Sensor dan Transduser

Bab 1 Sensor dan Transduser Tujuan Pembelajaran Umum

Setelah mempelajari bab ini diharapkan mahasiswa memahami pengertian sensor dan transduser dan penggunaannya dalam sistem kendali.

Tujuan Pembelajaran Khusus

Setelah mempelajari topik per topik dalam bab ini, mahasiswa diharapkan : 

Dapat menyebutkan definisi dan perbedaan dari sensor, transduser dan alat ukur 



Mampu menyebutkan persyaratan umum dalam memilih sensor dan transduser 



Dapat menerangkan beberapa jenis sensor dan transduser yang ada di industri



Mengerti tentang klasifikasi sensor dan transduser secara umum.

Pendahuluan

Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang cepat teru teruta tama ma dibi dibida dang ng otom otomasi asi indu industr stri. i. Perk Perkem emba bang ngan an ini ini tampa tampak k jelas jelas di indu indust stri ri  pemabrikan, dimana sebelumnya banyak pekerjaan menggunakan tangan manusia, kemudi kemudian an beralih beralih menggu menggunak nakan an mesin, mesin, beriku berikutny tnyaa dengan dengan electro-mechanic  electro-mechanic  semi otomatis! dan sekarang sudah menggunakan robotic  full automatic! automatic! seperti penggunaan  Flexible Manufacturing Systems  FMS   FMS ! da d an Computerize Computerized d Integrated Integrated Manufactur Manufacturee CIM ! dan sebagainya. Mode Modell apap apapun un yang ang digu diguna naka kan n dala dalam m siste sistem m otom otomasi asi pema pemabr brika ikan n sanga sangatt tergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. "asil penelitian menunjukan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat tergantung kepada sensor  maupun transduser yang digunakan.. Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai  peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis. Ketepatan dan kesesuaian dalam memilih sebuah sensor akan sangat menentukan menentukan kinerja dari sistem pengaturan pengaturan secara otomatis.

#

$esaran masukan pada kebanyakan sistem kendali adalah bukan besaran listrik, seperti besaran fisika, kimia, kimia, mekanis mekanis dan sebagainya. sebagainya. %ntuk memakaikan memakaikan besaran listrik pada sistem pengukuran, atau sistem manipulasi atau sistem pengontrolan, maka  biasanya besaran yang bukan listrik diubah terlebih dahulu menjadi suatu sinyal listrik  melalui sebuah alat yang disebut transducer Sebelum Sebelum lebih jauh kita mempelajari sensor dan transduser transduser ada sebuah alat lagi yang selalu melengkapi dan mengiringi keberadaan sensor dan transduser dalam sebuah sistem pengukuran, atau sistem manipulasi, maupun sistem pengontrolan yaitu yang disebut alat ukur.

1.1. 1.1. Defini Definisisi-def defini inisi si

D Sharon, dkk #&'(!, mengatakan s ensor 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.. *ontoh+ *ontoh+ *amera sebagai sebagai sensor penglihatan, penglihatan, telinga sebagai sebagai sensor pendengaran, pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, D- light light dependent resistance! resistance! sebagai sensor cahaya, dan lainnya. illiam illiam D.*, #&&/!, mengatakan mengatakan transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”. Transmisi Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, m ekanik, kimia, opti !radiasi" atau thermal !panas".

*ontoh+ *ontoh+ generator adalah transduser yang merubah merubah energi energi mekanik mekanik menjadi menjadi energi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya. illiam D.*, #&&/!, mengatakan a lat ukur adalah sesuatu alat yang berfungsi memberikan batasan nilai atau harga tertentu dari gejala)gejala atau sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi. *ontoh: *ontoh: 0oltmeter, 0oltmeter, ampermeter untuk untuk sinyal sinyal listrik+ listrik+ tachometer, tachometer, speedometer speedometer untuk  kecepatan gerak mekanik, lu1)meter untuk intensitas cahaya, dan sebagainya.

(

1.#. Peryaratan Umum $ensor $ensor dan Trans Transduser duser

Dalam memilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan sistem sistem yang yang akan akan disens disensor or maka maka perlu perlu diperh diperhati atikan kan persya persyarata ratan n umum umum sensor  sensor   berikut ini : D Sharon, dkk, dkk, #&'(! a. inearitas 2da banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu kontinyu sebagai sebagai tanggapan tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinyu kontinyu.. Sebagai Sebagai contoh, contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilka menghasilkan n tegangan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya dapat dapat diketah diketahui ui secara secara tepat tepat bagaim bagaimana ana peruba perubahan han keluar keluaran an diband dibanding ingkan kan dengan dengan masuka masukanny nnyaa berupa berupa sebuah sebuah grafik grafik.. 3ambar 3ambar #.# memperl memperliha ihatka tkan n hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda. 3aris lurus pada gambar  #.#a!. #.#a!. memperl memperliha ihatka tkan n tangga tanggapan pan linier linier,, sedang sedangkan kan pada pada gambar gambar #.#b! #.#b!.. adalah tanggapan non)linier.

 b.

