SENSOR Sensor
Mendeteksi sutau besaran besaran fisis, ( temperature, gaya,tekanan, aliran fluida level fluida, kelembaban, dll.
Sensor merupakan perluasan / peningkatan kemampuan untuk memperoleh informasi tentang kuantitas fisik yang tidak bisa diperoleh oleh indra manusia karena keterbatasan dan kekurang telitian yang dimiliki manusia.
Transduser
Alat mentransformasikan mentransformasikan suatu besaran fisik ke besaran fisik lainnya atau dari energi satu ke energi lainnya yang bersesuaian Input-transduser (phisical/elekctrical (phisical/elekctrical signal) dan output transduser (electrical signal/display atau actuator
KLASIFIKASI SENSOR Sensor
Berdasarkan Kebutuhan power supply
Sensor aktif
Sensor analog
Sensor pasif
Thermistor
Potensiometer
Thermocouple
Berdasarkan Hubungan Input-output * dll
Berdasarkan Mode operasi
Berdasarkan Sinyal output
Sensor digital
nul
Deflection
Deflection accelerometer
Position encoder
Servo accelerometer
KLASIFIKASI SENSOR Sensor
Berdasarkan Kebutuhan power supply
Sensor aktif
Sensor analog
Sensor pasif
Thermistor
Potensiometer
Thermocouple
Berdasarkan Hubungan Input-output * dll
Berdasarkan Mode operasi
Berdasarkan Sinyal output
Sensor digital
nul
Deflection
Deflection accelerometer
Position encoder
Servo accelerometer
Berdasarkan kebutuhan supply daya (catu daya)
Sensor dapat dikalsifikasikan: 1. Modulating Sensor ( sensor aktif ) 2. Self-Generating ( sensor pasif ) Pada jenis modulating sensor (sensor aktif) Hampir semua daya sinyal output berasal dari sumber daya tambahan (sumber daya dari luar). Input hanya mengontrol output. Sensor aktif biasanya membutuhkan membutuhkan lebih banyak kawat dibandingkan dengan sensor pasif overall sensitivity dari sensor tersebut dapat dikontrol oleh tegangan power supply Self-generating sensor Daya output berasal dari daya input.
Berdasarkan sinyal output
Sensor analog :
Sensor dengan output dalam domain waktu. Informasi biasanya diperoleh dari amplitudo. Sensor yang memiliki output dalam bentuk variabel frekuensi disebut quasi-digital
Sensor Digital
Keluaran sensor digital berupa discrete step or state. Sensor digital tidak membutuhkan ADC Outputnya lebih mudah ditransmisikan daripada sensor analog. Output digital lebih berulang ,dapat dipercaya dan bahkan sering lebih akurat. Tetapi banyak kuantitas fisik yang tidak dapat diukur dengan sensor digital.
Berdasarkan mode operasi
Sensor deflection kuantitas yang diukur menimbulkan efek fisik yang menyebabkan beberapa bagian pada instrumen memberikan efek perlawanan yang sesuai. Contoh dynamometer untuk mengukur gaya : gaya yang akan diukur membengkokkan (deflects) pegas pada titik dimana gaya tersebut diberikan (ditekan). Sensor tipe-null, Dilakukan usaha mencegah defleksi dari titik null dengan menggunakan efek yang berlawanan dengan yang dihasilkan oleh kuantitas yang diukur. Terdapat detektor ketidak setimbangan dan beberapa peralatan untuk memulihkan kesetimbangan. Pengguna harus meletakkan satu atau beberapa berat pengkalibrasi pada wadah (pan) lain sampai kesetimbangan dicapai, yang diketahui dari posisi pointer. Pengukuran null biasanya lebih akurat, tetapi sayangnya lebih lambat.
TRANSDUSER Ada enam jenis Sinyal/besaran fisik : Mecahnical Temperature, Magnetic Electrik, Optical Chemical
Beberapa keuntungan sistem pengukuran elektronik :
Transduser elektrik dapat dirancang untuk berbagai kuantitas non elektrik Berbagai macam IC tersedia untuk pembentukan electric signal conditioning atau untuk modifikasi. Sinyal elektrik memiliki pentransmisian aplikatif.
Klasifikasi Transduser Transduser gaya
Transduser pergerakkan
Strain gauge
Shaft Encoder
Force Transduser, Torque Transduser, Pressure Transduser, Load Cell, tension Transduser.
Servopotensiometer
Kapasitif Displacement transduser
dll
Transduser Temperatur
Thermocouple
Resistance Thermometer
Thermistor
Semikonduktor Temperature Transduser
Transduser Cahaya
Transduser Magnetik
Transduser Humidity
Dll
APLIKASI SENSOR & TRANSDUSER
input
SISTEM KONTROL
+
Proses
Sensos & Transduser
Close loop
output
SISTEM INSTRUMENTASI Besaran masukkan pada kebanyakkan sistem instrumentasi bukan besaran listrik. Untuk menggunakan metoda dan teknik listrik pada pengukuran, manipulasi dan pengontrolan, besaran yang bukan listrik ini diubah menjadi suatu sinyal listrik dengan menggunakan transduser .
PEMILIHAN TRANSDUSER UNTUK SISTEM PENGUKURAN Pemilihan suatu transduser didasari oleh tiga pertanyaan :
Besaran fisis apa yang akan diukur ?
Prinsip transduser yang mana yang paling baik digunakan untuk mengukur besaran ini?
Berapa ketelitian yang diinginkan pada pengukuran ini ?
