huflepuff.multiply.com
BAB II DASAR TEORI 2.1 Sensor D Sharon, dkk (1982), mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya.. Contoh; Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, LDR ( light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, dan lainnya. Menurut William D.C, (1993), mengatakan transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas). Contoh; generator adalah transduser yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya. Sedangkan pengertian sensor secara umum. Sensor adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu besaran fisis menjadi sinyal besaran fisis yang lain yang dapat diukur. Sensor juga bisa digunakan sebagai indera suatu alat (instrument). Sensor merupakan elemen pertama yang bersentuhan langsung dengan obyek yang diukur. Sinyal dari sensor akan diteruskan ke unit proses selanjutnya untuk diolah sehingga menghasilkan output sesuai keinginan. Contoh Besaran yang paling banyak diukur : posisi, force, kecepatan, percepatan, tekanan, level, flow, dan temperature. Dalam dunia industry sensor digunakan sebagai monitoring, controlling dan proteksi. Tranduser merupakan gabungan dari sensor dan signal conditioning. Di dalam tranduserlah sistem, proses atau variabl mlwati komponen – komponen didalamnya misalnya sensor,
5 5
huflepuff.multiply.com
transmitter dan amplifier. Keluaran atau outputnya siap untuk masuk bagian ketiga dari sistem pengukuran yaitu prossesing data element. Transmitter adalah bagian dalam sinyal conditioning di sistem penukuran. Transmitter mempunyai fungsi sebagai pembangkit sinyal tanpa harus merubah sistem, proses atau variabl yang akan diukur ke dalam bentuk eneri yang lain. Adapun sensor dapat dibagi menjadi 3 macam yaitu sensor optik, sensor mekanik, dan sensor thermal. Suatu sensor yang baik mempunyai kriteria sebagai berikut: 1. Sensitif terhadap besaran yang diukur. 2. Tidak sensitive terhadap besaran lain yang berada disekitarnya. 3. Tidak mempengaruhi sifat obyek yang diukur. 2.1.1 Tipe sensor : 1. Mekanik. Contoh: panjang, luas, mass low, gaya, Torque, tekanan, kecepatan, percepatan, panjang gelombang akustik. 2. Suhu. Contoh : temperature, panas, entropy, heat flow. 3. Elektrik. Contoh : tegangan, arus, muatan, resistance, frekuensi. 4. Magnetik. Contoh : intensitas i ntensitas medan,fluk medan,fluk density 5. Radian. Contoh : intensitas, panjang gelombang, polarisasi. 6. Kimia. Contoh : komposisi, konsentrasi, PH, kecepatan reaksi.
7. Isyarat input
Gambar 2.1 Diagram Blok Sensor 2.1.2
Karakteristik statis sensor
6
huflepuff.multiply.com
transmitter dan amplifier. Keluaran atau outputnya siap untuk masuk bagian ketiga dari sistem pengukuran yaitu prossesing data element. Transmitter adalah bagian dalam sinyal conditioning di sistem penukuran. Transmitter mempunyai fungsi sebagai pembangkit sinyal tanpa harus merubah sistem, proses atau variabl yang akan diukur ke dalam bentuk eneri yang lain. Adapun sensor dapat dibagi menjadi 3 macam yaitu sensor optik, sensor mekanik, dan sensor thermal. Suatu sensor yang baik mempunyai kriteria sebagai berikut: 1. Sensitif terhadap besaran yang diukur. 2. Tidak sensitive terhadap besaran lain yang berada disekitarnya. 3. Tidak mempengaruhi sifat obyek yang diukur. 2.1.1 Tipe sensor : 1. Mekanik. Contoh: panjang, luas, mass low, gaya, Torque, tekanan, kecepatan, percepatan, panjang gelombang akustik. 2. Suhu. Contoh : temperature, panas, entropy, heat flow. 3. Elektrik. Contoh : tegangan, arus, muatan, resistance, frekuensi. 4. Magnetik. Contoh : intensitas i ntensitas medan,fluk medan,fluk density 5. Radian. Contoh : intensitas, panjang gelombang, polarisasi. 6. Kimia. Contoh : komposisi, konsentrasi, PH, kecepatan reaksi.