   !   n   a    k   u   s   a   m       r Sensiti0itas   u    t   a   r   e Sensiti0itas akan   p   m#   e    7 itas yang diukur. kuantitas kuant diukur.

yang menu menunj njuk ukan an

menunjukan

   !   n   a    k   u   s   a   m       r   u    t   a   r   e   p seberapa   m#jauh   e    7

kepekaan sensor terhadap

Sensiti0ita Sensiti0itass sering juga dinyatakan dinyatakan dengan bilangan bilangan

4peru 4peruba baha han n

kelu keluar aran an

diba diband ndin ingk gkan an

unit unit

peru peruba baha han n

masukan5. $eberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan dengan 4satu 0olt per derajat derajat5, 5, yang berart berartii  perubahan

satu derajat pada

masukan masuk6an akan menghasilkan menghasilkan #66 perubahan satu60olt pada keluarannya. #66 Sensor  7egangan keluaran!

a! 7angapan linier

7egangan keluaran!

b! 7angapan non linier  

Gambar 1.1. 1.1. eluaran dari transduser panas D Sharon dkk, #&'(!,

/

 panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan 4dua 0olt per derajat5, yang berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama. inieritas sensor juga mempengaruhi sensiti0itas dari sensor. 2pabila tanggapannya linier, maka sensiti0itasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran keseluruhan. Sensor dengan tanggapan paga gambar #.#b! akan lebih peka pada temperatur  yang tinggi dari pada temperatur yang rendah. c. 7anggapan aktu 7anggapan 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, seperti tampak pada gambar #.(a!. 8rekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diberikan dalam satuan hert9 "9!.  # hert9 berarti # siklus per detik, # kilohert9 berarti #666 siklus  per detik;. Pada frekuensi rendah, yaitu pada saat temperatur berubah secara lambat, termometer akan mengikuti perubahan tersebut dengan 4setia5. 7etapi apabila perubahan temperatur sangat cepat lihat gambar #.(b! maka tidak  diharapkan akan melihat perubahan besar pada termometer merkuri, karena ia  bersifat lamban dan hanya akan menunjukan temperatur rata)rata.

  r   u    t   a   r   e   p   m   e    7

  a    t   a   r   )   a    t   a    -<6

<6

2da bermacam cara untuk menyatakan tanggapan frekuensi sebuah sensor. =6 =6 Misalnya 4satu mili0olt pada <66 hert95. 7anggapan frekuensi dapat pula aktu /6

# siklus

a! Perubahan lambat

/6

b! Perubahan cepat

Gambar 1.! "emperatur berubah secara #ontinyu D. Sharon, dkk, #&'(!

=

dinyatakan dengan 4decibel   db!5, yaitu untuk membandingkan daya keluaran  pada frekuensi tertentu dengan daya keluaran pada frekuensi referensi.

>ayan ?.$, #&&'!, mengatakan ketentuan lain yang perlu diperhatikan dalam memilih sensor yang tepat adalah dengan mengajukan beberapa pertanyaan  berikut ini: a. 2pakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat yang diperlukan@  b. 2pakah ia cukup akurat@ c. 2pakah ia bekerja pada jangkauan yang sesuai@ d. 2pakah ia akan mempengaruhi kuantitas yang sedang diukur@. Sebagai contoh, bila sebuah sensor panas yang besar dicelupkan kedalam  jumlah air air yang kecil, malah menimbulkan efek memanaskan air tersebut,  bukan menyensornya. e. 2pakah ia tidak mudah rusak dalam pemakaiannya@. f. 2pakah ia dapat menyesuaikan diri dengan lingkungannya@ g. 2pakah biayanya terlalu mahal@ 1.%. &enis $ensor dan Transduser

Perkembangan sensor dan transduser sangat cepat sesuai kemajuan teknologi otomasi, semakin komplek suatu sistem otomasi dibangun maka semakin banyak   jenis sensor yang digunakan. -obotik adalah sebagai contoh penerapan sistem otomasi yang kompleks, disini sensor yang digunakan dapat dikatagorikan menjadi dua jenis sensor yaitu: D Sharon, dkk, #&'(! a.  Internal sensor , yaitu sensor yang dipasang di dalam bodi robot. Sensor internal diperlukan untuk mengamati posisi, kecepatan, dan akselerasi  berbagai sambungan mekanik pada robot, dan merupakan bagian dari mekanisme ser0o.  b.  $xternal sensor , yaitu sensor yang dipasang diluar bodi robot. Sensor eksternal diperlukan karena dua macam alasan yaitu: #! %ntuk keamanan dan (! %ntuk penuntun.