Berbagai faktor mempengaruhi ketelitian diantaranya :
Parameter dasar transduser
Kondisi fisik
Kondisi sekeliling ( efek ketidaklinieraan, respon frekuensi, efek histerisis)
Kondisi lingkungan (temperatur, getaran, percepatan)
Kesesuaian peralatan yang disertakan ( tahanan isolasi, penyesuaian impedansi )
SISTEM PENGUKURAN
SISTEM merupakan kombinasi dari dua atau lebih elemen, sub sistem dan bagian-bagian lain yang dibutuhkan untuk mengadakan satu atau beberapa fungsi.
Fungsi sistem pengukuran Mendapatkan data empiris dan objektif dari sejumlah sifat atau kuantitas suatu objek untuk menggambarkan objek yang bersangkutan. Objektive : hasil pengukuran harus independent atau bebas dari observer Empiris : hasil pengukuran harus berdasarkan pada data yang diperoleh dari eksperimen.
SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIK
Terdiri dari sejumlah komponen yang secara bersama-sama digunakan untuk melakukan suatu pengukuran dan mencatat hasilnya.
Peralatan Masukkan
Signal Conditioning
Peralatan Keluaran
Karakteristik Statik pada Sistem Pengukuran Karakteristik Statik
Accuracy
Precision
Sensitivity
Repeatibility Reproducibility
Linearity
Karakteristik statis pada sistem pengukuran
Accuracy kualitas yang mengkarakteristik kapasitas dari alat ukur dalam memberikan hasil yang mendekati nilai yang benar dari kuantitas yang diukur
Precision Kualitas yang mengkarakteristikan kemampuan alat ukur untuk memberikan pembacaan yang sama ketika pengukuran dilakukan berulang-ulang pada kuantitas yang sama dalam kondisi yang sama
Sensitivity perbandingan antara sinyal keluaran atau respon instrumen terhadap perubahan masukkan atau variabel yang diukur
Karakteristik statis pada sistem pengukuran
Repeatability kedekatan hasil yang berturut-turut diperoleh dengan metoda yang sama dalam kondisi yang sama dan dalam interval waktu yang singkat
Linearity Keselarasan hubungan antara output dan input
Resolusi Perubahan terkecil pada input yang dibutuhkan untuk menghasilkan perubahan yang bisa terdeteksi pada output,
Potensiometer
Berbagai jenis sensor dapat digunakan untuk men-sensing jarak yang ditempuh dari sebuah titik referensi.
Untuk jarak yang pendek berkisar beberapa milimeter atau beberapa centimeter dapat digunakan transduser resistif, kapasitif, dan induktif.
Sistem yang sangat sederhana untuk pendektesian jarak dapat menggunakan potensiometer.
Potensiometer adalah peralatan resistif dengan kontak pergeseran rotary atau linier yang berfungsi sebagai transduser yang mengubah posisi mekanik menjadi besaran elektrik yang merepresentasikan posisi tersebut.
Cara Kerja Potensiometer linier
.
Gbr a
Gbr b
Cara Kerja Potensiometer
Berdasarkan gambar b berarti ; resistansi proporsional dengan pergerakkan wipper. Asumsi pertama bahwa resistansi sepanjang L dalah sama/seragam. Tetapi resistansi tidak benar-benar sama, dimana dibatasi oleh kelinieran potensiometer. Asumsi kedua kontak sliding memberikan variasi resistansi yang kecil
Masalah utama dari metoda potensiometrik ini adalah range potensiometer yang dibatasi oleh ukuran potensiometer yang tersedia dan pergesekkan pada potensiometer merupakan obstacle /penghambat bagi pergerakkan./perpindahan objek. Presisi dapat dicapai tergantung pada seberapa linier lilitan dapat dibuat.
Potensiometer E 0
Resistansi R tanpa beban :
Resistansi R apabila ada beban
E T
RT= Resistansi Potensiometer
RL= Resistansi Beban
α = 0 s/d 1
E 0
T
; R 1 RT
R
RT
T
R L
T
R
T
R L
R R E ; I I R R R E E R R R R R 1 1 R / R T
T
E 0
R
i
L
T
T
i
L
i
L
L
T
L
LVDT (L ini er Di f f er ential Vari abel Tr ansf or mer )
LVDT : suatu transduser elektromekanik yang dapat mengkonversikan pergerakkan rectilinier dari suatu objek menghasilkan keluaran elektrik yang sesuai dengan perpindahan core
Linier : variasi tegangan secara linier sesuai dengan perubahan posisi core.
Differential : tegangan keluaran LVDT merupakan differential (beda) tegangan yang terjadi antara lilitan primer dengan lilitan sekunder kiri dan lilitan primer dengan lilitan sekunder kanan.
Struktur internal transformer pada LVDT terdiri dari lilitan primer yang diletakkan sebagai pusat antara sepasang lilitan sekunder yang identik, ruang antara primer dan sekunder adalah simetris
STRUKTUR INTERNAL LVDT
STRUKTUR INTERNAL LVDT
Terdapat dua lilitan skunder kiri dan kanan dipisahkan oleh sebuah lilitan primer yang menjadi pusatnya dan jarak lilitan primer ke masing-masing lilitan sekunder adalah simetris
Core adalah elemen yang bergerak pada LVDT, berbentuk pipa yang terpisah yang terbuat dari bahan yang memiliki permeabilitas magnetik. Core bebas bergerak secara aksial terhadap coil dan secara mekanik dikopelkan pada objek yang akan diukur posisinya
Coil adalah lilitankan pada satu potong bentuk cekungan yang terbuat dari polymer bertulang kaca yang memiliki kestabilan suhu tinggi.
Diamankan dalam sebuah rumahan silinder yang terbuat dari stainless stell.