7. Isyarat input
Gambar 2.1 Diagram Blok Sensor 2.1.2
Karakteristik statis sensor
6
Sensor memiliki karakteristik statik yang terbagi dalam penjelasan sebagai berikut: 2.1.2.1 Accuracy Accuracy akan menunjukkan range/bound kemungkinan dari nilai sebenarnya. Istilah ini digunakan untuk menentukan error keseluruhan maksimum yang diharapkan dari suatu alat dalam pengukuran. Accuracy biasanya diekspresikan dalam inaccuracy. Beberapa jenis accuracy terhadap : 1. Variabel yang diukur. o Misal : akurasi dalam pengukuran suhu ialah 2 C, berarti ada o ketidak akuratan (uncertainty) sebesar 2 C pada setiap nilai suhu yang dikur. 2. Prosentase dari pembacaan Full Scale instrumen. Misal : akurasi sebesar 0.5% FS pada meter dengan 5 V Full Scale, berarti ketidakakuratan pada sebesar 0.025 volt. 3. Prosentase span (range kemampuan pengukuran instrumen). Misal : jika sebuah alat mengukur 3% dari span untuk pengukuran tekanan dengan range 20-50 psi, maka akurasinya menjadi sebesar ( 0.03) (50 – (50 – 20) 20) = 0.9 psi. 2.1.2.2 Sensitivity Sensitivity merupakan perubahan pada output insrtumen untuk setiap perubahan input terkecil. Sensitivitas yang tinggi sangat diinginkan karena jika perubahan output yang besar terjadi saat dikenai input yang kecil, maka pengukuran akan semakin mudah dilakukan. Misalnya, jika sensitivitas sensor temperatur o o sebesar 5mV/ C berarti setiap perubahan input 1 C akan muncul output sebesar 5 mV. 2.1.2.3 Repeatibility
7
Repeatibility adalah pengukuran terhadap seberapa baik output yang dihasilkan ketika diberikan input yang sama beberapa kali. Repeatibility dapat dicari dengan menggunakan persamaan max min x 10 pers 1 repeatibility =
fullscal
2.1.2.4 Hysteresis Hysteresis adalah perbedaan output yang terjadi antara pemberian input menaik dan pemberian input menurun dengan besar nilai input sama. 2.1.2.5 Linearity Linearity adalah hubungan antara output dan input dapat diwujudkan dalam persamaan garis lurus. Linearitas sangat diinginkan karena segala perhitungan dapat dilakukan dengan mudah jika sensor dapat diwujudkan dalam persamaan garis lurus. 2.1.2.6 Tanggapan Waktu Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan frekuensi yang jelek adalah sebuah termometer merkuri. Masukannya adalah temperatur dan keluarannya adalah posisi merkuri. Misalkan perubahan temperatur terjadi sedikit demi sedikit dan kontinyu terhadap waktu, 2.1.3 Karakteristik Dinamis Menunjukkan seberapa baik respon sensor terhadap perubahan pada inputnya secara kontinyu dan teratur. Dilakukan dengan memberikan input step dan sinusoidal. Jika sensor berorde satu, parameter yang diamati : rise time, time constant , dan dead time. Rise Time : waktu yang diperlukan agar output o
8
mencapai 10 – 90% dari respon penuh saat diberikan input step. Time Constant : waktu yang diperlukan output o untuk mencapai 63.2% dari nilai maksimal yang mungkin. Dead time : waktu yang diperlukan output untuk o mulai berubah. Jika sensor berorde dua, parameter yang diamati : damping coefficient , resonant frequency, settling time, dan percent overshoot . Damping coeffecient dan resonant frequency o menentukan bentuk dan waktu respon sensor. Settling time adalah waktu yang diperlukan o sampai terbentuk output yang diinginkan. Percent Overshoot adalah besarnya lonjakan o respons output dibanding kondisi stabil. 2.1.4 Beberapa jenis sensor berdasarkan besaran yang diukur 1. Sensor optik atau cahaya Sensor optik atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. Prinsip kerja dari sensor ini adalah mengubah energy dari foton menjadi electron. Contoh : LDR ( Light Dependent Resistor )
Gambar 2.2 LDR LDR adalah salah satu sensor cahaya yang terbuat dari
9
semikonduktor dengan resistansi tinggi. LDR memiliki karakteristik nilai tahanan bergantung dengan jumlah cahaya yang diterima. Semakin besar intensitas cahaya yang diterima maka resistansinya akan berkurang. Sebaliknya jika LDR menerima intensitas cahaya yang sedikit maka resistansinya akan bertambah. Pada saat gelap atau cahaya redup, bahan dari cakram tersebut menghasilkan elektron bebas dengan jumlah yang relatif kecil. Sehingga hanya ada sedikit elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya redup LDR menjadi konduktor yang buruk, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang besar pada saat gelap atau cahaya redup. Pada saat cahaya terang, ada