Bab 12 Pengukuran Medan Magnet

TUGAS PENGUKURAN & INSTRUMENTASI PADA SISTEM TENAGA EP6071 PENGUKURAN MEDAN MAGNET

Disusun oleh: Erwin Yusuf NIM : 23211047

PROGRAM MAGISTER SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2012

EP6071 – Pengukuran & Instrumentasi pada Sistem Tenaga Buku Perkuliahan

Pegukuran Medan Magnet Daftar Tabel

Daftar Isi Daftar Isi ................................................................... ............................................................................................. .......................... ii Daftar Tabel ............................................................ ....................................................................................... ........................... iii iii Daftar Gambar ............... ................................................................................ ....................................................................... ...... 1 1

Pengukuran Medan Magnet ..................................................................... 1 1.1 Pendahuluan ................................................................... ................................................................................. .............. 1 1.2 Pengukuran Medan Magnet ................................................................ ................................................................ 2 1.3 Magnetometer Magnetometer Vektor untuk Medan Rendah ............................................ 4 1.3.1 Magnetometer Magnetometer Kumparan Induksi......................................................4 1.3.2 Magnetometer Magnetometer Fluxgate......................................................... ................................................................. ........9 1.3.3 Magnetometer Magnetometer SQUID............................................................ .................................................................. ...... 11 1.4 Gaussmeters Vector untuk Medan Tinggi .............................................. 13 1.4.1 Gaussmeter Efek Hall ................................................................. 13 1.4.2 Gaussmeter Magnetoresistive ........................................................ 15 1.5 Magnetometers Magnetometers Skalar ...................................................... .................................................................... .............. 16 1.5.1 Magnetometer Proton Precession ................................................... 16 1.5.2 Magnetometer Magnetometer Optically Pumped .................................................... 17

Daftar Pustaka .................................................................................... .................................................................................... 20

Erwin Yusuf (23211047)

ii



Daftar Tabel Tabel 1.1 Karakteristik instrumen sensor medan magnet ......................................3 Tabel 1.2 Perbandingan sensor medan magnet ..................................................4 Tabel 1.3 Sifat magnet core dari berbagai material ............................................7


iii



Daftar Gambar Gambar 1.1 Garis garis medan magnet (a) Bumi, (b) Magnet Batang dan (c) kawat yang dialiri oleh arus .......................................................................................1 Gambar 1.2 Klasifikasi sensor medan magnet ....................................................2 Gambar 1.3 Batang magnet menghasilkan medan magnet berupa vektor yang memiliki besaran dan arah .....................................................................................3 Gambar 1.4 Sensor kumparan induksi (a) inti udara (b) inti ferromagnetic .................5 Gambar 1.5 Antena loop inti udara ................................................................6 Gambar 1.6 Sensor arus listrik Koil Rogowski yang memanfaatkan medan magnet ........6 Gambar 1.7 Antena Batang (Rod) ..................................................................7 Gambar 1.8 Pengkondisian sinyal penguat tegangan............................................8 Gambar 1.9 Pengkondisian sinyal penguat arus ..................................................8 Gambar 1.10 Fluxgate magnetometer ............................................................9 Gambar 1.11 Sistem operasi magnetometer fluxgate......................................... 10 Gambar 1.12 Bidang eksitasi fluxgate dan sinyal keluaran................................... 10 Gambar 1.13 Pengkondisian sinyal magnetometer fluxgate dengan umpan balik ........ 11 Gambar 1.14 Aplikasi superconducting quantum interference device-SQUID ............. 12 Gambar 1.15 Josephson juction dan kurva arus pada tegangan nol ........................ 12 Gambar 1.16 Pengkondisian sinyal magnetometer SQUID .................................... 13 Gambar 1.17 Efek hall ............................................................................. 14 Gambar 1.18 Pengkondisian sinyal berdasarkan efek hall .................................... 14 Gambar 1.19 Efek magnetoresistive ............................................................. 15 Gambar 1.20 Pengkondisian sinyal magnetoresistive ......................................... 16 Gambar 1.21 Ilustrasi presisi proton ............................................................ 17 Gambar 1.22 Pengkonsisi sinyal magnetometer proton precession ......................... 17 Gambar 1.23 Magnetometer Optically Pumped ................................................ 18 Gambar 1.24 Contoh pengkondisian sinyal Magnetometer Optically Pumped ............. 19