KENAPA MENGGUNAKAN LVDT ?
Friction free operation
Infinite Resolution
Tidak terdapat kontak fisik antara core yang bergerak dengan struktur coil berarti LVDT merupakan peralatan yang tanpa gesek
Sifat tanpa gesekkan dan digabungkan dengan prinsip induksi menghasilkan karaktersitik resolusi yang tak terbatas (infinite resolution). Hal ini dapat merespon pergerakkan yang sangat cepat dari inti
Unlimited Mechanical Life
Tidak adanya gesekkan antara LVDT dan core menyebabkan LVDT dapat digunakan untuk jangka waktu yang sangat lama (infinite mechanical life).
KENAPA MENGUNAKAN LVDT
Single axis sensitivity
Separabel Coil ang core
LVDT sensitif terhadap pergerakan core yang bersifat aksial) tetapi tidak sensitif dengan pergerakkan core yang radial.
Coil dan core terpisah maka interaksi yang ada hanya secara magnetik sehingga dalam perancangan coil dan core dapat dipisah dengan memasukan tabung non-magnetik tanpa menggangu pergerakkan inti.
Environmentally Robust
Material dan teknik konstruksi yang dilakukan sewaktu perancangan LVDT menghasilkan sensor yang tahan dan kuat mengatasi berbagai jenis kondisi lingkungannya
KENAPA MENGGUNAKAN LVDT
Null Point Repeatibility Posisi nul pada LVDT merupakan titik yang stabil dan dapat berulang meskipun digunakan pada range temperatur yang besar.
Fast Dynamic Response Tidak adanya friksi yang terjadi selama operasinya menyebabkan LVDT mampu memberikan respon yang cepat terhadap perubahan posisi core
Absolut Output Jika terjadi kehilangan daya maka posisi data yang diberikan oleh LVDT tidak akan hilang. Ketika sistem pengukuran di restar maka nilai keluaran LVDT akan tetap sama seperti sebelum terjadi kerusakkan (kegagalan sistem)
Prinsip Transduser LVDT
Eksitasi primer : Lilitan primer diberi daya oleh arus AC dengan amplitudo dan frekuensi yang sesuai. Tegangan akan diinduksikan ke kedua lilitan sekunder
Lilitan-lilitan ini dihubungkan secara seri berlawanan sehingga kedua tegangannya pun akan berlawanan polaritas
Tegangaan keluaran trasduser adalah beda antara kedua tegangan diatas, yang mana akan nol jika core c ore berada di posisi null.
Ketika core digerakkan dari pusat, maka tegangan induksi dalam coil yang dituju akan meningkat seiring dengan peningkatan gerak core, sedangkan tegangan induksi pada coil yang berlawanan akan menurun.
Aksi ini akan menghasilkan perbedaan tegangan keluaran yang
Prinsip Transduser
Prinsip Transduser
APLIKASI (Pengukuran Level Air)
STRAIN GAGES
Sifat umum strain Gages :
Strain gages merupakan sebuah transducer pasif
Strain gage tergolong sensor resistif
Strain gages memiliki faktor gages(G) yang menjelaskan sensitivitas gage terhadap faktor luar.
ε = regangan dalam arah lateral perbandingan perubahan resistansi ( ΔR ) terhadap resistansi semula (R ) sama dengan faktor gage (Gf ) dikali elastisitas starin gage ( ε ) :
STRAIN GAGES
Rumus dasar untuk resistansi dari sebuah kawat dengan luas permuakaan , A, dan Resitivitas , , R
L
A
Besarnya perubahan resistansi juga dipengaruhi oleh material penyusun strain gauge
Prinsip kerja Strain Gauge
Pengkondisian Sinyal
Strain gage dihubungkan ke jembatan Wheastone
Figure . Wheatstone Bridge Pada saat keadaan setimbang : V0 = 0 VR3 = VR2 R 1/R 2 = R 4/R 3
Jembatan Wheastone Metoda pengukuran menggunakan jembatan wheatstone a. Rangkaian jembatan ¼ Hanya menggunakan satu hambatan sebagai gage aktif, sementara hambatan lainnya passive.
Figure rangkaian jembatan1/4 Nilai tegangan keluaran : Vo =(V/4)(∆R 1/R 1) =(V/4)(k.ε)
Jembatan Wheastone b.
Rangkaian Jembatan ½ Menggunakan 2 hambatan sebagai gage aktif. Sehingga menghasilkan kondisi regangan yang spesifik.
Terdapat dua kondisi : 1.
Kondisi Jembatan tidak seimbang (Bridge balanced)
2.
Kondisi Jembatan seimbang( Bridge unbalanced
Jembatan Wheastone
1.
Kondisi Jembatan Seimbang (Bridge Balanced)
•
Nilai perubahan hambatan pada kedua gage sama (peningkatan nilai Rgage1& nilai Rgage2).
•
Menghasilkan kondisi regangan memanjang
Figure Rangkaian Bridge Balanced
Jembatan Wheastone 2.
Kondisi Jembatan tidak Seimbang (Bridge Unbalanced)
Nilai perubahan pada kedua gage tidak sama(peningkatan nilai Rgage1 dan Rgage2) Menghasilkan kondisi regangan membengkok
Jembatan Wheastone c.
Rangkaian Jembatan Penuh Menggunakan seluruh hambatan sebagai gage aktif Regangan yang dihasilkan adalah tipe torsion (torsion disebabkan karena nilai R1 dan R4 meningkat secara bersamaan dan R2 dan R3 menurun secara bersamaan.