lebih banyak elektron yang lepas dari atom bahan semikonduktor tersebut. Sehingga akan ada lebih banyak elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya terang LDR menjadi konduktor yang baik, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang kecil pada saat cahaya terang. Jadi LDR memiliki karakteristik nilai tahanan bergantung dengan intensitas cahaya yang di terimanya. LED Dioda cahaya atau lebih dikenal dengan sebutan LED (lightemitting diode) adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Ada beberapa karakteristik LED yang perlu diketahui antara lain: – Merubah arus menjadi cahaya – Prinsip kerja kebalikan dari photodiode – Warna (panjang gelombang) ditentukan oleh band-gap – Intensitas cahaya hasil berbanding lurus dengan arus – Non linieritas tampak pada arus rendah dan tinggi
10
– Pemanasan sendiri (self heating) menurunkan efisiensi pada arus tinggi
Gambar 2.3 Polaritas dan simbol LED Photodioda
Gambar 2.4 Photodioda
Seperti halnya LDR, photodioda juga bereaksi jika diberi intensitas cahaya. Hanya saja output yang dihasilkan oleh photodiode berupa arus. Berbeda dengan LDR yang menghasilkan outputan berupa hambatan ( resistan ). Besarnya arus yang dihasilkan bisa berbanding lurus atau berbanding terbalik terhadap intensitas cahaya yang diterima. Ada beberapa karakteristik photodioda yang perlu diketahui antara lain: Arus bergantung linier pada intensitas cahaya
11
Respons frekuensi bergantung pada bahan (Si 900nm, GaAs 1500nm, Ge 2000nm) Digunakan sebagai sumber arus junction capacitance turun menurut tegangan bias mundurnya Junction capacitance menentukan respons frekuensi arus yang diperoleh ─
Fotosemikonduktor
Device ini memanfaatkan efek kuantum pada junction, energi yang diterima oleh elektron memungkinkannya untuk terpindah. Bila semikonduktor jenis N disinari cahaya maka elektron yang tidak terikat pada struktur kristal akan mudah lepas. Jika dihubungkan dengan jenis P akan terjadi beda potensial. Beda potensial pada bahan silikon umumnya sekitar 0,6-0,8 V.
Fotovoltaic atau sel solar Sel solar adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik. Sel solar silikon yang modern pada dasarnya adalah sambungan PN dengan lapisan P yang transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P akan menyebabkan gerakan elektron antara bagian P dan N, jadi menghasilkan tegangan DC yang kecil sekitar 0,5 volt per sel pada sinar matahari penuh. Sel fotovoltaic adalah jenis tranduser sinar/cahaya seperti pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Cahaya pada sel fotovoltaik menghasilkan tegangan
12
Fotokonduktif Energi yang jatuh pada sel fotokonduktif akan menyebabkan perubahan tahanan sel. Apabila permukaan alat ini gelap maka tahanan alat menjadi tinggi. Ketika menyala dengan terang tahanan turun pada tingkat harga yang rendah. Seperti terlihat pada gambar 2.3.
─
(a)
(b)
Gambar 2.6 (a) Sel Fotokonduktif ; (b) Cahaya pada sel fotokonduktif mengubah harga resistansi 2.
Sensor Suhu Sensor suhu adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas/ temperatur/ suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. Contoh : Bimetal Bimetal adalah sensor suhu yang sangat sederhana, terbuat dari 2 logam yang berbeda koefisien muainya dan direkatkan menjadi satu. Oleh karena perbedaan reaksi muai, bimetal akan melengkung kearah logam yang koefisien muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya bimetal dapat dibentuk menjadi saklar normally closed (NC) atau normally open (NO).
Termokopel Termokopel merupakan sensor suhu yang bekerja berdasarkan efek seeback . Efek seeback yaitu jika dua kabel yang
13
terbuat dari logam berbeda disambungkan pada kedua ujungnya dan salah satu ujung itu dipanaskan, maka akan mengalir arus listrik.” Prinsip kerja dari Thermocouple adalah Jika dua buah kabel yang terbuat dari logam yang berbeda disambungkan pada kedua ujungnya dan logam yang berbeda disambungkan pada kedua ujungnya dan salah satu ujung sambungan itu dipanaskan, akan mengalir arus. Termokopel pada pokoknya terdiri dari sepasang penghantar yang berbeda disambung las dilebur bersama satu sisi membentuk “hot” atau sambungan pengukuran yang ada ujung-ujung bebasnya untuk hubungan dengan sambungan referensi. Perbedaan suhu antara sambungan pengukuran dengan sambungan referensi harus muncul untuk alat ini sehingga berfungsi sebagai thermocouple.