1


1


Pengukuran Medan Magnet

1.1 Pendahuluan Medan magnet telah ada sejak bumi ini diciptakan. Keberadaan medan magnet telah disadari oleh bangsa Yunani lebih dari 2000 tahun lalu, melalui sejenis batuan tertentu (sekarang disebut magnetit) dapat menarik potongan besi. Pada abad ke-12 terdapat acuan tertulis penggunaan medan magnet sebagai alat navigasi. Setiap magnet bagaimanapun bentuknya selalu memiliki dua kutub, ktub utara dan kutub selatan. Gaya terbesar yang dikerahkan oleh magnet terdapat di kedua kutub ini. Pada tahun 1600, William Gilbert menemukan bahwa bumi sendiri merupakan magnet alami dengan kutub magnet yang berada didekat kutub utara dan kutub selatan. Medan magnet juga dapat ditemukan pada magnet permanen, kawat yang dialiri oleh arus, elektron atau muatan yang berputar dan lain-lain. Medan magnet di sekitar magnet permanen atau konduktor listrik dapat divisualisasikan sebagai kumpulan garis fluks magnetik; garis gaya yang ada dalam materi yang sedang mengalami pengaruh yang magnetizing.

(a)

(b)

(c) Gambar 1.1 Garis garis medan magnet (a) Bumi, (b) Magnet Batang dan (c) kawat yang dialiri oleh arus

Tidak seperti cahaya, yang berjalan jauh dari sumbernya tanpa batas, garis fluks magnetik akhirnya harus kembali ke sumbernya. Jadi semua sumber magnetik yang

Erwin Yusuf ( 23211047)

1



dikatakan memiliki dua kutub. Garis fluks dikatakan berasal dari kutub "utara" dan kembali ke kutub "selatan“. Kuat medan magnet dinyatakan dalam satuan Tesla (T) atau microtesla (μT). Unit lain, yang umumnya digunakan adalah Gauss (G) atau milligauss (mg), di mana 1 T adalah setara 10.000 G (atau 1 μT = 10 mG).

1.2 Pengukuran Medan Magnet Sensor medan magnet telah membantu manusia didalam menganalisis dan mengontrol ribuan fungsi berpuluh tahun lamanya. Pesawat terbang dapat terbang dengan aman dengan adanya bantuan dari sensor medan magnet. Komputer dapat mengetahui sisa jumlah memori dengan bantuan sensor magnet. Sensor magnet juga dapat membantu kegiatan produksi di pabrik supaya peralatan produksi dapat bekerja lebih presisi dengan biaya murah. Kuat medan magnet dapat diukur dengan menggunakan berbagai macam teknologi. Disetiap teknologi pengukuran mempunyai sifat tersendiri berdasarkan kemampuan pengukurannya. Berdasarkan gambar 1.2, Sensor medan magnet dibagi dua berdasarkan kepekaan pengukuran dimana magnetometer lebih peka untuk mengukur medan rendah dan gausmeter lebih peka untuk mengukur medan tinggi. Pada pengukuran medan magnet rendah (magnetometer) terdapat dua tipe sensor yaitu tipe sensor berdasarkan komponen vektor dan sensor berdasarkan besaran skalar.

Gambar 1.2 Klasifikasi sensor medan magnet

Kepakaan atau karakteristik dari masing-masing sensor itu sendiri dapat dilihat pada tabel 1.1. berikut. Dimana, sensor magnet mempunyai kelebihan dan kekurangan. Tidak semua sensor dapat digunakan untuk mengukur suatu medan magnet tertentu. Hal ini tergantung dari kemampuan pengukuran, resolusi, dan bandwidth. Sehingga, ada baiknya sebelum melakukan pengukuran objek ukur diketahui terlebih dahulu.