(a)
(b) Figure. Rangkaian Jembatan penuh (a)
Penggunaan Strain gage pada Force transduser Sangat ideal untuk suatu regangan dengan gaya kecil Dirancang sebuah “load ring” sebagai aplikasinya
Figure sebuah load ring
Terdapat beberapa tipe : Small displacement Large displacement Piezoelectric Crystal
Transduser Piezoelektrik
Piezoelectric transducer : Transduser yang prinsip kerjanya berdasarkan adanya muatan-muatan listrik dan pengubahan bentuk bahan-bahan tertentu yang memiliki sifat-sifat piezoelektrik Transduser piezoelektrik mengopelkan tenaga listrik dengan tenaga mekanik sehingga banyak aplikasinya pada transduser elektromekanik
Piezoelektrik Sifat/kemampuan untuk membangkitkan tenaga listrik jika dikenai gaya mekanik atau membangkitkan gaya mekanik jika dikenai tegangan listrik. Sifat Piezoelektrik ini terdapat pada kristal piezoelektrik dan berkaitan dengan struktur kristal tersebut
Listrik yang terjangkit sebagai akibat adanya efek piezoelektrik disebut Piezoelectricity
Transduser Piezoelektrik
Kristal Piezoelektrik Kristal yang memperlihatkan adanya efek piezoelektrik pada dirinya. Sifat piezoelektrik terdapat pada s emua hablur ferroelektrik, beberapa hablur non ferroelektrik dan keramik Bahan yang umum digunakan adalah : kristal Kwarsa, garam Rochelle dan Titanat barium
Ferroelektrik Material dielektrik seperti Titanat barium dan Garam Rochelle yang secara listrik analog dengan material magnet Material ini selain memiliki sifat piezoelektrik juga memiliki sifat histerisisnya bila berada dalam medan listrik bolak-balik, sifatsifat ini dimanfaatkan sebagai pembangkit dan detektor getaran sonar dan ultrason
Efek Piezoelektrik
Material yang menjadi berkutub listirk apabila ia diregang secara mekanik.
Arah dan besar pengutupan tergantung kepada sifat dan besar regangan tersebut
Dalam material piezoelektrik efek kebalikkannya dapat terjadi : meregang secara mekanik apabila dikenai medan listrik
Besar efek Piezoelektrik bergantung kepada arah regangan mekanik relatif terhadap sumbu-sumbu kristal
Sumbu-sumbu kristal ada 3 yaitu Sumbu Y = sumbu Mekanik Sumbu X = sumbu Elektrik Sumbu Z = sumbu Optik
Efek Piezoelektrik
Efek maksimum diperoleh bila :
Regangan mekanik dikenakan di sepanjang sumbu Y
Tegangan elektrik dikenakan disepanjang sumbu X
Berdasarkan orientasi terhadap sumbu-sumbu kristal ada beberapa tipe irisan yaitu :
Tipe X : irisan yang permukaan datarnya tegak lurus sumbu X kristal aslinya
Tipe Y : irisan yang permukaan datarnya tegak lurus sumbu Y kristal aslinya
Tipe GT, AT, BT, CT, DT, XY : irisan yang teriris pada besar sudut tertentu
Masing-masing irisan memiliki sifat khusus tersendiri dalam hal koefisien suhu dan frekuensi penggunaannya
Gambar sumbu piezoelektrik
Persamaan Piezoelektrik
Jika dielektriknya bukan material piezoelektrik maka : Ketika suau gaya F diberikan dan menurut hukum Hook’s dalam range elastisitas E (modulus young) dihasilkan strain S sebesar : ……(1) S=sT ; { ε = σ/E } dimana : s = kelenturan = 1/E T = tekanan (stress) = F/A
Ketika beda potensial diberikan antara kedua plat maka dihasilkan medan listrik E ,sehingga : D = ε E = ε0 E + P …….(2) Dimana : D = Rapat fluks listrik ε = Tetapan dielektrik ; ε0 = 8.85 pF/m (Ruang Hampa) P = Vektor Polarisasi
Persamaan Piezoelektrik
Jika material piezoelektrik digunakan digunakan diantara dua plat maka : Hubungan kuantitas mekanik dan kuantitas elektrik ( medan, tekanan dan lain-lain dalam arah yang sama) ketika diberikan gaya F adalah : T D = dT + ε E ………(3) E T + d’E ………(4) S = s = koefisien muatan piezoelektrik Dimana :d εT = Permitivitas pada tekanan tetap sE = Kelenturan pada medan medan elektris tetap Jadi pada piezoelektrik terdapat ; strain berkaitan dengan medan listrik Muatan listrik berkaitan dengan tekanan mekanik Jika area permukaan tidak berubah dibawah tekanan yang diterapkan maka d = d’, dengan dimensi C/N
Persamaan Piezoelektrik
Jika persamaan (3) diselesaikan untuk mendapatkan E (medan listrik) maka : E = ( D / εT ) – ( Td / εT ) = ( D / εT ) – gT; g = d / εT = koefisien tegangan piezoelektrik
Jika persamaan (4) diselesaikan untuk mendapatkan T (tekanan) maka : T = ( S / sE ) – (dE / sE ) = cE S – eE e = d/ sE = koefisien tekanan piezoelektrik
Parameter lain yang digunakan untuk menggambarkan efek piezoelektrik adalah koefisien coupling elektromekanik : k = ( d2 / εT sE )1/2
Latihan : Titanate dengan d = -44 pC/N, εT = 660 ε0, e = -4.4 C/m 2 dan sE = 1/ ( 100 Gpa ), untuk kubus dengan sisi 1 cm, diberikan gaya 1000 N maka berapa medan listrik dan pertambahan panjang yang terjadi ?
