlu disadari bahwa untuk dapat menggunakan berbagai macam alat ukur listrik perlu pemahanan pengetahuan yang memadai tentang konsep – konsep teoritisnya.
PRINSIP KERJA •
kWh dan kVArh meter : sistem induksi
•
kW / kVA max meter
: sistem elektrodinamis
•
Volt meter
: sistem elektro magnit, kumparan putar, besi putar
• Amper
meter
: sistem elektro magnit, kumparan putar
Macam-macam Alat Ukur Penunjuk Listrik
Alat ukur besi putar •
•
•
Alat ukur dengan prinsip kerja besi putar atau sistem elektro magnet adalah sesuatu alat ukur yg mempunyai kumparan tetap dan besi yang berputar. Bila didalam kumparan terdapat besi, maka besi tsb akan menjadi magnet. Jika di dalam kumparan tsb diletakkan dua batang besi maka kedua 2nya akan menjadi magnet shg kedua batang besi tsb akan saling tolak menolak, karena ujung 2 kedua batang besi tersebut mempunyai kutup yang senama. Prinsip kerja tersebut diterapkan pada sistem elektro magnit dengan mengganti besi tersebut dgn 2 buah plat besi, satu dipasang tetap (diam) sedang yg lain bergerak dan dihubungkan dengan jarum petunjuk.
Alat Ukur Besi Putar • Alat
ukur tipe besi putar adalah sederhana dan kuat dalam konstruksi. Alat ukur ini digunakan sebagai alat ukur arus dan tegangan pada frekuensi – frekuensi yang dipakai pada jaringan distribusi. Instrumen ini pada dasarnya ada dua buah bentuk yaitu tipe tarikan ( attraction) dan tipe tolakan (repulsion).
Alat Ukur Besi Putar Alat ukur besi putar memiliki anatomi yang berbeda dengan kumparan putar. Sebuah belitan kawat dengan rongga tabung untuk menghasilkan medan elektromagnetik
Di dalam rongga tabung dipasang sirip besi yang dihubungkan dengan poros dan jarum penunjuk skala meter. Jika arus melalui belitan kawat, timbul elektromagnetik dan sirip besi akan bergerak mengikuti hukum tarik-menarik medan magnet.
+
– Arah arus
+
– Arah arus
Dua batang besi yang berdampingan
kumparan α
•
α
α
Arus yang diukur dialirkan pada kumparan tetap dan akan menyebabkan terjadinya medan magnet. Potongan besi ditempatkan di medan magnet, dan menerima gaya elektromagnetis.
•
•
Alat ukur tipe besi putar ini sederhana, murah, kuat dlm konstruksi, dan penggunaannya sangat luas sebagai alat pengukur arus dan tegangan pd frekwensi jaringan distribusi. Keuntungan alat pengukur ini dapat dibuat sebagai alat pengukur yang mempunyai sudut sangat besar.
Alat Ukur Kumparan Putar •
Alat ukur kumparan putar adalah alat ukur yang bekerja atas dasar prinsip kumparan listrik yang ditempatkan dalam medan magnet yang berasal dari magnet permanen. Alat ukur jenis ini tidak terpengaruh magnet luar, karenatelah memiliki medan magnet yang kuat terbuat dari logam alniko yang berbentuk U. Prinsip kerja alat ukur kumparan putar menggunakan dasar percobaan Lorentz. Percobaan Lorentz dikatakan, jika sebatang penghantar dialiri arus listrik berada dalam medan magnet, maka pada kawat penghantar tersebut akan timbul gaya. Gaya yang timbul disebut dengan gaya Lorentz. Arahnya ditentukan dengan kaidah tangan kiri Fleming.
Prinsip kerja alat ukur kumparan
Untuk pengukuran listrik AC alat ukur kumparan putar ditambahkan komponen tambahan, yaitu diode bridge sebagai penyearah AC ke DC
Tahanan seri RV untuk mendrop tegangan sehingga batas ukur dan skala pukuran sesuai. Sehingga tahanan total RT = RV + R. Multimeter menggunakan kumparan putar sebagai penggerak jarum penunjuknya.