2



Tabel 1.1 Karakteristik instrumen sensor medan magnet

Memahami prinsip medan magnet alami sangat penting untuk dapat memahami teknik pengukuran medan magnet. Pada suatu magnet batang, medan magnet dihasilkan berupa besaran vektor yang memiliki besaran (magnitude) dan arah. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.3.

Gambar 1.3 Batang magnet menghasilkan medan magnet berupa vektor yang memiliki besaran dan arah

Apabila medan magnet tersebut diukur pada titik jarak seperti yang terlihat pada gambar 1.3, dapat digambarkan dengan persamaan berikut:

⃗ ⃗  ⃗̂̂ 

̂

Dimana adalah unit vaktor disepanjang r, r adalah jarak antara sumber magnet dengan titik pengukuran dan adalah momen dipole magnetik. Intensitas atau kuat objek magnetisasi tergantung pada kerapatan distribusi momen. Intensitas ini biasa disebut magnetisasi M yang dirumuskan sebagai berikut:

⃗

⃗ ⃗  

Seperti pada medan magnet, magnetisasi juga merupakan besaran vektor. Magnetisasi merupakan sifat dari suatu material yang dapat meningkat apabila mendapat induksi dari medan magnet luar (eksternal). Selain medan magnet, terdapat juga vektor magnet yang lain yaitu vektor induksi magnet

⃗

atau rapat flux medan magnet. Besaran rapat flux berbanding lurus dengan


3


vektor medan magnet berikut:

⃗


 ⃗  ⃗

dengan faktor kali

seperti yang dirumuskan pada persamaan

Adapun hubungan antara vektor medan magnet, induksi magnet dan magnetisasi dirumuskan pada persamaan berikut:

⃗  ⃗ ⃗ Sehingga, vektor induksi dan medan magnet tidak selalu memiliki arah yang sama. Pada suatu bahan yang memiliki sifat magnet anisotropic bisa menyebabkan kedua vektor ini berbeda arah. Vektor magnetisasi bisa terdiri dari magnet permanen dan hasil induksi. Dimana, magnet permanen tidak bergantung pada kehadiran medan luar (eksternal). Sedangkan vektor magnetisasi induksi bergantung pada medan magnet luar dan hanya akan ada bila ada medan induksi. Tabel 1.2 Perbandingan sensor medan magnet

1.3 Magnetometer Vektor untuk Medan Rendah 1.3.1 Magnetometer Kumparan Induksi Sensor kumparan induksi (search coil sensor, pickup coil sensor, magnetic antenna) adalah salah satu sensor magnetik tertua dan terkenal. Kumparan induksi , yang merupakan salah satu perangkat paling sederhana penginderaan medan magnet. Merupakan fungsi transfer

⃗ 

bila ada suatu flux magnet

hasil dari hukum Faraday tentang induksi. Dimana

yang melewati suatu koil akan menghasilkan tegangan

yang proposional (berbanding lurus) dengan perubahan flux.


4



Gambar 1.4 Sensor kumparan induksi (a) inti udara (b) inti ferromagnetic

       

Persamaan diatas adalah persamaan untuk koil inti udara, sedangkan persamaan faraday untuk antena rod dengan inti feromagnetik adalah sebagai berikut:

Dimana



   

adalah permiability dari material rod.

1.3.1.1 Antena Loop Inti Udara Inti udara antena loop terdiri dari sebuah loop lingkaran atau persegi panjang yang berisi satu atau lebih dari lilitan kawat dan tidak ada inti magnetik. Diameter lingkaran biasanya jauh lebih besar dari dimensi penampang lilitan. Kepekaan antena loop melingkar dengan diameter dalam lilitan d dan penampang persegi panjang adalah sekitar:

           [()  () ]