Pembentukkan Piezoelektrik Medan Listrik
Medan Listrik
Compacted Monocrystal Compacted Monocrystal : : : : Compacted Monocrystal
Polarisasi
Suhu dipanaskan
didinginkan
Piezoelektrik
Piezoelektrik material
Piezoelektrik keramik menampilkan kelebihan : High thermal Physical stability Dapat di pabrikasi dalam berbagai bentuk yang berbeda Memiliki range nilai sifat-sifat/karakteristik yang lebih luas ( konstanta dielektrik, koefisien piezoelektrik, temperatur curie,dll) Kekurangan : sensitivif terhadap temperatur parameter dan rentan atas hilangannya sifat piezoelectric ketika mendekati temperatur curie Keramik yang paling umum digunakan adalah PZT (lead Zirconate titanate, Barium tianat dan lead niobate Jika tidak memungkinkan menggunakan material padat maka jenis polymer yang umum digunakan adalah Polyvinylidene Flouride (PVF2 atau PVDF). Untuk meningkatkan sifat mekanik sensor piezoelektrik maka digunakan material piezoelektrik campuran
Sifat dalam aplikasi :
kekurangan diantaranya : Koefisien piezoelektrik sensitivif terhadap temperatur diatas temperatur curie semua material akan kehilangan sifat piezoelektriknya. Temperatur ini berbeda untuk setiap material output material piezoelektrik sangat tinggi ( Impedansi kapasitansi kecil dengan resistansi bocor yang sangat besar tapi tidak pernah tak hingga) sehingga dalam pengukuran sinyal yang dihasilkan harus menggunakan penguatan.
Keuntungan piezoelektrik : Sensitivitas tinggi Biaya murah Kekakuan mekanik sangat tinggi ( sifat yang diinginkan ) karena dapat mengalami perubahan bentuk yang lebih kecil dari 1mikrometer, sehingga cocok untuk pengukuran gaya dan tekanan
Prinsip transduser gaya Getaran
piezoelektrik
q = a F ks
Muatan
Charge Amplifier
q = muatan yang dibangkitkan Tegangan a = tergantung dari karakteristik piezoelektrik F = gaya yang diberikan pada piezoelektrik ks = perubahan panjang per unit gaya yang diberikan Jika redaman pada sistem diabaikan maka sistem akan memiliki frekuensi dimana sistem tersebut bergetar secara alami. Frekuensi natural sebesar :
n
k s m
Aplikasi Keuntungan Piezoelektrik Sensors
Sensitivitasnya tinggi, biasanya pada harga rendah “Stiffness” mekaniknya tinggi.
Aplikasi sederhana untuk efek piezoelektrik Kasus a
Tidak ada gaya yang digunakan tetapi hanya tegangan V. Regangan dihasilkan. T = 0 , untuk small displacement
Kasus b
Piringan metalik di short sircuit dan gaya digunakan. Polarisasi timbul karena muatan elektrik pindah dari piringan satu ke lain, untuk gaya, getaran, tekanan
Kasus c
Perubahan nol karena gaya F digunakan hanya untuk menggantikan medan E yang mengacu pada tegangan yang digunakan. S=0
Kasus d
Open sircuit. Tidak mungkin mengirim banyak muatan dari satu piringan ke yang lain. D=0 t
t
++++++++
------------ +
+
+
V F
-
------------
F
++++++++
t
++++++++ + F
F
------------ -
-
V F
+
+ F
-
V
Transduser Temperatur Transduser Temperatur
Sensor Resistive
Thermistor
Resistive Temperature Detector
Generating sensor
Thermocouple
Pyroelektrik
Bimetal
Bimetal dibentuk dari penyatuan dua permukaan metal yang memiliki nilai koefisien ekpansi yang berbeda. Koefisien ekpansi adalah perubahan panjang per derajat perubahan temperatur. Pada semua metal nilai ini positif. Pembengkokkan ini sering digunakan untuk operasi pensaklaran (switch contacts), biasanya satu strip membawa satu kontak.
Bimetal pada Thermostat
Tipe konvensional dari bimetal dengan elemen strip ini masih ditemukan dalam aplikasi thermostat (alat pengatur panas).
Thermistor
Thermistor berasal dari “ Thermally sensitive Resistor”
Thermistor berdasarkan pada resistansi semikonduktor yang tergantung pada temperatur. Jika temperatur naik, maka untuk koefisien negatif resistansi akan turun dan untuk koefisien positif resistansi akan naik Thermistor
Negative Temperature Coeficient Thermistor
Positive Temperature Coeficient Thermistor
Sensor thermoelektric didasarkan pada 2 efek reversible yang berlawanan dengan efek Joule yang irreversible . Thomas J. Seebeck (1822) Dalam sebuah rangkaian dengan 2 logam berbeda A dan B, dimana memiliki 2 junction dengan temperatur berbeda, maka arus listrik akan dibangkitkan (konversi dari energi thermal ke energi listrik).” “
Seebeck effect
A
A T + ΔT
T
T + ΔT
T
B
Efek Seebek pada thermocouple
V
B
Jean C. A. Peltier (1834)
Efek Peltier
Pemanasan dan pendinginan sebuah junction dari 2 logam berbeda ketika arus listrik mengalirinya.
Peltier Effect: Ketika arus melalui rangkaian thermocouple, maka salah satu junction dingin dan junction yang lain hangat.
William Thomson (1847 – 1854) Efek Thomson
Penyerapan atau pelepasan panas dalam sebuah konduktor homogen dengan temperatur tidak homogen ketika arus mengalirinya.