<

>ang dimaksud untuk keamanan5 adalah termasuk keamanan robot, yaitu  perlindungan terhadap robot dari kerusakan yang ditimbulkannya sendiri, serta keamanan untuk peralatan, komponen, dan orang)orang dilingkungan dimana robot tersebut digunakan. $erikut ini adalah dua contoh sederhana untuk  mengilustrasikan kasus diatas. *ontoh pertama: andaikan sebuah robot bergerak keposisinya yang baru dan ia menemui suatu halangan, yang dapat berupa mesin lain misalnya. 2pabila robot tidak memiliki sensor yang mampu mendeteksi halangan tersebut, baik  sebelum atau setelah terjadi kontak, maka akibatnya akan terjadi kerusakan. *ontoh kedua: sensor untuk keamanan diilustrasikan dengan problem robot dalam mengambil sebuah telur. 2pabila pada robot dipasang pencengkram mekanik  gripper !, maka sensor harus dapat mengukur seberapa besar tenaga yang tepat untuk mengambil telor tersebut. 7enaga yang terlalu besar akan menyebabkan pecahnya telur, sedangkan apabila terlalu kecil telur akan jatuh terlepas. Kini bagaimana dengan sensor untuk penuntun atau pemandu@. Katogori ini sangatlah luas, tetapi contoh berikut akan memberikan pertimbangan. *ontoh pertama: komponen yang terletak diatas ban berjalan tiba di depan robot yang diprogram untuk menyemprotnya. 2pa yang akan terjadi bila sebuah komponen hilang atau dalam posisi yang salah@. -obot tentunya harus memiliki sensor yang dapat mendeteksi ada tidaknya komponen, karena bila tidak ia akan menyemprot tempat yang kosong. Meskipun tidak terjadi kerusakan, tetapi hal ini bukanlah sesuatu yang diharapkan terjadi pada suatu  pabrik. *ontoh kedua: sensor untuk penuntun diharapkan cukup canggih dalam  pengelasan.

%ntuk

melakukan

operasi

dengan

baik,

robot

haruslah

menggerakkan tangkai las sepanjang garis las yang telah ditentukan, dan juga  bergerak dengan kecepatan yang tetap serta mempertahankan suatu jarak  tertentu dengan permukaannya. Sesuai dengan fungsi sensor sebagai pendeteksi sinyal dan meng)informasikan sinyal tersebut ke sistem berikutnya, maka peranan dan fungsi sensor akan

A

dilanjutkan oleh transduser. Karena keterkaitan antara sensor dan transduser begitu erat maka pemilihan transduser yang tepat dan sesuai juga perlu diperhatikan. 1.'. Klasifikasi $ensor

Secara

umum

berdasarkan

fungsi

dan

penggunaannya

sensor

dapat

dikelompokan menjadi / bagian yaitu: a. sensor thermal panas!  b. sensor mekanis c. sensor optik cahaya! Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan  panasBtemperatureBsuhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. *ontohnya+ bimetal% termistor% termo#opel% &"'% photo transistor% photo dioda% photo multiplier% photo(oltai#% infrared pyrometer% hygrometer% dsb. Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti  perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, le0el dsb. *ontoh+

 strain gage, linear (ariable deferential transformer  )*'" !,  proximity,

 potensiometer% load cell% bourdon tube% dsb. Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. *ontoh+  photo cell% photo transistor% photo diode% photo (oltaic% photo multiplier%  pyrometer optic% dsb.

1.(. Klasifikasi Transduser !illiam D.*, #&&/!

a. Self generating transduser  transduser pembangkit sendiri! Self generating  transduser   adalah transduser yang hanya memerlukan satu sumber energi.  

*ontoh: piezo electric% termocouple% photo(oltatic% termistor , dsb. *iri transduser ini adalah dihasilkannya suatu energi listrik dari transduser  secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai sumber tegangan.

 b.  $xternal po+er transduser  transduser daya dari luar! C

 $xternal po+er transduser  adalah transduser yang memerlukan sejumlah energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran.   *ontoh: -7D resistance thermal detector ! , Starin gauge, D7 linier  (ariable differential transformer !, Potensiometer, E7*, dsb.

7abel berikut menyajikan prinsip kerja serta pemakaian transduser berdasarkan sifat kelistrikannya.

Tabel 1. Kelompok Transduser

Parameter listrik  dan kelas transduser  Potensiometer Strain gage

7ransformator  selisih D7! 3age arus pusar

Sel fotoemisif

Photomultiplier

7ermokopel

3enerator kumparan putar tachogenerator! Pie9oelektrik Sel foto tegangan

7ermometer  tahanan -7D! "ygrometer  tahanan

Prinsip kerja dan sifat alat

Pemakaian alat

Transduser Pasif Perubahan nilai tahanan karena 7ekanan,  posisi kontak bergeser   pergeseranBposisi Perubahan nilai tahanan akibat 3aya, torsi, posisi  perubahan panjang kawat oleh tekanan dari luar  7egangan selisih dua kumparan 7ekanan, gaya,  primer akibat pergeseran inti  pergeseran trafo Perubahan induktansi kumparan Pergeseran, ketebalan akibat perubahan jarak plat Transduser )ktif  Fmisi elektron akibat radiasi *ahaya dan radiasi yang masuk pada permukaan fotemisif  Fmisi elektron sekunder akibat *ahaya, radiasi dan radiasi yang masuk ke katoda relay sensitif cahaya sensitif cahaya Pembangkitan ggl pada titik   7emperatur, aliran sambung dua logam yang  panas, radiasi  berbeda akibat dipanasi Perputaran sebuah kumparan di Kecepatan, getaran dalam medan magnit yang membangkitkan tegangan Pembangkitan ggl bahan kristal Suara, getaran,  pie9o akibat gaya dari luar   percepatan, tekanan 7erbangkitnya tegangan pada sel *ahaya matahari foto akibat rangsangan energi dari luar  Perubahan nilai tahanan kawat 7emperatur, panas akibat perubahan temperatur  7ahanan sebuah strip konduktif  Kelembaban relatif   berubah terhadap kandungan

'

uap air  7ermistor E7*! Penurunan nilai tahanan logam akibat kenaikan temperatur  Mikropon kapasitor 7ekanan suara mengubah nilai kapasitansi dua buah plat Pengukuran -eluktansi rangkaian magnetik  reluktansi diubah dengan mengubah posisi inti besi sebuah kumparan Sumber: illiam D.*, #&&/!