5



Gambar 1.5 Antena loop inti udara

Dimana t adalah tebal lilitan dan n adalah jumlah lilitan. Salah satu contoh dari antena loop udara adalah Rogowski Coil merupakan alat ukur arus yang memanfaatkan medan magnet yang timbul pada konduktor yang dialiri oleh arus. Medan magnet H di konversikan kedalam bentuk arus kembali oleh lilitan toroid. Rogowski Coil terdiri dari kawat tanpa isolasi yang diletakkan di dalam inti nonmagnetik (relative permittivity, μr = 1). Belitan diletakkan di sekitar konduktor yang arusnya akan diukur. Untuk mendapatkan sensor arus yang baik, Rogowski Coil harus memenuhi beberapa persyaratan, yaitu: 



Posisi relatif konduktor (belitan) primer di dalam belitan harus tidak mempengaruhi keluaran Pengaruh konduktor yang berdekatan dan membawa arus tinggi terhadap keluaran belitan harus seminimal mungkin

Gambar 1.6 Sensor arus listrik Koil Rogowski yang memanfaatkan medan magnet

1.3.1.2 Antena Batang (Rod) Antena batang adalah alternatif yang baik dari antena loop inti udara. Dengan sensitivitas yang sama, ukuran antena batang lebih kecil dari antena loop, dan dapat dirancang untuk beroperasi pada frekuensi yang lebih rendah. Akan tetapi mempunyai


6



kelemahan dalam menanggapi kuat medan magnet dapat nonlinier dan menambahkan noise pada inti.

Gambar 1.7 Antena Batang (Rod)

Gambar 1.7 merupakan gambar dari rod antenna. Merupakan bentuk solenoid dengan inti magnet. Inti dari antena batang ini bisa berbentik lingkaran maupun persegi empat. Bahan yang digunakan sebagai inti adalah; ferrite, nikel iron alloy, amorphous metal glass alloy, atau material lainnya yang mempunyai permiabilitas relatif tinggi. Kumparan bisa langsung dililitkan langsung ke inti atau kepada selubung dimana inti dimasukan. Isolasi terkadang dipasang diantara lapisan kumparan untuk mengurangi distribusi kapasitansi. Perisai elektrostatik biasanya dipasang disekitar kumparan untuk mengurangi gangguan medan listrik pada sinyal. Sensitivitas dari kumparan induksi ini tergantung pada permiabilitas dari material inti, luas kumparan,jumlah lilitan, dan perubahan jumlah flux magnet yang masuk ke kumparan. Berikut adalah permiabilitas material yang biasa digunakan untuk mengukur medan magnet. Tabel 1.3 Sifat magnet core dari berbagai material


7



1.3.1.3 Pengkondisian sinyal Pengkondisian sinyal dari magnetometer coli induksi berupa penguat tegangan maupun penguat arus. Output sinyal dari penguat tegangan sebanding dengan besar dan frekuensi medan pada frekuensi di bawah resonansi. Output-nya akan mencapai puncaknya pada frekuensi resonansi kumparan atau frekuensi tuning. Amplitudo dari penguat tegangan sinyal kumparan induksi sebanding dengan frekuensi dan kuat medan. Karena sinyal outputnya tergantung pada kuat frekuensi dan medan magnet, penguat tegangan lebih cocok untuk band sempit atau aplikasi frekuensi yang dicari.

Gambar 1.8 Pengkondisian sinyal penguat tegangan

Amplitudo dari penguat-arus, sinyal kumparan induksi akan sebanding dengan kuat medan dan tidak terpegaruh dengan frekuensi saat diluar frekuensi sudut L/R. Untuk alasan ini, konfigurasi penguat arus sangat cocok untuk broadband pengukuran kekuatan medan magnet. Konfigurasi penguat arus meminimalkan distorsi intermodulasi dalam gulungan induksi dengan inti magnet. Arus yang mengalir melalui kumparan menghasilkan medan magnet yang menentang medan lingkungan. Hal ini membuat medan bersih dalam inti mendekati nol dan di daerah linier dari kurva B-H. Magnetometer induksi penguat-arus berbasis koil telah dibangun yang memiliki respon frekuensi datar dari 10 Hz sampai lebih dari 200 kHz.