Efek Thomson: Ketika arus mengalir sepanjang konduktor dengan temperatur yang non homogen, maka panas akan diserap atau dilepas.
TIPE-TIPE JUNCTION THERMOCOUPLE Exposed junction pengukuran statik atau dalam aliran gas nonkorosif dimana dibutuhkan waktu respon yang cepat.
Grounded junction memungkinkan mengukur temperatur statik atau temperatur dalam aliran cairan/gas korosif.Junctionnya disolder kebungkus pelindung sehingga respon thermal akan lebih cepat dari pada diisolasi.
Enclosed junction untuk lingkungan korosif (merusak) dimana dibutuhkan isolasi elektrik untuk thermocouple. Junctionnya dibungkus dan diisolasi dengan semacam konduktor yang tahan panas seperti oli, raksa, atau bubuk metalik.
Isolated thermocouple untuk ground yang rentan noise.
Law of homogeneous circuits
Law of intermediate metals
Tidaklah mungkin untuk mempertahankan sebuah arus thermoelektric dalam sebuah rangkaian yang dibangun oleh sebuah logam homogen hanya dengan memberikan panas
Jumlah secara aljabar dari semua ggl dalam rangkaian yang disusun oleh beberapa logam berbeda akan tetap 0 sepanjang seluruh rangkaian berada pada suhu yang seragam. Implikasinya adalah sebuah material dapat dimasukkan ke dalam rangkaian tanpa menambah kesalahan apapun, karena junction baru yang terbentuk juga berada pada temperatur yang sama.
Law of successive or intermediate temperature
Jika 2 logam homogen menimbulkan sebuah ggl E 1 ketika junction-nya pada suhu T 1 dan T 2, dan sebuah ggl E 2 ketika junction-nya pada suhu T 2 dan T 3, maka ggl ketika junction pada suhu T 1 dan T 3 akan menjadi E 1 + E 2 ( Figure 6.9). Ini berarti, sebagai contoh, tidak dibutuhkan temperatur acuan 0 °C. Temperatur lain pun bisa diterima.
Solution => Dengan mencelupkannya pada Es 1) yang mencair (0 oC)
Akurasi Tinggi
Perawatan teratur dan Biaya Besar
Solution => dengan meletakkannya pada Elemen Pendingin
Biaya besar untuk
( Oven Bersuhu tetap)
kabel sambungan
Solution => dengan membagi cold junction menjadi 2 buah junction dan meletakkannya pada temperatur konstan. Pada solusi ini dapat digunakan kabel biasa (tembaga)
Solution => dengan pembebasan junction acuan untuk mengalami fluktuasi temperatur lingkungan, tetapi pada waktu yang sama dilakukan pengukuran fluktuasi oleh sensor temperatur lain yang berada dekat junction acuan.
Biaya tetap besar untuk kebutuhan temperatur acuan yang tetap
SENSOR VARIASI REAKTANSI DAN ELEKTROMAGNETIK
SENSOR KAPASITIF
Kapasitor Variabel Kapasitor terdiri dari 2 bahan konduktor listrik yang terpisah oleh bahan dielektrik, berupa : padat, Cairan,Gas Hampa udara
Persamaan Matematis
C
=
Q V
Q = muatan V = beda potensial antara 2 keping konduktor C = kapasitansi
Contoh untuk 2 kapasitor: Besar kapasitansinya : d ε
ε0 εr A d
C
=
e
o
.er .
A d
= konstanta dielektrik ruang hampa = 8,85 pF/m = konstanta dielektrik relative = lebar konduktor = jarak antar konduktor
Energi pada kapasitor E : =
1
2
CV
2
Gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan 2 piringan konduktor F : F
=
1 e. A 2
2 d
V
2
Keuntungan Sensor Kapasitif :
•Sebagai sensor pemindahan mekanis yang memiliki kelasahan/error pembebanan minimum,. •Memiliki stabilitas tinggi. •Tidak terlalu berpengaruh pada perubahan suhu dibanding sensor resistif •Resolusi pengukuran tinggi. •Tidak menghasilkan medan magnet atau medan listrik yang tinggi.
4.1.2. Kapasitor Diferensial Terdiri dari dua kapasitor variabel tetapi dengan arah yang berbeda, outputnya linear dan menambah sensitivitas dibanding kapasitor tunggal. c1 =
e A d+ x
c2
=
e A d- x
v1 c1
x AC
c2
V1
=
V
C 2 C1 + C2
=
V
d+ x
2d
v2
V2
=
V
C1 C1 + C2
=
V
d- x
2d
SENSOR ELEKTROMAGNETIK Karakteristik sensor elektromagnetik terdiri dari satu atau dua variabel kapasitor atau dari satu atau dua variabel induktansi. Sensor ini menghasilkan perubahan medan magnet atau listrik tanpa mengubah induktansi atau kapasitansinya
Sensor berdasarkan Hukum Faraday e=
-
N
d f dt
e = GGL/tegangan Φ = fluks listrik
Tachometer : Prinsip kerja tachometer AC sama dengan prinsip pada generator.Tegangan yang dihasilkan, yaitu
e = N.B.A.w.sin wt
B = kerapatan fluks listrik ω = kecepatan sudut konstan
Sensor Kecepatan Linier (LVS-Linear Velocity Sensors) : digunakan untuk mengukur kecepatan linier Persamaan matematis: e
b =
v
e = tegangan pada konduktor v = kecepatan
Flowmeter Elektromagnet Merupakan cairan konduktif yang bergerak dalam medan magnet akibat 2 kumparan luar. conduit
elektroda lining
elektronagnetik flowmeter
Sensor Efek Hall Efek Hall terjadi karena perbedaan potensial listrik pada sisi konduktor atau semikonduktor dengan arus listrik ketika medan magnet tegak lurus dengan arus listrik. P er s a m a an m at em a ti s : A H
=
V H .t I .B
AH VH t I B
= = = = =
koefisien Hall tegangan Hall ketebalan bahan arus primer Kerapatan fluks listrik
Keuntungan: 1. Tidak terpengaruh terhadap kotoran debu, kelembaban atau getaran. 2. karakteristik selalu konstan.