7emperatur  Suara, musik,derau 7ekanan, pergeseran, getaran, posisi

*ontoh $oal +

#. 2pa saja peranan dan fungsi sensor dalam sistem kendali industri @ (. Sebutkan syarat)syarat dalam memilih sensor yang baik @ /. Sebutkan beberapa jenis sensor yang ada pada sebuah robotik @

&aaban +

#. Sensor berperan untuk mendeteksi gejala perubahan informasi sinyal dalam sistem kontrol, dan berfungsi sebagai umpan balik pada sebuah sistem kendali otomatis. (. Syarat sebuah sensor adalah linearitas, sensiti0itas dan respon time /. Genis sensor pada robotik adalah: internal sensor dan eksternal sensor

atihan +

#. 2pa yang dimaksud dengan sensor, transduser dan alat ukur  (. Gelaskan perbedaan ketiganya. /. Persyaratan umum sensor dan transduser adalah linearitas, sensiti0itas dan tanggapan respon. Gelaskan maksud dari masing)masing syarat tersebut. =. Gelaskan perbedaan antara transduser aktif dan transduser pasif.

angkuman +

$ab # ini mejelaskan tentang+ definisi)definisi, persyaratan, jenis)jenis dan klasifikasi sensor dan transduser.

 Review

+

#. Gelaskan dengan gambar yang dimaksud dengan tanggapan linear dan non linear @ (. 2dakah ketentuan lain yang harus diketahui dalam memilih sensor dan transduser  /. 2pa fungsi dan kegunaan external sensor  pada sebuah robot @ &

=. Sebutkan beberapa buah transduser aktif dan transduser pasif yang anda ketahui @

Bab 2 Sensor Thermal

Tujuan Pembelajaran Umum

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan memiliki pengetahuan tentang sensor thermal yang banyak digunakan pada sistem pengontrolan di industri

Tujuan Pembelajaran Khusus

Setelah mempelajari topik per topik pada bab ini mahasiswa diharapkan :

#6

#. Mengerti peranan dan fungsi sensor thermal dalam sistem pengaturan otomasi (. Mengerti tentang bimetal sebagai sensor thermal /. Mengerti tentang termistor sebagai sensor thermal =. Mengerti tentang -7D sebagai sensor thermal <. Mengerti tentang 7ermokopel sebagai sensor thermal A. Mengerti tentang Dioda ?* "ybrid! sebagai sensor thermal C. Mengerti tentang Infrared ,yrometer  sebagai sensor thermal

Pendahuluan

2*. Sri0asta0a, #&'C!, mengatakan temperatur merupakan salah satu dari empat besaran dasar yang diakui oleh Sistem Pengukuran ?nternasional "he  International Measuring System!. ord Kel0in pada tahun #'=' mengusulkan skala temperature termodinamika pada suatu titik tetap triple point% dimana fase padat, cair  dan uap berada bersama dalam eHuilibrium, angka ini adalah (C/,#A oK  derajat Kel0in! yang juga merupakan titik es. Skala lain adalah *elcius, 8ahrenheit dan -ankine dengan hubungan sebagai berikut: o

8 I &B< o* J /( atau

o

* I
o

- I o8 J =<&,A&

>ayan ?.$, #&&'!, mengatakan temperatur adalah kondisi penting dari suatu substrat. Sedangkan 4panas adalah salah satu bentuk energi yang diasosiasikan dengan aktifitas molekul)molekul dari suatu substrat5. Partikel dari suatu substrat diasumsikan selalu bergerak. Pergerakan partikel inilah yang kemudian dirasakan sebagai panas. Sedangkan temperatur adalah ukuran perbandingan dari panas tersebut. Pergerakan partikel substrat dapat terjadi pada tiga dimensi benda yaitu: #. $enda padat, (. $enda cair dan /. $enda gas udara!

2liran kalor substrat pada dimensi padat, cair dan gas dapat terjadi secara : #. Konduksi, yaitu pengaliran panas melalui benda padat penghantar! secara kontak  langsung ##

(. Kon0eksi, yaitu pengaliran panas melalui media cair secara kontak langsung /. -adiasi, yaitu pengaliran panas melalui media udaraBgas secara kontak tidak langsung Pada aplikasi pendeteksian atau pengukuran tertentu, dapat dipilih salah satu tipe sensor dengan pertimbangan : #. Penampilan  ,erformance! (. Kehandalan  &eliable! dan /. 8aktor ekonomis  $conomic!