Gambar 1.9 Pengkondisian sinyal penguat arus


8



1.3.2 Magnetometer Fluxgate 1.3.2.1 Prinsip Fluxgate Magnetometer Selain magnetometer induksi kumparan magnetometer fluxgate merupakan teknologi yang sering digunakan untuk mengukur medan magnet. Prinsip Fluxgate magnetometer adalah dengan menggunakan dua buah inti material magnetis, seperti mumetal, permalloy, ferrite dan sebagainya. Pada medan magnet yang lemah logam tersebut mempunyai permeabilitas besar. Untuk desain yang umum kedua inti masing-masing diberi lilitan primer yang sama tetapi arahnya berlawanan, dan lilitan sekunder arahnya berlawanan. Lilitan primer dihubungkan dengan sumber arus bolak-balik frekuensi rendah (50-1000 Hz), lilitan sekunder dihubungkan dengan suatu amplifier. Bila kumparan primer dihubungkan dengan sumber arus, maka pada kumparan sekunder timbul arus induksi yang arahnya berlawanan. Bila ada medan magnet luar maka salah satu kumparan akan mengalami flux magnet yang lebih besar dari yang lainnya, tetapi dalam setengah gelombang berikutnya kumparan yang mengalami flux magnet tambahan berganti dengan kumparan kedua. Sehingga pada saat yang sama kedua kumparan mempunyai pulsa yang berbeda, dan keluaran dari kumparan sekunder merupakan pulsa tegangan yang berasal dari selisih flux yang ditimbulkan kumparan primer. Tinggi pulsa sebanding dengan medan magnet luar yang mempengaruhinya.

Gambar 1.10 Fluxgate magnetometer


9



Ketika arus sinusoidal diterapkan pada salah satu kumparan, akan memagnetisasi kumparan. Selanjutnya menyebabkan saturasi magnetisasi pada masing-masing setengah siklus. Karena mengalami hysterisis, fluk magnetik yang melewati inti akan menelusuri loop melawan intensitas medan magnet. Perubahan kerapatan flux akan dirasakan oleh kumparan kedua. Saat inti akan saturasi, reluktansi inti ke medan magnet ekternal diukur naik, membuat medan magnet kurang aktraktif untuk melewati inti. Sensitivitas dari sensor ini tergantung pada kurva hysterisisnya.

Gambar 1.11 Sistem operasi magnetometer fluxgate

1.3.2.2 Pengkondisian Sinyal

Gambar 1.12 Bidang eksitasi fluxgate dan sinyal keluaran


10



Sinyal dari fluxgate adalah amplitudo-dimodulasi menekan pembawa sinyal yang sinkron dengan sinyal eksitasi harmonik kedua. Pada magnetometer sederhana daya rendah, sinyal ini dikonversi ke base band menggunakan demodulator sinkron, disaring, dan disajikan sebagai hasil akhir. Keakuratan magnetometer yang menggunakan arsitektur loop terbuka dibatasi oleh linieritas kurva magnetisasi inti dan sekitar 5% untuk aplikasi bidang bumi (60 mT). Bidang eksitasi fluxgate magnetometer bergantian menggerakkan inti menjadi saturasi positif atau negatif, menyebabkan permeabilitas efektif inti untuk beralih antara 1 dan nilai besar dua kali setiap siklus. Pengkondisian sinyal magnetometer fluxgate dengan umpan balik lebih presisi dan stabil dibandingkan menggunakan pengolahan sinyal open loop. Pada pengkondisian sinyal ini sebagai sumber eksitasi menggunakan rangkaian flip-flop yang menghasilkan arus eksitasi pada kumparan eksitasi. Sensor keluaran AC diperkuat, didemodulasi serentak, dan disaring. Sebuah medan magnet yang nulls bidang lingkungan pada sensor diproduksi dengan menghubungkan Rf resistor antara output dan sinyal kumparan.