analog dengan efek piezoelektrik Ada tiga proses yaitu penyerapan intensitas radiasi, perubahan temperatur menyebabkan perubahan polarisasi secara spontan dan menghasilkan arus listrik
Ketika perubahan temperatur seragam melalui bahan, efek ini dapat digambarkan dengan persamaan : P = polarisasi spontan ΔP = pΔT,
p = koefisien pyroelektrik
The Pyroelectric Materials Linear:
Turmalin, Litium sulfat, Cadmium dan Selenium Sulfit. polarisasi tak bisa diubah dengan membalikkan medan magnet
ferroelektrik
Sulfat, dll
: Litium Tantalat, Stronsium dan Barium Niobate Triglisin
berhubungan dengan radiasi sebuah benda hitam (benda yang menyerap energi yang mengenainya).
Energy yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam per waktu, per luas didefinisikan sebagai emisifitas ε. Emisifitas sebuah benda hitam sempurna adalah sebesar, ε=1. Energy yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam per waktu, per luas pada suatu panjang gelombang tertentu dirumuskan oleh planck dengan: Wλ =
W.cm2/μm
c1
[λ5 [exp (c2/λT) – 1] c1 = 2c2h = 3,74 x 104 W.μm4/cm2 c = hc/k = 1,44 cm.K h = 0,655 x 10-33 W.s2 , konstanta Planck
k =1,372 x 10-22 W.s/K, konstanta Boltzmann c~3 x 108 m/s, kecepatan cahaya
menemukan
Wilhelm wien
ada hubungan antara panjang gelombang dengan Intensitas radiasi sebuah benda pada suhu tertentu. Wien menemukan adanya pergeseran pada masing-masing puncak intensitas (maksimum) terhadap panjang gelombang untuk suatu suhu tertentu. Semakin tinggi suhu suatu benda, maka puncak intensitas maksimumnya semakin tinggi pula
Stefan dan Boltzman menyatakan bahwa semakin tinggi suhu suatu benda maka makin besar energi yang diradiasikannya. E = Energi yang dipancarkan pada suatu luasan E = σT4 σ = Konstata Boltzmann 5,76x10-12 ,W/cm2K4 T = Suhu Mutlak ,K
Efek ini digunakan untuk mendeteksi radiasi termal pada kamar. Contoh : pada pyrometer, Radiometer, IR Analizer
suhu
SENSOR DIGITAL analog menghasilkan Berdasarkan output digital pada fenomena osilas Penyandi Posisi ental Position Encoder lute Position Encoder
Sensor Frekuensi Variabel Quartz Digital Therm Vibrating Wire Srain Vibrating Cylinder S SAW Sensor
I ncr emental Positi on Encoder s
Penyandi ini terdiri atas sebuah mistar linier atau sebuah piringan inersia rendah yang digerakkan oleh bagian yang posisinya akan ditentukan, termasuk 2 tipe sektor yang memiliki sebuah properti untuk membedakan keduanya.
1.2.
Absolute Positi on Encoder s
Penyandi ini menggunakan sebuah glass disk yang diberi tanda dengan suatu pola track yang konsentris. Pancaran cahaya yang terpisah dikirimkan melalui setiap track ke masing-masing photo sensor yang akan menghasilkan 1 bit pada output digital.
Keuntungan dan Kerugian
In c r e m e n t a l P o s i t i o n E n c o d e r s A b s o l u t e Po s i t i o n E n c o d e rs
+ Lebih murah dibandingkan penyandi absolut. - Outputnya merupakan pulsa untuk setiap perubahan yang hanya memberikan posisi relatif.
+ Outputnya dalam bentuk digital dan selalu memberikan posisi absolut + Kebal terhadap interupsi dan interferensi elektromagnet. - Relatif lebih mahal karena membutuhkan reading head yang lebih kompleks - Reading element-nya harus ditempatkan dengan sempurna agar tidak memberikan data yang salah.
SENSOR FREKUENSI VARIABEL Sensor ini bekerja berdasarkan fenomena resonansi fisik dimana menghasilkan frekuensi output yang bergantung pada kuantitas fisik dengan memperhatikan efek dari frekuensi osilasi .
Q u a r t z D i g i t a lT h e r m o m e t er s Termometer kuarsa digital ini bekerja berdasarkan koefisien temperatur pada osilator kuarsa piezoelektrik.
Vibr ating Wi r e Str ain Gages
Frekuensi osilasi melintang terendah untuk kawat bergetar adalah : 1/ 2
1 F f 2l M
Dimana l = panjang f = gaya mekanik m = berat jenis massa longitudinal(mass/length) Pada vibrating wire gages, vibrasi melintang dibangkitkan oleh arus pulsa yang diterapkan pada kumparan, yang kemudian digunakan untuk mendeteksi frekuensi vibrasi.