(a)
(b) Gambar 2.7 (a) Termokopel ; (b) Simbol termokopel
IC LM35 Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor Suhu LM35 berupa sebuah komponen dari berbagai rangkaian elektronika untuk pengukuran.
14
komponen ini juga merupakan komponen elektronika yang diproduksi oleh National Semiconductor . LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus ser ta tidak memerlukan penyetelan lanjutan. Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan kesensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 µA hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas ( selfheating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC
Gambar 2.8 IC LM35 Gambar diatas menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan tampak bawah. 3 pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin diantaranya, pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan antar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensor ini akan naik sebesar 10 mV setiap derajad celcius sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut : *
VLM35 = Suhu 10 mV
15
Secara prinsip sensor akan melakukan penginderaan pada saat perubahan suhu setiap suhu 1 ºC akan menunjukan tegangan sebesar 10 mV. Pada penempatannya LM35 dapat ditempelkan dengan perekat atau dapat pula disemen pada permukaan akan tetapi suhunya akan sedikit berkurang sekitar 0,01 ºC karena terserap pada suhu permukaan tersebut. Dengan cara seperti ini diharapkan selisih antara suhu udara dan suhu permukaan dapat dideteksi oleh sensor LM35 sama dengan suhu disekitarnya, jika suhu udara disekitarnya jauh lebih tinggi atau jauh lebih rendah dari suhu permukaan, maka LM35 berada pada suhu permukaan dan suhu udara disekitarnya . Jarak yang jauh diperlukan penghubung yang tidak terpengaruh oleh interferensi dari luar, dengan demikian digunakan kabel selubung yang ditanahkan sehingga dapat bertindak sebagai suatu antenna penerima dan simpangan didalamnya, juga dapat bertindak sebagai perata arus yang mengkoreksi pada kasus yang sedemikian, dengan mengunakan metode bypass kapasitor dari Vin untuk ditanahkan. Berikut ini adalah karakteristik dari sensor LM35: Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius. Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 ºC seperti terlihat pada gambar 2.2. Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC. Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt. Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µ A. Memiliki pemanasan sendiri yang rendah ( low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam. Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA. Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.
16
Gambar 2.9 LM35 terhadap suhu 3.
Sensor mekanik Sensor mekanik adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dan sebagainya. Contoh : Potensiometer Potensiometer merupakan sensor yang memiliki tiga kaki dengan tuas yang bisa digeser. Bila semua kaki pada potensiometer digunakan, maka potensiometer tersebut berfungsi seperti pembagi tegangan. Sedangkan jika hanya dua kaki yang digunakan, maka potensiometer tersebut berfungsi seperti hambatan geser. Macam-macamnya : Trimpot (Trimpel Potensiometer), pengaturannya dengan cara diputar dengan menggunakan obeng. Pengaturannya sendiri dengan cara memutar secara langsung pada porosnya.
17
Gambar2.10 Potensiometer
Strain gauge
Gambar 2.11 Strain Gauge Strain gauge adalah komponen elektronika yang dipakai untuk mengukur tekanan (deformasi atau strain) pada alat ini. Alat ini ditemukan pertama kali oleh Edward E. Simmons pada tahun 1938, dalam bentuk foil logam yang bersifat insulatif (isolasi) yang menempel pada benda yang akan diukur tekanannya. Jika tekanan pada benda berubah, maka foilnya akan ter deformasi, dan tahanan listrik alat ini akan berubah. Perubahan tahanan listrik ini akan dimasukkan ke dalam rangkaian Jembatan Wheatstone. Output dari sensor ini adalah berupa perubahan resistansi yang kemudian dikondisikan dengan menggunakan wheatstone brige. Sensor inni digunakan dengan cara ditempelkan pada permukaan logam yang akan diukur regangannya.
18
Besarnya tekanan akan dinyatakan dalam bentuk faktor gauge, GF yang didefinisikan sebagai R
GF
RG
di mana RG adalah tahanan sebelum ada deformasi, ΔR adalah perubahan tahanan listrik yang terjadi, dan ε adalah tekanannya .
