ALAT UKUR DAN PENGUKURAN LISTRIK Alat Ukur Listrik Untuk mengetahui besaran listrik DC maupun AC seperti tegangan, arus, resistansi, daya, faktor kerja, dan frekuensi kita menggunakan alat ukur listrik. Awalnya dipakai alat-alat ukur analog dengan penunjukan menggunakan jarum dan membaca dari skala. Kini banyak dipakai alat ukur listrik digital yang praktis dan hasilnya tinggal membaca pada layar display (Gambar 8.1). Bahkan dalam satu alat ukur listrik dapat digunakan untuk menguku mengukurr bebera beberapa pa besar besaran, an, 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. Sampai saat ini alat ukur analog masih tetap digunakan karena handal, Gambar bar 8.2). Nam ekonomis, dan praktis (Gam Namun un ala alatt ukur digital digital makin lua luass dip dipakai akai,, kar karena ena harganya makin terjangkau, praktis dalam pemakaian, dan penunjukannya makin akurat dan presisi.
Gambar Gamba r 8.1
Tampilan meter
Gambar 8.2
meter listrik analog
Alat ukur listrik dikelompokkan menjadi dua, yaitu : 1. Alat ukur standar/abs standar/absolute olute Alat ukur absolute maksudnya adalah alat ukur yang menunjukkan besaran dari komponen listrik yang diukur dengan batas-batas pada konstanta dan penyimpangan pada alat alat itu itu sendi sendiri ri.. Ini Ini menu menunj njuk ukkan kan bahwa bahwa alat alat ters terseb ebut ut tida tidak k perlu perlu dika dikali libr bras asii atau atau dibandingkan dengan alat ukur lainnya lebih dahulu. Contoh dari alat ukur ini adalah Galvanometer. 2. Alat ukur sekunder sekunder
Alat ukur sekunder maksudnya adalah semua alat ukur yang menunjukkan harga besaran listrik yang diukur dan dapat ditentukan hanya dari simpangan alat ukur tersebut. Sebelumnya alat ukur sudah dikalibrasi dengan membandingkan pada alat ukur standar/absolute. Contoh dari alat ukur ini adalah alat ukur listrik yang sering dipergunakan sehari hari. Ada beberapa istilah dan definisi pengukuran listrik yang harus dipahami, diantaranya alat ukur , akurasi, presisi, kepekaan, resolusi, dan kesalahan. a. Alat ukur , adalah perangkat untuk menentu kan nilai atau besaran dari kuantitas atau variabel. b. Akurasi , kedekatan alat ukur membaca pada nilai yang sebenarnya dari variabel yang diukur. c. Presisi , hasil pengukuran yang dihasilkan dari proses pengukuran, atau derajat untuk membedakan satu pengukuran dengan lainnya. d. Kepekaan, ratio dari sinyal output atau tanggapan alat ukur perubahan input atau variable yang diukur. e. Resolusi , perubahan terkecil dari nilai pengukuran yang mampu ditanggapi oleh alat ukur. f. Kesalahan, angka penyimpangan dari nilai sebenarnya variabel yang diukur. Ukuran Standar Kelistrikan Ukuran standar dalam pengukuran sangat penting, karena sebagai acuan dalam peneraan alat ukur yang diakui oleh komunitas internasional. Ada enam besaran yang berhubungan dengan kelistrikan yang dibuat sebagai standar, yaitu standar amper, resistansi, tegangan, kapasitansi, induktansi, kemagnetan, dan temperatur. 1. Standar amper Menurut ketentuan Standar Internasional (SI) adalah arus konstan yang dialirkan pada dua konduktor dalam ruang hampa udara dengan jarak 1 meter, di antara kedua penghantar menimbulkan gaya = 2 × 10-7 newton/m panjang . 2. Standar resistansi Menurut ketentuan SI adalah kawat alloy manganin resistansi 1Ω yang memiliki tahanan listrik tinggi dan koefisien temperatur rendah, ditempatkan dalam tabung terisolasi yang menjaga dari perubahan temperatur atmosfer . 3. Standar tegangan Ketentuan SI adalah tabung gelas Weston mirip huruh H memiliki dua elektrode, tabung elektrode positip berisi elektrolit mercury dan tabung elektrode negatip diisi elektrolit cadmium, ditempatkan dalam suhu ruangan. Tegangan elektrode Weston pada suhu 20°C sebesar 1.01858 V . 4. Standar Kapasitansi Menurut ketentuan SI, diturunkan dari standart resistansi SI dan standar tegangan SI, dengan menggunakan sistem jembatan Maxwell, dengan diketahui resistansi dan frekuensi secara teliti akan diperoleh standar kapasitansi (farad). 5. Standar Induktansi
menurut ketentuan SI, diturunkan dari standar resistansi dan standar kapasitansi, dengan metode geometris, standar induktor akan diperoleh. 6. Standart temperature Menurut ketentuan SI, diukur dengan derajat kelvin besaran derajat Kelvin didasarkan pada tiga titik acuan air saat kondisi menjadi es, menjadi air dan saat air mendidih. Air menjadi es sama dengan 0° celsius = 273,160 kelvin, air mendidih 100°C . 7. Standar luminasi cahaya menurut ketentuan SI, ALAT UKUR ANALOG