Pemilihan &enis $ensor $uhu

"al)hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan pemilihan jenis sensor suhu adalah: >ayan ?.$, #&&'! #. e0el suhu maksimum dan minimum dari suatu substrat yang diukur. (. Gangkauan range! maksimum pengukuran /. Kondukti0itas kalor dari substrat =. -espon waktu perubahan suhu dari substrat <. inieritas sensor  A. Gangkauan temperatur kerja Selain dari ketentuan diatas, perlu juga diperhatikan aspek phisik dan kimia dari sensor seperti ketahanan terhadap korosi karat!, ketahanan terhadap guncangan,  pengkabelan instalasi!, keamanan dan lain)lain. Tempertur Kerja $ensor

Setiap sensor suhu memiliki temperatur kerja yang berbeda, untuk pengukuran suhu disekitar kamar yaitu antara )/< o* sampai #<6o*, dapat dipilih sensor E7*, P7*, transistor, dioda dan ?* hibrid. %ntuk suhu menengah yaitu antara #<6 o* sampai C66o*, dapat dipilih thermocouple dan -7D. %ntuk suhu yang lebih tinggi sampai #<66 o*, tidak memungkinkan lagi dipergunakan sensor)sensor kontak langsung, maka teknis  pengukurannya dilakukan menggunakan cara radiasi. %ntuk pengukuran suhu pada daerah sangat dingin dibawah A< oK I )(6'o*  6o* I (C/,#A oK ! dapat digunakan resistor karbon biasa karena pada suhu ini karbon berlaku seperti semikonduktor. %ntuk  suhu antara A
7hermocouple



  s )   e   g   a )    t   n )   a   0    d )    2 ) )   s )   e   g   a )    t   n )   a   0    d )   a )   s    i    D

-7D

7hermistor

- 

7 self powered simple rugged ine1pensi0e wide 0ariety wide temperature range non linear  low 0oltage reference reHuired least stable least sensiti0e

?* Sensor  

- 

7

, ?

7

7

) most stable ) most accurate ) more linear than termocouple

) high output ) fast ) two)wire ohms measurement

) most linear  ) highest output ) ine1pensi0e

) e1pensi0e ) power supply reHuired ) small  & ) low absolute resistance ) self heating

) non linear  ) limited temperature range ) fragile ) power supply reHuired ) self heating

) "  (66o* ) power supply reHuired ) slow ) self heating ) limited configuration

Gambar !.1. ara#teristi# sensor temperature Schuller, Mc.Eame, #&'A!

#.1. /imetal

$imetal adalah sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya. $imetal biasa dijumpai pada alat strika listrik dan lampu kelap)kelip dimmer!. $imetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya  L! yang direkatkan menjadi satu. $ila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. $ila dua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah memuai lebih pendek. leh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka

#/

 bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya  bimetal dapat dibentuk menjadi saklar   ormally Closed   E*! atau  ormally /pen E!.

ogam 2 ogam $

Gambar !.!. ontru#si 0imetal  >ayan ?.$, #&&'! $imetal sebelum $imetal sesudah dipanaskan dipanaskan Disini berlaku rumus pengukuran temperature dwi)logam yaitu :

 ρ 

=

t P/# + m! (

+ # + mm!m ( + # B mn!; Aα  1 + α  0 !" ( − " # !# + m! (

(.#!

dan dalam praktek t$Bt2 I # dan nJ#!.n I(, sehingga+  ρ 

=

/α  1

(t  − α  0 !" (

− " # !

(.(!

di mana N I radius kelengkungan t I tebal jalur total n I perbandingan modulus elastis, F $BF2 m I perbandingan tebal, t $Bt2 7()7# I kenaikan temperature L2, L$ I koefisien muai panas logam2 dan logam $

#.#. Termistor

7ermistor atau tahanan thermal   adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif. %mumnya tahanan termistor pada temperatur ruang dapat berkurang AO untuk  setiap kenaikan temperatur sebesar #o*. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi.

#=

7ermistor terbuat dari campuran oksida)oksida logam yang diendapkan seperti: mangan Mn!, nikel Ei!, cobalt *o!, tembaga *u!, besi 8e! dan uranium %!. -angkuman tahanannya adalah dari 6,<

Ω  sampai

C<

Ω dan

tersedia dalam berbagai

 bentuk dan ukuran. %kuran paling kecil berbentuk mani)manik beads! dengan diameter  6,#< mm sampai #,(< mm, bentuk piringan  dis# ! atau cincin +asher ! dengan ukuran (,< mm sampai (< mm. *incin)cincin dapat ditumpukan dan di tempatkan secara seri atau paralel guna memperbesar disipasi daya. Dalam operasinya termistor memanfaatkan perubahan resisti0itas terhadap temperatur, dan umumnya nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara eksponensial untuk jenis E7*  egati(e "hermal Coeffisien!

 &" 

=  & 1 e β " 

(./!