Peredaman alat ukur kumparan putar
Skala alat ukur kumparan putar
Alat Ukur Analog Kumparan Putar Konstruksi alat ukur kumparan putar terdiri dari permanen magnet, kumparan putar dengan inti besi bulat, jarum penunjuk terikat dengan poros dan inti besi putar, skala linear, dan pegas spiral rambut, serta pengatur posisi nol (Gambar 8.13). Torsi yang dihasilkan dari interaksi elektromagnetik sesuai persamaan:
T=B×A×I×N T = Torsi (Nm) B = kerapatan fluk magnet (Wb/m2) A = luas efektif koil (m2) I = arus ke kumparan putar (A) N = jumlah belitan
Alat ukur kumparan putar Alat ukur sistem kumparan putar mempunyai kutub magnet permanent dan kumparan yang berputar mengelilingi sumbunya. Kumparan putar ditempatkan di dalam lapang magnetis antara lapisan kutub besi magnet. Gulun an
+
– U
S
S
U U
S
Magnit Tetap
S
U
+
– b
a
Arus
yang
dialirkan
melalui
kumparan
shg
menyebabkan
kumparan tersebut berputar. Alat ukur kumparan putar dapat dipakai untuk bermacam arus, tidak hanya untuk DC, akan tetapi dengan alat pertolongan lainnya, dapat pula dipakai untuk AC.
Alat Ukur Kumparan Putar •
Pemakaian alat ukur kumparan putar sangat luas, seperti di laboratorium dan pada pusat pembangkit tenaga listrik.
•
Pada gambar berikut diperlihatkan adanya magnet permanen (1), yang mempunyai kutub-kutub (2), dan diantara kutub 2 utara dan selatan tersebut ditempatkan suatu silinder inti besi (3).
•
Pada celah udara antara kutub magnet dan silinder inti besi akan terbentuk medan magnet yang rata, yang masuk melalui kutub-kutub ke dalam silinder, secara radial sesuai dengan arah-arah panah. Di dalam celah udara ditempatkan kumparan putar (4), yang dapat berputar melalui sumbu (8).
Alat Ukur Sistem Induksi •
•
•
Bila suatu piringan yg terbuat dari bahan penghantar non feromagnetik seperti alumunium atau tembaga ditempatkan dalam medan magnet arus bolak balik, maka akan dibangkitkan arus pusar pd piringan tsb. Arus pusar dan medan magnet dari arus bolak balik akan menimbulkan interaksi dan menghasilkan torsi gerak pada piringan. Bila didalam medan magnet dgn garis gaya magnet arah yang berputar, dipasang sebuah tromol yg ber bentuk silinder, tromol tersebut akan turut berputar menurut arah putaran garis-garis gaya magnet tadi, ini dinamakan alat ukur medan putar atau alat ukur induksi, bisa juga disebut alat ukur Ferraris
Bila arus searah yang tidak diketahui besarnya mengalir melalui kumparan tsb, suatu gaya elektromagnetis f yang mempunyai arah tertentu akan dikenakan pada kumparan putar sebagai hasil interaksi antar arus dan medan magnit .
Gambar Prinsip kerja alat ukur jenis kumparan putar
Arah dari gaya f dapat ditentukan menurut ketentuan tangan dari fleming (lihat gambar)
Gambar Kaidah Tangan Kiri (Fleming ) 1. Magnet tetap 2. Kutub sepatu 3. Inti besi lunak 4. Kumparan putar
5. Pegas spiral 6. Jarum penunjuk 7. Rangka kumparan putar 8. Tiang poros
Konstruksi Kumparan Putar
Prinsip sistem Ferraris digunakan pada alat ukur energi (kWh meter) arus bolak balik.
Gambar Azas Alat Ferraris atau Alat Induksi
Gambar diatas menunjukan arah Ф1dan Ф2 dalam ruangan A, B, C, D. Kedua medan itu dilukiskan sebagai vektor Ф1 dan Ф2 pada suatu periode penuh. Medan magnet total mempunyai arah yang berputar pada poros (a) dengan kecepatan sama dengan arus bolak balik. Dinding tromol aluminium terpotong oleh garis gaya dari medan putar shg dlm tromol terbangkit tegangan dan arus induksi atau arus pusar.
•
•
•
Menurut hukum LENZ aliran induksi dengan arah sedemikian rupa, sehingga selalu melawan penyebabnya. Karena induksi itu dibangkitkan oleh pemotong garis 2 gaya yang berputar, maka tromol aluminium akan berputar dengan arah yang sama dengan arah putaran garis 2 gaya tsb. Pada alat ukur jarum putaran tromol, gerakan jarum ditahan oleh pegas spiral pada sumbunya, sehingga putarannya pada jarak tertentu sesuai dengan batas garis skalanya. Oleh karena sistem induksi ini bekerja dengan medan putar yang dibangkitkan oleh arus bolakbalik, maka jika tanpa alat bantu atau alat tambahan lainnya alat ukur ini hanya dapat dipergunakan pada sumber arus bolak-balik saja.