Alat ukur analog memiliki komponen putar yang akan bereaksi begitu mendapat sinyal listrik. Cara bereaksi jarum penunjuk ada yang menyimpang dulu baru menunjukkan angka pengukuran. Atau jarum penunjuk bergerak ke angka penunjukan perlahan-lahan tanpa ada penyimpangan. Untuk itu digunakan peredam mekanik berupa pegas yang terpasang pada poros jarum atau bilah sebagai penahan gerakan jarum berupa bilah dalam ruang udara. Pada meter dengan kelas industri baik dari jenis kumparan putar maupun jenis besi putar seperti meter yang dipasang pada panel meter banyak dipakai peredam jenis pegas. Multimeter salah satu meter analog yang banyak dipakai untuk pekerjaan kelistrikan dan bidang elektronika. Multimeter memiliki tiga fungsi pengukuran, yaitu 1. Voltmeter untuk tegangan AC dengan batas ukur 0-500 V, pengukuran tegangan DC dengan batas ukur 0-0,5 V dan 0-500 V. 2. Ampermeter untuk arus listrik DC dengan batas ukur 0-50 μA dan 0-15 A, pengukuran arus listrik AC 0-15 A. 3. Ohmmeter dengan batas ukur dari 1Ω -1MΩ
Dalam perkembangannya multimeter menggunakan komponen aktif elektronik yang biasanya berfungsi sebagai penguat. Multimeter elektronik lebih disukai karena beberapa alasan yang menguntungkan : 1. Resistansi masukan multimeter elektronik lebih tinggi dan stabil disemua cakupan pengukuran.
2. Pada saat berfungsi sebagai pengukur arus resistansimultimeter elektronik cukup rendah sehingga dapat mencegah kesalahan ukur karena efek pembebanan. 3. Skala resistansi dari multimeter elektronik arah penyimpangan jarum sama seperti pada pengukuran tegangan atau arus sehingga tidak membingungkan. 4. Digunakan tegangan rendah sehingga memungkinkan untuk mengukur resistansi. Dasar multimeter elektronik analog dapat dikelompokkan ke dalam tiga bagian utama yaitu jaringan pengukuran, rangkaian penguat dan penggerak meter analog (seperti jenis PMMC). Dalam kasus pengukuran arus dan tegangan jaringan kerja berupa pembagi tegangan yang membatasi tegangan yang diberikan pada penguat terutama berkaitan dengan pengaturan cakupan instrumen. Multimeter Philip type PM 2505 dalam gambar 2-26 memiliki skala penuh tegangan DC dan AC yang rendah sampai 100mV. Cakupan pengukuran arus DC, AC dari skala penuh 1uA sampai 10A. untuk cakupan pengukuran dari 100Ω sampai 30MΩ (FSD). Saklar pemilih fungsi memberi pilihan cakupan Volt Amper dan Ohm. Multimeter ini dirancang menggunakan penguat IC monolitik dengan penguat masukan berupa FET, sehingga tahanan input tinggi (10 – 20MΩ ), sehingga dapat mengurangi kemungkinan kesalahan ukur yang disebabkan oleh pembebanan rangkaian yang di uji. AMPEREMETER Amperemeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik yang ada dalam rangkaian tertutup. Amperemeter biasanya dipasang berderet dengan elemen listrik . Cara menggunakannya adalah dengan menyisipkan amperemeter secara langsung ke rangkaian.
Gambar: Amperemeter dan mikroamperemeter
Amperemeter yang sering digunakan di laboratorium, kemampuan pengukurannya terbatas sesuai dengan nilai maksimum yang tertera dalam alat urkur itu. Ada yang maksimumnya 5 A, 10 A dan 20 A. Amperemeter bisa jadi tersusun atas mikroamperemeter dan shunt . Mikroamperemeter berguna untuk mendeteksi ada tidaknya
arus melalui rangkaian karena nilai kuat arus yang kecilpun dapat terdeteksi. Untuk mengukur kuat arus yang lebih besar dibantu dengan hambatan Shunt sehingga kemampuan mengukurnya disesuaikan dengan perkiraan arus yang ada. Jika kita memperkirakan dalam rentang miliampere, dapat kita gunakan shunt yang tertera 100 mA atau 500 mA. Prinsip Kerja Amperemeter Amperemeter bekerja berdasarkan prinsip gaya magnetik (Gaya Lorentz). Ketika arus mengalir melalui kumparan yang dilingkupi oleh medan magnet timbul gaya lorentz yang menggerakan jarum penunjuk menyimpang. Apabila arus yang melewati kumparan besar, maka gaya yang timbul juga akan membesar sedemikian sehingga penyimpangan jarum penunjuk juga akan lebih besar. Demikian sebaliknya, ketika kuat arus tidak ada maka jarum penunjuk akan dikembalikan ke posisi semula oleh pegas. Besar gaya yang dimaksud sesuai dengan Prinsip Gaya Lorentz F = B.I. L Kemampuan amperemeter dapat ditingkatkan dengan memasang hambatan shunt secara parallel terhadap amperemeter. Besar hambatan shunt tergantung pada berapa kali kemampuannya akan ditingkatkan. Misalnya mula-mula arus maksimumnya adalah I, akan ditingkatkan menjadi I’ = n.I, maka besar hambatan shunt.