Koefisien temperatur L d Q idefinisikan pada temperature tertentu, misalnya (
Gambar !.2 . onfigurasi "hermistor3 4a5 coated-bead  4b5 dis# 4c5 dioda case dan 4d5 thin-film Teknik Kompensasi Termistor+

Karkateristik termistor berikut memperlihatkan hubungan antara temperatur dan resistansi seperti tampak pada gambar (.=

#<

Gambar !.6. Grafi# "ermistor resistansi (s temperatuer3 4a5 logaritmi#

4b5 s#ala linier

%ntuk pengontrolan perlu mengubah tahanan menjadi tegangan, berikut rangkaian dasar untuk mengubah resistansi menjadi tegangan.

Gambar !.7. &ang#aian u8i termistor sebagai pembagi tegangan

7hermistor dengan koefisien positif P7*, tidak baku!

Gambar !.9. "ermistor 8enis ,"C3 4a5 linier

4b5 s+itching 

*ara lain untuk mengubah resistansi menjadi tegangan adalah dengan teknik  linearisasi.

#A

Daerah resistansi mendekati linier 

%ntuk teknik kompensasi temperatur menggunakan rangkaian penguat jembatan lebih  baik digunakan untuk jenis sensor resistansi karena rangkaian jembatan dapat diatur  titik kesetimbangannya.

#C

Gambar !.:. 'ua buah "ermistor )inier3 4a5 &ang#aian sebenarnya 4b5 &ang#aian $#i(alen

Gambar !.;. &ang#aian penguat 8embatan untu# resistansi sensor 

 Eilai tegangan outputnya adalah:

atau rumus lain untuk tegangan output

#.%. esistane Thermal Detetor !TD"

-7D adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. -7D dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan  pada bahan keramik isolator. $ahan tersebut antara lain+ platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai #<66 o  *. 7embaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi. #'

Kumparan kawat platina

-7D memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu: ?nti dari Ruart9 #. 7idak diperlukan suhu referensi 7erminal sambungan

(. Sensiti0itasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem)perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi. Kabel keluaran

/. 7egangan output yang dihasilkan <66 kali lebih besar dari termokopel Gambar !.<. onstru#si &"' panjang karena noise tidak jadi =. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih masalah <. 7egangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.

 &esistance "hermal 'etector   -7D! perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor dan model matematis linier adalah:  &" 

=  &6 # + α ∆t !

dimana : - o I tahanan konduktor pada temperature awal  biasanya 6o*! - 7 I tahanan konduktor pada temperatur to* L I koefisien temperatur tahanan t I selisih antara temperatur kerja dengan temperatur awal

Sedangkan model matematis nonliner kuadratik adalah:

#&

Gambar !.1=. &esistansi (ersus "emperatur untu# (ariasi &"' metal 

 $entuk lain dari Konstruksi -7D

Gambar !.11. >enis &"'3

4a5 ?ire 4b5 Ceramic "ube 4c5 "hin Film

-angkaian Penguat untuk three)wire -7D

(6

Gambar !.1!. 4a5 "hree ?ire &"'

4b5 &ang#aian ,enguat 

0kspansi Daerah inier

Fkspansi daerah linear dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: #. Menggunakan tegangan referensi untuk kompensasi nonlinieritas (. Melakukan kompensasi dengan umpan balik positif 

Gambar !.12. ompensasi non linier 4a5 &espon &"' non linier@ 4b5 0lo# diagram rang#aian #ore#si

(#

#.'. Termokopel

Pembuatan termokopel didasarkan atas sifat thermal bahan logam. Gika sebuah batang logam dipanaskan pada salah satu ujungnya maka pada ujung tersebut elektron)elektron dalam logam akan bergerak semakin aktif dan akan menempati ruang yang semakin luas, elektron)elektron saling desak dan bergerak  ke arah ujung batang yang tidak dipanaskan. Dengan demikian pada ujung batang yang dipanaskan akan terjadi muatan positif.

%jung panas

J

2rus elektron akan mengalir dari Kerapatan electron untuk setiap bahanujung logam berbeda tergantung dari jenis panas ke ujung logam. Gika dua batang logam disatukan salah satu ujungnya, dan kemudian - dingin

e

dipanaskan, maka elektron dari batang logam yang memiliki kepadatan tinggi akan %jung dingin

 bergerak ke batang yang kepadatan elektronnya rendah, dengan demikian terjadilah  perbedaan tegangan diantara ujung kedua batang tidak disatukan atau Gambar !.16. rah gera# electron 8i#alogam logamyang dipanas#an dipanaskan. $esarnya termolistrik atau gem 4 gaya electromagnet ! yang dihasilkan menurut 7.G Seeback #'(#! yang menemukan hubungan perbedaan panas  " 1 dan " !! dengan gaya gerak listrik yang dihasilkan $% Peltir #'/=!, menemukan gejala  panas yang mengalir dan panas yang diserap pada titik hot-8uction dan  8unction%

cold-

dan Sir illiam 7homson, menemukan arah arus mengalir dari titik 

 panas ke titik dingin dan sebaliknya, sehingga ketiganya menghasilkan rumus sbb:

 $ A C 14" 1-" ! 5 B C !4" 1!  " !! 5

$fe# ,eltier

!