Alat Ukur Elektrodinamis •
Alat ukur elektrodinamis adalah sebuah alat ukur kumparan putar, medan magnit yang dihasilkan bukan dari magnit permanen, tetapi oleh kumparan tetap/berupa kumparan diam didalamnya. Alat ukur elektrodinamis dapat dipergunakan untuk arus bolakbalik maupun arus searah, kelemahannya alat ukur tersebut menggunakan daya yang cukup tinggi sebagai akibat langsung dari konstruksinya. Karena arus yang diukur tidak hanya arus yang mengalir melalui kumparan putar, tetapi juga menghasilkan fluksi medan. Untuk menghasilkan suatu medan magnit yang cukup kuat diperlukan gaya gerak magnit yang tinggi, dengan demikian diperlukan sumber yang mengalirkan arus dan daya yang besar pula.
Prinsip alat ukur elektrodinamis
Alat Ukur Elektrodinamik Alat ukur elektrode memiliki dua jenis belitan kawat, yaitu belitan kawat arus yang dipasang, dan belitan kawat tegangan sebagai kumparan putar terhubung dengan poros dan jarum penunjuk
Interaksi medan magnet belitan arus dan belitan tegangan menghasilkan sudut penyimpangan jarum penunjuk sebanding dengan daya yang dipakai beban: P
=V
·I ·c o s θ
Alat ukur sistem elektro dinamis •
Alat ukur elektro dinamis adalah alat ukur yang mempunyai kumparan tetap dan kumparan putar. Sistem kerjanya sama dengan sistem kumparan putar tetapi magnet tetap diganti dgn magnet listrik.
•
–a jarum akan Berdasarkan kaidah tangan kanan pada gambar menyimpang kekanan, bila arus dibalik arahnya pada gambar –b maka jarum akan tetap menyimpang kekanan. Jadi walaupun arah arusnya
berganti, arah jarum tetap menyimpang ke satu arah
.
Alat ukur tipe elektrodinamis, dapat diperguna kan untuk AC atau DC, dgn persisi yang baik, dan banyak digunakan sebagai Wattmeter.
F = Arah dari gaya I = Arah dari arus H = Arah dari Fluksi magnet Gambar Prinsip suatu alat ukur elektrodinamis
Pemakaian alat ukur elektrodinamik sebagai pengukur daya listrik atau wattmeter. Pemasangan wattmeter dengan notasi terminal 1, 2, 3, dan 5. Terminal 1-3 terhubung ke belitan arus Wattmeter, terhubung seri dengan beban. Terminal 2-5 terhubung ke belitan tegangan Wattmeter. Terminal 1-2 dikopel untuk mendapatkan catu tegangan suplai tegangan
Alat Ukur Piringan Putar Alat ukur piringan putar tidak menggunakan jarum penunjuk. Konstruksi meter piringan putar memiliki dua inti besi (Gambar 8.19). Inti besi U dipasang dua buah belitan arus pada masing-masing kaki inti, menggunakan kawat berpenampang besar. Inti besi berbentuk E-I dengan satu belitan tegangan, dipasang pada kaki tengah inti besi, jumlah belitan tegangan lebih banyak dengan penampang kawat halus.
Piringan putar aluminium ditempatkan di antara dua inti besi U dan E-I. Akibat efek elektromagnetis kedua inti besi tersebut, pada piringan aluminium timbul arus Eddy yang menyebabkan torsi putar pada piringan. Piringan aluminium berputar bertumpu pada poros, kecepatan putaran sebanding dengan daya dari beban. Jumlah putaran sebanding dengan energi yang dipakai beban dalam rentang waktu tertentu. Meter piringan putar disebut k i l o w a t t h o u r s (kWh)meter
Alat Ukur Elektrostatis •
•
Alat ukur elektrostatis banyak dipergunakan sebagai alat ukur tegangan (volt meter) untuk arus bolak-balik maupun arus searah, khususnya dipergunakan pada alat ukur tegangan tinggi. Pada dasarnya kerja alat ukur ini adalah gaya tarik antara muatan-muatan listrik dari dua buah pelat dengan beda tegangan yang tetap. Gaya ini akan menimbulkan Momen penyimpang, bila beda tegangan ini kecil, maka gaya ini akan kecil sekali. Mekanisme dari alat ukur elektrostatis ini mirip dengan sebuah capasitor variabel; yang mana tingkah lakunya bergantung pada reaksi antara dua benda bemuatan listrik (hukum coulomb).