RG = Hambatan galvanometer mula-mula 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
Dari persamaan di atas, komponen B, A dan N adalah konstan, sehingga torsi berbanding lurus dengan arus mengalir ke kumparan putar. Data alat ukur kumparan putar dengan dimensi 31/2 in, arus 1mA, simpangan skala penuh 100 derajat memiliki A : 1,72 cm2, B : 2.000 G(0,2 Wb/m2,
N: 84 lilit, T : 2,92 × 10–6 Nm R kumparan putar: 88Ω, disipasi daya: 88 μW. Untuk pengukuran listrik AC alat ukur kumparan putar ditambahkan komponen tambahan, yaitu diode bridge sebagai penyearah AC ke DC (Gambar 8.14).
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. ALAT UKUR DIGITAL Alat ukur digital saat sekarang banyak dipakai dengan berbagai kelebihannya, murah, mudah dioperaikan, dan praktis. Multimeter digital mampu menampilkan beberapa pengukuran untuk arus miliamper, temperatur °C, tegangan milivolt, resistansi ohm, frekuensi Hz, daya listrik mW sampai kapasitansi nF Pada dasarnya data /informasi yang akan diukur bersifat analog. Blok diagram alat ukur digital terdiri komponen sensor, penguat sinyal analog, analog to digital converter, mikroprosesor, alat cetak, dan display digital (Gambar 8.10). Sensor mengubah besaran listrik dan non elektrik menjadi tegangan, karena tegangan masih dalam orde mV perlu diperkuat oleh penguat input.
Sinyal input analog yang sudah diperkuat, dari sinyal analog diubah menjadi sinyal digital dengan (ADC) analog to digital akan diolah oleh perangkat PC atau mikroprosessor dengan program tertentu dan hasil pengolahan disimpan dalam sistem memori digital. Informasi digital ditampilkan dalam display atau dihubungkan dicetak dengan mesin cetak. Display digital akan menampilkan angka diskrit dari 0 sampai angka 9 ada tiga jenis, yaitu 7-segmen, 14segmen dan dot matrik 5 x 7. Sinyal digital terdiri atas 0 dan 1, ketika sinyal 0 tidak bertegangan atau OFF , ketika sinyal 1 bertegangan atau ON .
Sebuah multimeter digital, terdiri dari tiga jenis alat ukur sekaligus, yaitu mengukur tegangan, arus, dan tahanan. Mampu untuk mengukur besaran listrik DC maupun AC Sakelar pemilih mode digunakan untuk pemilihan jenis pengukuran, mencakup tegangan AC/DC, pengukuran arus AC/DC, pengukuran tahanan, pengukuran diode, dan pengukuran kapasitor. Terminal kabel untuk tegangan dengan arus berbeda. Terminal untuk pengukuran arus kecil 300 mA dengan arus sampai 10 A dibedakan. Voltmeter digital memperagakan pengukuran tegangan dc atau ac dalam bentuk angka diskrit, sebagai pengganti defleksi jarum penunjuk pada sebuah skala kontinu seperti dalam alat ukur analog. Penunjukan dengan angka dalam banyak pemakaian lebih menguntungkan, karena : •
mengurangi kesalahan pembacaan oleh manusia.dan interpolasi.
•
menghilangkan kesalahan paralaksis.
•
memperbesar kecepatan pembacaan.
•
melengkapi keluaran dalam bentuk digital yang sesuai bagi pengolahan dan pencatatan selanjutnya.