Piezoelektrik
Gambar 2.12 Piezoelektrik Piezoelektrik adalah suatu kemampuan yang dimiliki sebagian kristal maupun bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat menghasilkan suatu arus listrik jika mendapatkan perlakuan tekanan. 4. Sensor Aliran Fluida ( Flow Sensor ) Pengukuran aliran mulai dikenal sejak tahun 1732 ketika Henry Pitot mengatur jumlah fluida yang mengalir. Dalam pengukuran fluida perlu ditentukan besaran dan vektor kecepatan aliran pada suatu titik dalam fluida dan bagaimana fluida tersebut berubah dari titik ke titik. Pengukuran atau penyensoran aliran fluida dapat digolongkan sebagai berikut:
1. Pengukuran kuantitas
19
Pengukuran ini memberikan petunjuk yang sebanding dengan kuantitas total yang telah mengalir dalam waktu tertentu. Fluida mengalir melewati elemen primer secara berturutan dalam kuantitas yang kurang lebih terisolasi dengan secara bergantian mengisi dan mengosongkan bejana pengukur yang diketahui kapasitasnya. Pengukuran kuantitas diklasifikasikan menurut : a.
Pengukur gravimetri atau pengukuran berat
b. Pengukur volumetri untuk cairan c.
Pengukur volumetri untuk gas
2. Pengukuran laju aliran Laju aliran Q merupakan fungsi luas pipa A dan kecepatan V dari cairan yang mengalir lewat pipa, yakni: Q = A.V
tetapi dalam praktek, kecepatan tidak merata, lebih besar di pusat. Jadi kecepatan terukur rata-rata dari cairan atau gas dapat berbeda dari kecepatan rata-rata sebenarnya. Gejala ini dapat dikoreksi sebagai berikut: Q = K.A.V di mana K adalah konstanta untuk pipa tertentu dan menggambarkan hubungan antara kecepatan rata-rata sebenarnya dan kecepatan terukur. Nilai konstantaini bisa didapatkan melalui eksperimen. Pengukuran laju aliran digunakan untuk mengukur kecepatan cairan atau gas yang mengalir melalui pipa. Pengukuran ini dikelompokkan lagi menurut jemis bahan yang diukur, cairan atau gas, dan menurut sifat-sifat elemen primer sebagai berikut: a. Pengukuran laju aliran untuk cairan: 1) jenis baling-baling defleksi 2) jenis baling-baling rotasi 3) jenis baling-baling heliks
20
4) jenis turbin 5) pengukur kombinasi 6) pengukur aliran magnetis 7) pengukur aliran ultrasonic 8) pengukur aliran kisaran ( vorteks) 9) pengukur pusaran ( swirl) b. Pengukuran laju aliran gas 1) jenis baling-baling defleksi 2) jenis baling-baling rotasi 3) jenis termal 3. Pengukuran metoda diferensial tekanan Jenis pengukur aliran yang paling luas digunakan adalah pengukuran tekanan diferensial. Pada prinsipnya beda luas penampang melintang dari aliran dikurangi dengan yang mengakibatkan naiknya kecepatan, sehingga menaikan pula energi gerakan atau energi kinetis. Karena energi tidak bisa diciptakan atau dihilangkan ( Hukum perpindahan energi ), maka kenaikan energi kinetis ini diperoleh dari energi tekanan yang berubah.. Lebih jelasnya, apabila fluida bergerak melewati penghantar (pipa) yang seragam dengan kecepatan rendah, maka gerakan partikel masing-masing umumnya sejajar disepanjang garis dinding pipa. Kalau laju aliran meningkat, titik puncak dicapai apabila gerakan partikel menjadi lebih acak dan kompleks. Kecepatan kira-kira di mana perubahan ini terjadi dinamakan kecepatan kritis dan aliran pada tingkat kelajuan yang lebih tinggi dinamakan turbulen dan pada tingkat kelajuan lebih rendah dinamakan laminer. Kecepatan kritis dinamakan juga angka Reynold, R D
D V
Pers 2
dituliskan tanpa dimensi:
21
di mana : D = dimensi penampang arus fluida, biasanya diameter ρ = kerapatan fluida V = kecepatan fluida μ = kecepatan absolut fluida Batas kecepatan kritis untuk pipa biasanya berada diantara 2000 dan 2300.Pengukuran aliran metoda ini dapat dilakukan dengan banyak cara misalnya: menggunakan pipa venturi, pipa pitot, orifice plat (lubang sempit), turbine flow meter , rotameter, cara termal, menggunakan bahan radio aktif, elektromagnetik, ultar sonic dan flowmeter gyro. Cara lain dapat dikembangkan sendiri sesuai dengan kebutuhan proses. Yang dibahas dalam buku ini adalah sensor laju aliran berdasarkan perbedaan tekanan. 2.2 Signal Conditioning Signal Conditioning merupakan proses untuk memanipulasi suatu sinyal (pengkondisi), bisa dimanipulasi menjadi lebih besar, menjadi bentuk sinyal yang lain (sinyal segitiga menjadi kotak), dsb. Biasanya proses pengkondisian/ manipulasi sinyal ini dilakukan untuk mempersiapkan sinyal agar dapat diproses di tahap processing. Sebagai contoh LM35 adalah sensor suhu dengan output analog. Output yang dihasilkan sangat kecil, skitar 10mV/derajat celcius, yang dimana berarti tiap kenaikan 1 derajat celcius, tegangan output LM35 naik 10mV. Bisa dibayangkan bila tegangan sekecil itu langsung dimasukkin ke ADC yang dinamakan tahap processing. Selain sulit untuk memproses datanya karena terlalu sensitif, mungkin pula terlalu kecil buat diproses di ADC, yang tergantung ADC yang dipakai. Untuk itu diperlukan proses pengkondisian sinyal/ signal conditioning. Sinyal dapat dimanipulasi dengan cara dikuatkan sebanyak 10 kali. Maka dikuatkan (amplify) tegangan output LM35 dengan memakai OP-AMP dengan perhitungan penguatan 10x, lalu
22
kemudian hasil manipulasi (output dari OP-AMP) dimasukkan ke ADC. Proses manipulasi inilah yang dinamakan signal conditioning.