Gambar 1.13 Pengkondisian sinyal magnetometer fluxgate dengan umpan balik

1.3.3 Magnetometer SQUID 1.3.3.1 Superconducting Quantum Interference Device-SQUID Magnetometer berdasarkan Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) saat ini, merupakan instrumen yang paling sensitif yang tersedia untuk mengukur kuat medan magnet. Magnetometer SQUID mengukur perubahan dalam medan magnet dari beberapa tingkat medan, mereka tidak secara intrinsik mengukur nilai absolut dari medan. Penelitian biomedis adalah salah satu aplikasi dari magnetometer SQUID. SQUID magnetometer dan gradiometers (mengukur variasi spasial dalam medan magnet) memiliki sensitivitas tinggi untuk mengukur medan magnet yang lemah yang dihasilkan oleh tubuh. Hal ini didasarkan pada interaksi yang luar biasa dari arus listrik dan medan magnet,

ketika

bahan-bahan

tertentu

didinginkan

di

bawah

suhu

transisi

superkonduktor. Pada suhu ini, bahan menjadi superkonduktor, mereka kehilangan semua hambatan terhadap aliran listrik.


11



Gambar 1.14 Aplikasi superconducting quantum interference device-SQUID

Brian D. Josephson pada tahun 1962, mahasiswa pascasarjana di Universitas Cambridge, memprediksi bahwa arus dapat mengalir antara dua superkonduktor yangdipisahkan oleh sebuah lapisan isolasi tipis. Besarnya arus yang dapat melalui superkonduktor "persimpangan Josephson" ini dipengaruhi oleh adanya medan magnet. Prinsip kerja ini menjadi dasar dari magnetometer SQUID.

Gambar 1.15 Josephson juction dan kurva arus pada tegangan nol

Gambar 1.15 mengilustrasikan struktur umum dari sebuah persimpangan Josephson dan hubungan tegangan-arus (V-I). Dua superkonduktor (misalnya, niobium) yang dipisahkan oleh sebuah lapisan isolasi sangat tipis (misalnya, oksida aluminium). Ketebalan lapisan ini biasanya 1 nm. Ketika suhu persimpangan berkurang menjadi di bawah 4,2 K (269°C),

superkonduktor

arus

akan

mengalir

dipersimpangan

dengan

0

V

di

persimpangan. Besarnya arus disebut Ic kritis adalah fungsi periodik dari fluks magnet yang ada di persimpangan. Besarnya nilai-nilai fluks maksimum yang terjadi sama


12


dengan



dimana




merupakan salah satu fluks kuantum (2 FW), dan besar minimum

untuk nilai-nilai fluks yang terjadi sama dengan (n + 1 / 2)



. Periode ini adalah salah

satu fluks kuantum. Fenomena ini disebut "efek Josephson DC" dan hanya salah satu "efek Josephson". Magnetometer didasarkan pada Device superkonduktor Quantum Interference (SQUID) saat inimerupakan instrumen yang paling sensitif yang tersedia untuk mengukur kekuatan medan magnet.

1.3.3.2 Pengkondisian Sinyal SQUID secara magnetis terbiaskan pada titik sensitivitas optimal. Sebuah medan magnet AC kecil pada 100 kHz sampai 500 kHz ditumpangkan pada bidang bias. Keluaran dari SQUID adalah pembawa sinyal amplitudo termodulasi. Dimana amplitudo menunjukkan perubahan medan magnet dari titik bias, dan fase menunjukkan polaritas perubahan. Sinyal output diperkuat dan kemudian serentak didemodulasi ke band dasar. Sinyal DC yang dihasilkan diperkuat dan di hubungkan kembali melalui resistor kumparan yang digabungkan ke SQUID. Arus melalui kumparan menghasilkan medan magnet di SQUID yang menentang bidang diterapkan. Hal ini membuat titik SQUID operasi yang sangat dekat titik bias. Faktor skala magnetometer tergantung pada resistor umpan balik dan konstanta kumparan dari kumparan umpan balik dengan cara yang sama seperti pada magnetometer medan umpan balik fluxgate.