Vibr ating Cyli nder Sensor Frekuensi osilasi pada vibrating cylinder sensor ini bergantung pada dimensi, material, dan massa dinding silinder.Dengan menggunakan elektromagnetik driver untuk menjaga osilasi sistem, maka memungkinkan untuk mengukur perbedaan tegangan diantara kedua sisi silinder yang disebabkan oleh tekanan mekanis. Aplikasi yang biasa digunakan untuk prinsip pengukuran pada alat ini adalah pengukuran berat jenis cairan yang mengalir.
Pengkondisian Sinyal untuk sensor resistif Pengukuran Resistansi
Persamaan umum sensor berdasarkan variasi dari harga resistansi dari variabel yang diukur (x), dimana R = Ro f(x), diasumsikan f(0) = 1.
Untuk kasus hubungan linear, didapatkan persamaan: R = Ro (1+x)
Disebut linear, karena persamaan tersebut berorde 1, dimana R sebanding ( jika R naik, maka Ro juga naik ).
Range harga dari x sangat tergantung pada tipe sensor dan range harga untuk banyaknya yang diukur.
Pengukuran Resistansi
Ada dua batasan yang harus dipenuhi oleh sensor resistif : Tiap sensor membutuhkan supply listrik untuk menghasilkan. sinyal keluaran, Supply ini memiliki magnitude yang berpengaruh terhadap sinyal output Metoda pengukuran resistansi dapat dibedakan menjadi dua yaitu: Metoda defleksi Pada metoda ini yang diukur :
tegangan jatuh pada resistansi atau arus pada resistansi atau kedua-duanya yang diukur.
Metoda Null Berdasarkan pengukuran jembatan
Pengukuran Resistansi
Metoda Two-reading. Dengan menempatkan resistor stabil (diketahui nilainya) seri dengan resistor yang tidak diketahui. Pertama mengukur tegangan pada resistor yang diketahui, kedua mengukur tegangan pada resistor yang tidak diketahui selanjutnya dibandingkan sehingga didapatkan nilai resistor yang tidak diketahui :
Pembacaan 1: Vs
V
Rs Rx
Rs
Pembacaan 2 :
Vx
VRx Rs Rx
Rs = Resistorstabil Rx = Resistor yang tidak diketahui V = Tegangan sumber
Didapatkan
Vx Rx Rs Vs
PEMBAGI TEGANGAN : Potensiometer
ekivalen dengan :
Pada rangkaian dibawah ini terdapat persamaan sebagai berikut : Vo = V(1-x) = V – Vx = Vtotal – Vvariabel x Ro = Rnx (1-x) = Rnx – Rnx2 V (1 x ) Vo Vm Rm Rm Rnx(1 x ) Rm Ro Rm yang merupakan rumus pembagi tegangan Error absolut e : 2
PEMBAGI TEGANGAN : Aplikasi Thermistor
Persamaan umum dari thermistor: RT = Ro exp [ B (1/T –1/To) ] = Ro f(T) Dimana temperatur dalam Kelvin.
Persaman ini menunjukkan keadaan yang tidak linear dan bisa dijadikan linear dengan menggunakan pembagian tegangan. Vo
R
V R
Dimana :
RT
RT = Resistansi Thermistor R = Resistansi (yang diketahui nilainya) seri dengan resistansi Thermistor V = Tegangan Sumber Vo = Tegangan yang terbaca pada resistansi R
JEMBATAN WHEATSONE : METODE SEIMBANG i
a R1
E
I 1 R1
R2
d
G
c
R4
R3
I 1
I 2 R2
I 2
I 1 I 2
b
E R1
R1 R1 R3
R2 R2 R4
R3 E
R1 R4
R2 R3
R1 R3
Jika R4 tidak diketahui, tahanannya Rx dapat dinyatakan oleh tahanan-tahanan R yang lain, yaitu: R R 2
x
3
R1
Pemecahan persoalan rangkaian jembatan pada ketidaksetimbangan didekati dengan mengubah jembatan Wheatstone Gambar 1 ke penggantinya Thevenin. R R a 2
1
C
Rb R3
b
R4
d
JEMBATAN WHEATSTONE : METODE DEFLEKSI
Sensitivitas dan Linieritas
Kalibrasi Jembatan Sensor
i
R1
Vo
I2
V
V 0 xR0
I1
V k
1
Vo
Perbedaan dan Rata-rata Alat Ukur Kompensasi kR0
R3
R4
S
R0 k 1k 1 x
R2
V
R3=Ro(1+x )
R4
S
R1
R2
V 0 xR0
V 0 Rc 1 R0 R0
Power Supply Dari Jembatan Wheatstone kR0
kR0
Vo
kR0
Vo
V
V
R0(1+X2)
V 0 V
k
k 1
2
x1 x2
R0(1+X1)
R0
V 0 V
kx
k 1k 1 x
ACQUISITION DATA .
10.2 STRUKTUR SISTEM TELEMETRI
TELEMETRI AMPLITUDE
Telemetri Tegangan Metode yang paling sederhana untuk mentransmisikan informasi yang berhubungan dengan banyaknya variabel yang akan diukur adalah dengan mengkonversi sinyal keluaran sensor kedalam suatu tegangan yang nilainya sebanding, kemudian menghubungkan tegangan ini ke suatu saluran dua kawat dan mengukur tegangan pada penerima, seperti pada gambar
Telemetri Arus
Sebagian dari keterbatasan telemetri tegangan bisa diatasi dengan mengkonversi kuantitas yang diukur menjadi arus yang nilainya sebanding , yang dikirim ke line penghubung. Pada receiver, arus ini akan dideteksi dengan mengukur tegangan jatuh yang melewati resistor. Gambar berikut ini menunjukkan sistem telemetri arus yang berdasarkan kepada current to voltage converter pada ujung receiver.