Digital voltmeter merupakan suatu instrumen yang dapat diandalkan dan teliti, yang dapat digunakan dalam banyak pemakaian pengukuran di laboratorium. Digital voltmeter dapat bersaing terhadap instrumen-instrumen analog konvensional, disebabkan perkembangan dan penyempurnaan modul-modul rang-kaian terpadu ( integrated circuit , IC ), ukuran, kebutuhan daya dan harga yang berkurang secara drastis. Kualitas voltmeter digital yang menonjol dapat digambarkan dengan mengemuka- kan Karakteristik operasi dan karakteristik yang khas. Spesifikasi berikut tidak semua berlaku pada satu instrumen tertentu, akan tetapi benar-benar menyatakan informasi yang absah mengenai keadaan saat ini, yaitu : •
• •
• •
•
•
Rangkuman masukan : dari ± 1,000000 V sampai ± 1000, 000 V, dengan pemilihan rangkuman secara otomatis dan indikasi beban lebih. Ketelitian mutlak sebesar ± 0,005 persen dari pembacaan. Stabilitas : jangka pendek 0,002 persen dari pembacaan untuk perioda 24 jam : jangka panjang 0,008 persen pembacaan untuk perioda 6 bulan. Resolusi : 1 bagian dalam 106 (1 μV dapat dibaca pada rangkuman masukan1 V ). Karakteristik masukan : tahanan masukan khas adalah 10 MΩ ; kapasitas masukan 40 pF. Kalibrasi : standar kalibrasi internal yang memungkinkan kalibrasi tidak ber-gantung pada rangkaian ukur diperoleh dari sumber referensi yang distabilkan. Sinyal-sinyak keluaran : perintah mencetak, memungkinkan keluaran menuju pencetak keluaran BCD ( binary coded decimal = bilangan desimal yang masing-masing angka dinyatakan oleh empat bit ) untuk pengolahan atau pen- catatan digital.
Ciri pilihan biasa mencakup rangkaian tambahan untuk mengukur arus, tahanan dan perbandingan tegangan. Variabel-variabel fisis lainnya dapat diukur dengan menggunakan transducer yang sesuai. Voltmeter digital dapat dikelompokkan kedalam 4 ( empat ) kategori, yaitu : 1. Voltmeter digital tipe tanjak ( ramp type DVM ). 2. Voltmeter digital tipe penggabungan / intergrasi ( integrating DVM ) 3. Voltmeter digital setimbang kontinu ( continuous balance DVM ) 4. Voltmeter digital dengan pendekatan berturut-turut ( successive approximating DVM ). VOLMETER DIGITAL 1. Voltmeter Tipe Tanjak
2.
•
Prinsip kerjanya didasarkan pada pengukuran waktu yang diperkirakan oleh sebuah tegangan tanjak linear agar naik dari level 0 ke level tegangan masukan , atau agar berkurang dari tegangan masukan ke 0.
•
Selang waktu ini diukur dengan pencacah selang waktu elektronik dan pencacah diperagakan dalamsejumlah angka pada tabung penunjuk elektronik.
Voltmeter Tanjak Anak Tangga (staircase-ramp DVM) •
•
DVM tanjak tipe anak tangga merupakan variasi dari DVM tipe tanjak,tetapi sedikit lebih sederhana dalamrancangan keseluruhan. DVM melakukan pengukuran tegangan dengan membandingkan tegangan masukan terhadap sebuah tegangan tanjak anak tangga yang dibangkitkan secara internal.
3.
Voltmeter Penggabungan (Integrating DVM) •
•
•
•
4.
Jika tegangan masukan konstan , keluaran adalah sebuah tegangan tanjak linear yang memenuhi persamaan:
Voltmeter Seimbang Kontinu Voltmeter digital jenis seimbang kontinu (continuous balance DVM) merupakan • instrumen yang memberikan ketelitian yang baik. •
5.
Voltmeter tipe penggabungan mengukur tegangan masukan rata-rata sebenarnya melalui perioda pengukuran yang telah tertentu Suatu teknik yang digunakan secara luas untuk melakukan integrasi adalah menggunakan pengubah tegangan ke frekwensi (voltage to frekwensi converter,V/F converter).Penguat volt ke frekwensi ini berfungsi sebagai system kontrol umpan balik yang mengatur laju pembangkitan pulsa agar seimbang dengan besarnya tegangan masukan. Penguatan integrasi menghasilkan suatu tegangan keluaran yang sebanding dengan tegangan masukan yang dikaitkan ke elemen masukan dan elemen umpan balik oleh persamaan:
Ketelitian voltmeter ini biasanya adalah dalamorde 0,1 persen rangkuman masukannya dan mempunyai impedansi masukan sekitar 10 Mohmdengan resolusi yang dapat diterima secara umum
Voltmeter Digital Pendekatan Berturut-turut ( Successive approximation DVM ) Voltmeter digital dengan kemampuan 1000 pembacaan setiap sekon umumnya • menggunakan konverter dari jenis pendekatan berturut-turut guna melakukan digitasi.
INSTRUMENTASI “Alat Ukur Analog dan Digital”
Oleh : Idham Widdhiarta 05081006036
JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SRIWIJAYA INDERALAYA 2010