Process Cmax
ymax Sensor
Cmin
ymin
Signal Conditio
Gambar 2.13 Signal Conditioning 2.2.1 Bentuk – bentuk Analog Signal Conditioning : Perubahan Level Sinyal. Misalnya dengan menguatkan atau melemahkan level tegangan. Faktor yang penting dalam pemilihan amplifeier adalah impedansi input. Linearisasi. Ada rangkaian analog yang berfungsi untuk melinearkan sinyal. Konversi. ASC berfungsi untuk mengubah bentuk perubahan elektris tertentu ke bentuk lain. Misalnya banyak sensor yang menghasilkan perubahan resistansi akan diubah ke bentuk sinyal arus atau tegangan melalui rangkaian jembatan. Filtering dan Impedance Matching. ASC berguna untuk menghilangkan sinyal-sinyal yang tidak diinginkan pada frekuensi tertentu. ASC juga berguna untuk menghilangkan error akibat impedansi internal transducer atau impedansi line (kabel). Beberapa contoh pengkondisian sinyal yang dapat dibuat menggunakan rangkaian pasif sederhana antara lain : a. Pembagi tegangan ( Voltage Divider ) Power divider/combiner merupakan komponen pasif mikrowave yang digunakan untuk membagi atau menggabung
23
daya, karena baik port input maupun port outputnya match, seperti yang ditunjukkan pada Gambar Dengan kata lain, power divider berfungsi sebagai reciprocal passive device, yang dapat digunakan sebagai power combiner . Dalam membagi daya, sebuah input sinyal dibagi oleh power divider/combiner menjadi dua atau lebih sinyal dengan daya yang lebih kecil. Struktur Divider/Combiner Jumlah perangkat yang digabung untuk tipe struktur combiner/divider ini adalah biner . Ini berarti bahwa perangkat yang dipakai harus sama dengan 2N. Tipe ini disebut juga tree/corporate structure.
Gambar2.14 Struktur Divider
Wilkinson Power Combiner / divider Wilkinson power divider berfungsi membagi sinyal masukan menjadi beberapa sinyal keluaran dengan fasa yang sama. Prinsip utamanya adalah menyediakan isolasi tinggi antar output, dengan membatasi efek dari refleksi sinyal, karena lossless reciprocal, three-port network tidak mempunyai port-port yang secara simultan match. Wilkinson menambahkan sebuah resistor untuk mengupayakan port output match dan secara penuh mengisolasi port 2 dari port 3 pada frekuensi tengah (fc). Keuntungannya adalah resistor tidak menimbulkan resistive loss pada power divider/combiner, sehingga idealnya Wilkinson divider memiliki efisiensi 100%. Jenis power divider ini memiliki empat bagian yang berbeda yaitu sebagai berikut:
24
1. Input port 2. Quarter-wave transformers 3. Isolation resistors 4. Output ports Adapun daya yang dibagi sama besar, maka power divider dapat dikatakan power splitter.