Skema voltmeter elektrostatis
Prinsip kawat panas •
•
•
Jika sepotong kawat logam dialiri arus listrik yang cukup besar, kawat tersebut akan menjadi panas dan akan memuai (menjadi lebih panjang). Pemuaian tersebut digunakan untuk mengerakkan jarum petunjuk. Sepotong kawat logam campuran dari logam platina dan iridium direntangkan pada A-B. Pada waktu I = 0 jarum petunjuk tepat ditengah2 (angka 0). Jika alirkan arus searah, kawat A – B menjadi memuai dan jarum tidak menunjuk 0, tetapi menyimpang kearah kanan. Hal ini disebabkan karena kawat A – B menjadi lebih panjang dan ditarik oleh pegas sehingga memutar poros jarum. Baik arus searah tersebut mengalir dari A – B maupun dari B ke A jarum tetap menyimpang kearah kanan, ini berarti prinsip ini dapat dipakai untuk arus searah dan bolak-balik.
Prinsip kawat panas dapat dipakai untuk arus searah dan atau bolak-balik.
Gambar - kawat panas
Keterangan :
A & B = baut terminal
m = kawat penarik
C
= tempat pengikat
n = tali penarik
D
= ikatan tali
x = kawat panas
P
= pegas
a = poros penggulung
Alat ukur sistem elektronik Pada umumnya alat ukur elektronik adalah digital, karena penunjukannya berupa nilai angka, maka penggunaan dalam pembacaan sangat sederhana, mudah dicerna.
Keuntungan alat ukur elektronik : • Portable • Kecermatan tinggi mencapai factor kesalahan 0,1 – 0,5 % • Kedudukan atau posisi alat ukur tidak mempengaruhi penunjukan. Kelemahannya. • Dapat dipengaruhi oleh temperature ruangan yang tinggi • Tidak boleh ditempatkan pada ruangan yang lembab / basah • Harga relative mahal
ALAT UKUR DENGAN MENGGUNAKAN TRAFO-UKUR •
•
• •
•
Alat ukur mempunyai keterbatasan untuk mengukur satuan listrik dengan besaran yang lebih besar, karena semakin tinggi besaran yang diukur secara langsung diperlukan peralatan dengan ukuran fisik yang lebih besar. Hal ini tentu tidak dimungkinkan, maka penggunaan alat bantu berupa trafo-ukur sangat diperlukan. Dengan demikian cara pembacaannya menjadi tidak langsung, karena harus dikalikan dengan perbandingan penurunan besaran listrik yang diakibatkan oleh trafo-ukur tsb. Ada 2 ( dua ) macam trafo ukur yang digunakan untuk pengukuran, yaitu trafo arus dan trafo tegangan . Trafo arus digunakan untuk menurunkan arus dengan perbandingan transformasi tertentu dan sekaligus mengisolasi peralatan ukur dari tegangan sistem yang diukur Trafo tegangan digunakan untuk menurunkan tegangan sistem dengan perbandingan transformasi tertentu.
Trafo arus 220 V.Ip ~ = Max 400 A
CT
K
L IS = Max 5 A S2 A
S1 BE BA N BEBAN
a.
Ns : Np = Ip : Is => Ns : Np = a (perbandingan teoritis)
b.
Ns . Is = Np . Ip => Ip : Is = a (perbandingan praktis) a = Ip : Is = 400 : 5 = 80 Karena Np = 1, maka :
Ns = a . Np = 80.
Jadi Ip = Is . a = 5 x 80 = 400 A
Pelaksanaan pengukuran arus bolak balik tinggi
Beban
Primer
PT
Sekunder
A
I pimer : I
sekunder =
I
primer :
I
sekunder
Karena arus I sekunder cukup besar , maka hubungan belitan sekunder dengan beban (amperemeter) tidak boleh diputus / dilepas , kalau putus maka transformator akan rusak maka kita gunakan transformator arus (CT)
Trafo tegangan CT
220 V.Ip ~ = Max 100 A
K
L IS = Max 5 A S2 A
a = Ns / Np = Ip / Is a = 100 : 5 = 20 atau Np . Ip = Ns . Is karena Np = 1 maka Ip = Ns . Is Ns = 100 / 20 = 20 a = Ratio perbandingan A
= Ampere meter
S1
BEBAN