Gambar 1.16 Pengkondisian sinyal magnetometer SQUID

1.4 Gaussmeters Vector untuk Medan Tinggi 1.4.1 Gaussmeter Efek Hall 1.4.1.1 Efek Hall Efek Hall adalah konsekuensi dari hukum gaya Lorentz, yang menyatakan bahwa apabila muatan q bergerak, ketika ditindaklanjuti oleh medan induksi magnet


B, akan

13



memberikan gaya bahwa F tegak lurus terhadap vektor medan dan vektor kecepatan v muatan sebagaimana dinyatakan oleh persamaan berikut:

Perangkat efek Hall terdiri dari konduktor persegi panjang tipis atau semikonduktor dengan dua pasang elektroda tegak lurus satu sama lain.

Gambar 1.17 Efek hall

1.4.1.2 Pengkondisian Sinyal Sebuah Gaussmeter Efek Hall sederhana dapat dibangun menggunakan sirkuit pengkondisian sinyal yang ditunjukkan pada Gambar dibawah. Tegangan referensi, penguat operasional, dan resistor Rs yang dapat diatur menghasilkan sumber arus presisi yang konstan Ic untuk efek Hall. Untuk performa terbaik, referensi tegangan dan Rs harus sangat stabil dari suhu dan waktu. Sebuah penguat daya dibutuhkan untuk kontrol arus diatas 20 mA

Gambar 1.18 Pengkondisian sinyal berdasarkan efek hall


14



1.4.2 Gaussmeter Magnetoresistive 1.4.2.1 Efek Magnetoresistive Efek magnetoresistive merupakan perubahan resistensi pada suatu ferromagnetik material yang disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal. Material seperti Permalloy (nikel dan besi) dapat digunakan sebagai sensor mzgneto resistansi (Anisotropic Magnetoresistance-AMR sensor). Selama fabrikasi sebuah elemen resistor AMR, medan magnet diterapkan sepanjang panjangnya strip untuk menarik dan membangun sumbu M. Arus i dilewatkan melalui film di 45° dari sumbu M atau anisotropik. Sebuah medan magnet Ha yang diterapkan tegak lurus vektor magnetisasi M menyebabkan

vektor

magnetisasi

memutar

dan

mengubah

magnetoresistance.

Perubahan resistansi AMR berbandinglurus dengan kuat medan magnet Ha

Gambar 1.19 Efek magnetoresistive

1.4.2.2 Pengkondisian Sinyal Rangkaian Pengondisi sinya jembatan Wheatstone Konvensional dapat digunakan untuk memproses jembatan AMR. Sensitivitas jembatan dan offset nol sebanding dengan tegangan jembatan, sehingga sangat penting untuk menggunakan pasokan yang teratur dengan baik dengan noise yang rendah dan stabilitas suhu yang baik. Arah magnetisasi dapat membalik secara bergantian untuk menghilangkan nol offset. Sinyal AC yang dihasilkan kemudian dapat diperkuat dan serentak fase terdeteksi untuk memulihkan sinyal bidang terkait. Jangkauan dan stabilitas Gaussmeter AMR dapat ditingkatkan dengan menghubungkan tegangan output melalui resistor untuk kumparan umpan balik yang menghasilkan medan yang nulls bidang diterapkan.


15



Gambar 1.20 Pengkondisian sinyal magnetoresistive

1.5 Magnetometers Skalar Magnetometer skalar mengukur besaran magnitude dari medan magnet dengan memanfaatkan sifat atom dan nuklir dari suatu materi. Ketika dioperasikan pada kondisi yang tepat, instrumen ini memiliki resolusi dan akurasi sangat tinggi dan relatif tidak sensitif terhadap orientasi. Instrumen memerlukan medan magnet seragam di seluruh volume elemen penginderaan. Magnetometer skalar memiliki interval pengukuran yang terbatas, biasanya 20 mT sampai 100 mT. Magnetometer skalar memiliki keterbatasan dalam hal orientasi vektor medan magnet relatif terhadap elemen sensor.