$fe# "homson

((

atau  $ A 2:%74" 1 D" ! 5  =%=674" 1!-" !! 5

 ...!

di mana /C,< dan 6,6=< merupakan dua konstanta * #  dan *(  untuk termokopel tembagaBkonstanta.

J

$eda potensial yang terjadi  pada kedua *  & ujung logam $ila ujung logam yang tidak dipanaskan dihubung singkat, perambatan *s yang berbeda = − S   &  panas jenisnya  panas dari ujung panas ke ujung dingin akan - semakin cepat. Sebaliknya bila suatu %jung panas

*out  *  * 

termokopel diberi tegangan listrik D*, maka diujung sambungan terjadi panas atau %jung dingin

menjadi dingin tergantung polaritas bahan deret olta! dan polaritas tegangan sumber. Dari prinsip ini memungkinkan membuat termokopel menjadi pendingin. Gambar !.17. 0eda potensial pada "ermo#opel 7hermocouple sebagai sensor temperatur memanfaatkan beda +or#function dua bahan metal

Gambar !.19. Eubungan "ermo#opel 4a5 titi# beda potensial 4b5 daerah pengu#uran dan titi# referensi

Pengaruh sifat thermocouple pada +iring 

(/

Gambar !.1:. "egangan referensi pada titi# sambungan3 4a5 >umlah tegangan tiga buah metal 4b5 0lo# titi# sambungan

Sehingga diperoleh rumus perbedaan tegangan :

-angkaian kompensasi untuk 7hermocouple diperlihat oleh gambar (.#'

Gambar !.1;. &ang#aian penguat tegangan 8unction termo#opel 

Perilaku beberapa jenis thermocouple diperlihatkan oleh gambar (.#&

(=

) ) ) ) )

tipe F chromel)konstanta! tipe G besi)konstanta! tipe 7 tembaga)Konstanta! tipe K chromel)alumel! tipe - atau S platina)ptBrodium!

Gambar !.1<. arateristi# beberapa tipe termo#opel 

#.(. Dioda sebagai $ensor Temperatur

Dioda dapat pula digunakan sebagai sensor temperatur yaitu dengan memanfaatkan sifat tegangan 8unction

Dimanfaatkan juga pada sensor temperatur rangkaian terintegrasi memiliki rangkaian penguat dan kompensasi dalam chip yang sama!.

*ontoh rangkaian dengan dioda sebagai sensor temperature

*ontoh rangkaian dengan ?* sensor 

(<

-angkaian alternatif untuk mengubah arus menjadi tegangan pada ?* sensor temperature

Gambar !.!=. &ang#aian peubah arus #e tegangan untu# IC termo sensor 

#.. 2nfrared Pyrometer

Sensor inframerah dapat pula digunakan untuk sensor temperatur 

(A

Gambar !.!1. Infrared ,yrometer sebagai sensor temperatur  Memfaatkan perubahan panas antara cahaya yang dipancarkan dengan diterima yang diterima pyrometer terhadap objek yang di deteksi.

*ontoh $oal

#. Sebutkan beberapa macam jenis sensor thermal yang anda ketahui (. Gelaskan cara kerja sensor bimetal dan contoh pemakaiannya. /. 2da berapa jenis sensor termistor yang anda ketahui =. Gelaskan cara operasi sensor termokopel dalam sistem pengukuran &aaban $oal

#. Genis)jenis sensor thermal antara lain : bimetal, termistor, -7D, 7ermokopel, ?* "ybrid, ?nfrared pyrometer. (. Sensor bimetal terdiri dari dua lempengan logam yang berbeda panas jensinya dan disatukan. $imetal bekerja apabila didekatkan dengan sumber panas yang terkondisi, maka bimetal akan membengkok kearah bahan logam yang panas jenisnya lebih rendah. /. Gensi termistor ada / macam antara lain : coated)bead, disk, dioda case dan thin) film =. 7ermokopel terdiri dari dua buah logam yang berbeda panas jensinya yang salah satu ujungnya disatukan. $ila ujung yang disatukan di panaskan maka sisi ujung lainnya akan menghasilkan tegangan yang dapat di ukur.

atihan

#. Sebutkan ada berapa macam cara kalor subtract dapat mengalir dalam media padat, cair dan gas. (. Sebutkan batas temperatur operasi kerja dari sensor thermal yang anda ketahui /. Sebutkan keunggulan sensor suhu jenis -7D dari pada sensor termokopel.

angkuman

Pada bab ( ini dipelajari tentang+ definisi)definisi, persyaratan, jenis)jenis dan contoh sensor thermal yang banyak ditemui di industri, labor.

(C

 Review

#. 3ambarkan kontruksi dari sensor bimetal, termokopel dan termistor  (. Kenapa sensor -7D lebih diunggulkan pemakaiannya dari pada sensor thermal jenis lainnya. /. %ntuk mendeteksi suhu kerja dibawah nol darajat, sensor jenis mana yang paling tepat digunakan. =. Gelaskan cara kerja sensor infrared pyrometer 

('

Bab 3 Sensor Mechanics

Tujuan Umum

Setelah mahasiswa mempelajarai bab ini, diharapkan dapat memahami fungsi dan peranan sensor mekanik dalam teknik pengukuran dan pengontrolan sistem di dunia nyata dengan baik.