Gambar 2.15 Wilkinson Power Dvider
Pada bagian ini dijelaskan bagaimana Wilkinson power divider bekerja sebagai pembagi daya. Ketika sebuah sinyal input masuk port 1, dibagi kedalam sinyal keluaran yang memiliki amplitudo dan fasa sama pada port 2 dan 3. Karena tiap ujung ada resistor isolasi antara port 2 dan 3, sehingga tidak ada arus yang mengalir sepanjangnya. Terminasi pada dua port keluaran paralel terhadap input, sehingga harus ditransformasikan menjadi 2Z0 pada masing-masing port input untuk dikombinasikan ke Z0. Transformer λ /4 digunakan dalam rangkaian ini untuk memudahkan kita dalam memahami kondisi match, tanpa quarter-wave transformer , impedansi yang menggabungkan dua keluaran pada port 1 menjadi Z0/2. Impedansi karakteristik saluran quarter-wave harus sama
25
dengan sehingga masukan menjadi match ketika port 2 dan 3 diterminasi Z0. b.
Wheatstone bridge Wheatstone bridge merupakan suatu rangkaian yang ditemukan oleh Samuel Hunter Christie dan kemudian dikembangkan dan dipopulerkan oleh Sir Charles Wheatstone. Jembatan wheatstone merupakan suatu susunan rangkaian listrik, untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui harganya. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk menentukan besarnya suatu hambatan dengan menggunakan metode jembatan wheatstone dimana prinsip dari metode ini adalah berdasarkan hukum ohm dan menentukan harga tahanan sebagai fungsi dari perubahan suhu. Metode jembatan Wheatstone dapat di gunakan untuk mengukur hambatan listrik. Cara ini tidak memerlukan alat ukur voltmeter dan amperemater,cukup satu Galvanometer untuk melihat apakah ada arus listrik yang melalui suatu rangkaian. Rangkaian Jembatan Wheatstone digunakan untuk mengkonversi variasi impedansi menjadi variasi tegangan. Salah satu keuntungan dari rangkaian ini adalah, tegangan yang dihasilkan dapat bervariasi sekitar nol. Artinya, penguatan dapat digunakan untuk menaikkan level tegangan, sehingga sensitivitas terhadap variasi impedansi juga meningkat. Aplikasi lainnya adalah pada ketepatan pengukuran impedansi. Rangkaian ini juga digunakan untuk aplikasi signal conditioning, di mana sebuah sensor dapat mengubah nilai hambatan, ketika variabel proses juga berubah. Cara pengukuran hambatan listrik dengan voltmeter dan ampermeter, dapat menggunakan rangkain seperti gambar (1) dan gambar (2).
26
I
I
Gambar 2.8 Pengukuran Hambatan Cara I Pengukuran Hambatan cara pertama Bukti pengukuran gambar 1 menghasilkan harga R : R
V a c
I a c
R A
Gambar 2.9 Pengukuran hambatan cara kedua Bukti pengukuran gambar 2 menghasilkan harga R : R
V AB
I A
V AB RV
Metode jembatan Wheatstone dapat di gunakan untuk mengukur hambatan listrik. Cara ini tidak memerlukan alat ukur voltmeter dan amperemater, cukup satu Galvanometer untuk melihat apakah ada arus listrik yang melalui suatu rangkaian. Prinsip dari rangkaian jembatan
27
Prinsip dasar dari jembatan Wheatstone ini adalah Hukum Kirchoff pertama, yang dimana menyatakan pada setiap titik percabangan jumlah aljabar arus adalah nol : In = 0 (1) Disini In adalah arus yang menuju atau meninggalkan titik percabangan. Hal ini berarti jumlah arus yang masuk sama dengan jumlah arus yang keluar. Hukum Kirchoff kedua menyatakan di dalam suatu rangkaian tertutup dari suatu jaringan, jumlah potensial sama dengan nol atau dapat ditulis : vn = 0 (2) Apabila terdapat titik-titik a,b,c,d,e,……, maka V aa = Vab + Vbc + Vcd + …….+ V…a Hukum Kirchoff II ini berlaku pada jaringan penghantar linear dan pada setiap kondisi material tidak reaktif. Ekspresi lain dari hukum Kirchoff dengan memperhatikan arus dan tegangan serta konvensi tanda yang benar : (In.Rn - Vn) = 0 (3) Disini Rs adalah hambatan dari penghantar ke-n dan V n besar tegangan. Skema rangkaian wheatstone bridge dapat dilihat dibawah ini :
Gambar 2.15 Wheatstone bridge
28
Keterangan Gambar : S: Saklar penghubung G:Galvanometer E: Sumber tegangan arus Rs:Hambatan geser Ra dan Rb : Hambatan yang sudah di ketahui nilainya. Rx: Hambatan yang akan di tentukan nilainya. Prinsip kerja dari rangkaian wheatstone bridge ini diperlihatkan pada gambar 2.7 di atas : Saat saklar S di tutup,maka arus akan melewati rangkaian. Jika jarum Galvanometer menyimpang artinya ada arus yang melewatinya,yaitu antara titik C dan D ada beda potensial.Dengan mengatur besarnya Ra dan Rb juga hambatan geser Rs akan dapat di capai galvanometer G tak teraliri arus,artinya tak ada beda potensial antara titik C dan D.