1.5.1 Magnetometer Proton Precession 1.5.1.1 Prinsip Kerja Proton adalah ion positif hidrogen (h+) terdapat banyak dalam air dan senyawa hidrocarbon (hc). Proton yang punya medan magnet spin, ketika dikenai medan magnet akan melakukan gerakan presisi. Frekuensi sudut presisi ini akan sebanding dengan kuat medan magnet. Dengan cara ini medan magnet dapat diukur. Dengan tambahan teknik akurasi maka medan magnetik dapat diukur oleh presisi proton.


16



Gambar 1.21 Ilustrasi presisi proton

1.5.1.2 Pengkondisian Sinyal Magnetometer

proton

presisi

menggunakan

medan

magnet

yang

kuat

untuk

mempolarisasi proton dalam hidrokarbon dan kemudian mendeteksi frekuensi presesi proton sementara mereka meluruh ke kondisi nonpolarized setelah medan polarisasi dimatikan.

Gambar 1.22 Pengkonsisi sinyal magnetometer proton precession

1.5.2 Magnetometer Optically Pumped 1.5.2.1 Prinsip Kerja Magnetometer optik dipompa didasarkan pada efek Zeeman. Zeeman menemukan bahwa perlakuan medan kepada atom, yang memancarkan atau menyerap cahaya, akan


17



menyebabkan garis spektrum dari atom terpecah menjadi satu set garis spektrum baru yang jauh lebih dekat dari garis normal. Energi yang berhubungan dengan frekuensi interval antara garis-garis hyperfine ini sebanding dengan besarnya medan diterapkan. Tingkat energi mewakili keadaan energi dapat atom lakukan. Magnetometer optik dipompa memanfaatkan karakteristik ini dengan optik merangsang atom untuk menghasilkan kedudukan energi besar di salah satu garis spektral hyperfine dan kemudian mengosongkannya dengan menggunakan medan magnetik RF. Frekuensi RF yang diperlukan untuk mengosongkan kedudukan energi sama dengan perbedaan spektral garis hyperfine dihasilkan oleh medan magnet, karenanya, frekuensi RF sebanding dengan kekuatan medan magnet.

Gambar 1.23 Magnetometer Optically Pumped

1.5.2.2 Pengkondisian Sinyal Penkondisian sinyal pada Magnetometer Optically Pumped biasanya dapat dilakukan dengan dua cara: Magnetometer servoed: sedikit memodulasi medan RF pada frekuensi rendah, menyebabkan transmisivitas uap untuk memodulasi. Sebuah detektor fasa memberikan sinyal error yang digunakan untuk mengunci osilator RF dengan frekuensi Larmor. Magnetometer osilasi sendiri : transmisivitas dari uap, pada sudut kanan bidang diterapkan, dibuat untuk berosilasi pada frekuensi Larmor oleh phaseshifting modulasi cahaya dideteksi dan makan kembali ke generator bidang RF


18



Gambar 1.24 Contoh pengkondisian sinyal Magnetometer Optically Pumped


19



Daftar Pustaka [1]

Coillot, Christophe and Paul Leroy, Induction Magnetometers Principle, Modeling and Ways of Improvement, LPP Laboratory of Plasma Physics, France, 2008.

[2]

Dunn, William C., Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control, The McGraw-Hill Companies, 2005.

[3]

Hurst, Randolph W., Electrical Testing & Measurement Handbook vol.7, The Electricity Forum 2007.

[4]

Lenz, James E., A Review of Magnetic Sensors, Proceedings of the IEEE, Vol. 78, No. 6, June 1990

[5]

Omega,, Instruction Manual, Model HHG-23, GAUSS / TESLA METER, Rev. - 06/98, June 1998.

[6]

Tumanski, Slawomir, Induction Coil Sensors, IEEE

[7]

Webster, John G., Electrical measurements, signal processing, and displays, CRC, 2004.


20

Bab 12 Pengukuran Medan Magnet

Recommend Documents