Dengan demikian, berlaku persamaan : Rx =
Ra R B
RS
Untuk menyederhanakan rangkaian dan untuk menghubungkan besarnya R bergantung pada panjang penghantar, maka rangkaian jembatan Wheatstone dapat di ubah menggunakan kawat penghantar seperti gambar di bawah ini:
29
Ra
R
G
E
S
Gambar 2.16 Rangkaian Jembatan Wheatstone menggunakan kontak geser di atas kawat penghantar Pada kawat penghantar AB di berikan suatu kontak geser yang berasl dari ujung Galvanometer. Gunanya untuk mengatur agar tercapai pengukuran panjang L1dan L2 yang akan menghasilkan arus di Galvanometer sama dengan NOL. Oleh karena itu pada kawat AB perlu di lengkapi skala ukuran panjang. c.
Rangkaian Filter Rangkaian filter merupakan rangkaian penyaring jalur frekuensi tertentu dengan melakukan penguatan atau pelemahan pada frekuensi tertentu. Filter dapat dibedakan menjadi beberapa jenis tergantung pada frekuensi yang dilewatkannya, yakni low pass filter, high pass filter, band pass filter, dan band stop filter.
Low pass Filter Disebut low pass filter karena filter tersebut melewatkan frekuensi rendah dan menahan frekuensi tinggi. Rangkaian tapis low-pass merupakan salah satu aplikasi dari rangkain jenis non inverting op-amp.
30
Rumus : pers 13
Gambar 2.17 Low pass filter. Sumbu vertikal adalah rasio tegangan output terhadap tegangan input dengan tanpa memperhatikan fasenya. Jika nilai rasionya adalah satu, maka sinyal yang dilewatkan tanpa efek pembiasan. Jika nilainya sangat kecil, atau mendekati nol, maka sinyal berhasil ditahan. Sedangkan sumbu horizontal adalah rasio perbandingan antara frekuensi sinyal input terhadap frekuensi kritis. Frekuensi kritis adalah frekuensi dimana perbandingan antara tegangan output terhadap tegangan input adalah 0,707.
Gambar 2.18 Rangkaian Low pass filter
31
High pass filter Filter yang melewatkan frekuensi tinggi dan meredam frekuensi rendah. Persamaan untuk mencari nilai rasio tegangan output terhadap input sebagai frekuensi ditunjukkan sebagai berikut :
pers 14 Maka penguatan tegangan Absolut :
pers 15
Gambar 2.19 Respon High Pass Filter
32
Gambar 2.20 Rangkaian HPF
Band Pass Filter Band pass filter adalah rangkaian filter yang merupakan gabungan seri antara low pass filter dan high pass filter .Sehingga frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi yang tidak terlalu tinggi dan tidak terlalu rendah. Rangkaian filter ini melewatkan frekuensi hanya jika frekuensi inputannya berada dalam range frekuensi kerja dari filter tersebut,dengan kata lain diantara frekuensi cut off atas (foh) dengan frekuensi cutt off bawah ( fol ).
Gambar 2.21 respon band pass Filter
Gambar 2.22 rangkaian BPF
33
Pada Band Pass Filter ini ada 2 macam rangkaian yaitu BPF bidang lebar dan BPF bidang sempit. Untuk membedakan kedua rangkaian ini adalah dilihat dari nilai figure of merit (FOM) atau Faktor kualitas (Q). Bila Q < 10, maka digolongkan BPF bidang lebar. Bila Q > 10, maka digolongkan BPF bidang sempit. Perhitungan faktor kualitas (Q) adalah : pers 16
Sedangkan :
pers 17
Band Stop Filter Band stop filter adalah rangkaian filter yang merupakan gabungan pararel antara low pass filter dan high pass filter. Rangkaian filter ini melewatkan frekuensi hanya jika frekuensi inputnya berada diluar range frekuensi cut-off (foh) dengan frekuensi cutt-off bawah (fol).
Gambar 2.23 respon Band stop filte
34
Gambar 2.24 Rangkaian Band Stop Filter
35