Tujuan Khusus

Setelah mempelajari topik demi topik dalam bab ini maka diharapkan mahasiswa dapat : #. Mengerti tentang macam)macam dan fungsi dari sensor posisi dengan baik. (. Mengerti tentang jenis, fungsi dan kegunaan dari sensor kecepatan dalam sistem kendali berumpan balik dengan baik  /. Mengerti jenis)jenis dan penerapan dari sensor tekanan dalam sistem pengaturan  berumpan balik dengan baik  =. Mengerti macam, fungsi dan kegunaan dari sensor aliran fluida dengan baik  <. Mengerti tentang macam, fungsi dan penerapan sensor le0el dalam sistem otomasi industri dengan baik 

Pendahuluan

Pergerakkan mekanis adalah tindakan yang paling banyak dijumpai dalam kehidupan sehari)hari, seperti perpindahan suatu benda dari suatu posisi ke posisi lain, kecepatan mobil di jalan raya, dongrak mobil yang dapat mengangkat mobil seberat #6 ton, debit air didalam pipa pesat, tinggi permukaan air dalam tanki. Semua gerak mekanis tersebut pada intinya hanya terdiri dari tiga macam, yaitu gerak lurus, gerak melingkar dan gerak memuntir. 3erak mekanis disebabkan oleh adanya gaya aksi yang dapat menimbulkan gaya reaksi. $anyak cara dilakukan untuk  mengetahui atau mengukur gerak mekanis misalnya mengukur jarak atau posisi dengan (&

meter, mengukur kecepatan dengan tachometer, mengukur debit air dengan rotameter  dsb. 7etapi jika ditemui gerakan mekanis yang berada dalam suatu sistem yang kompleks maka diperlukan sebuah sensor untuk mendeteksi atau mengimformasikan nilai yang akan diukur. $erikut akan dijabarkan beberapa jenis sensor mekanis yang sering dijumpai di dalam kehidupan sehari)hari.

%.1. $ensor Posisi

Pengukuran posisi dapat dilakukan dengan cara analog dan digital. %ntuk   pergeseran yang tidak terlalu jauh pengukuran dapat dilakukan menggunakan cara)cara analog, sedangkan untuk jarak pergeseran yang lebih panjang lebih baik digunakan cara digital. "asil sensor posisi atau perpindahan dapat digunakan untuk mengukur   perpindahan linier atau angular. 7eknis perlakuan sensor dapat dilakukan dengan cara terhubung langsung  kontak ! dan tidak terhubung langsung  tanpa kontak !. %.1.1. $train gauge !$3"

Strain gauge dapat dijadikan sebagai sensor posisi. S3 dalam operasinya memanfaatkan perubahan resistansi sehingganya dapat digunakan untuk mengukur   perpindahan yang sangat kecil akibat pembengkokan tensile stress! atau peregangan tensile strain!. Definisi elastisitas ! strain gauge adalah perbandingan perubahan  panjang  )! terhadap panjang semula  )! yaitu:

atau perbandingan perubahan resistansi   &! terhadap resistansi semula  &! sama dengan faktor gage G f ! dikali elastisitas starin gage ! :

Secara konstruksi S3 terbuat dari bahan metal tipis foil! yang diletakkan diatas kertas. %ntuk proses pendeteksian S3 ditempelkan dengan benda uji dengan dua cara yaitu:  #. 2rah perapatanBperegangan dibuat sepanjang mungkin a1ial!  (. 2rah tegak lurus perapatanBperegangan dibuat sependek mungkin lateral!

/6

Gambar 2.1. 0entu# phisi# strain gauge

8aktor gauge G f ! merupakan tingkat elastisitas bahan metal dari S3. T metal incompressible 3f I ( T pie9oresistif 3f I/6 T pie9oresistif sensor digunakan pada ?* sensor tekanan %ntuk melakukan sensor pada benda uji maka rangkaian dan penempatan S3 adalah T disusun dalam rangkaian jembatan T dua strain gauge digunakan berdekatan, satu untuk pereganganBperapatan , satu untuk kompensasi temperatur pada posisi yang tidak terpengaruh pereganganB  perapatan T respons frekuensi ditentukan masa tempat strain gauge ditempatkan

Gambar 2.!. ,emasangan strain gauge3 4a5 rang#aian 8embatan 4b5 gage1 dan gage ! posisi <= 4c5 gage 1 dan gage ! posisi se8a8ar 

/#

 %.1.#. $ensor 2nduktif dan 0lektromagnet

Sensor induktif memanfaatkan perubahan induktansi T sebagai akibat pergerakan inti feromagnetik dalam koil T akibat bahan feromagnetik yang mendekat

Gambar 2.2. Sensor posisi3 4a5 Inti bergeser datar 4b5 Inti I bergser berputar% 4c5 &ang#aian (ariable indu#tansi

-angkaian pembaca perubahan induktansi T dua induktor disusun dalam rangkaian jembatan, satu sebagai dummy T tegangan bias jembatan berupa sinyal ac T perubahan induktasi dikon0ersikan secara linier menjadi perubahan tegangan

K  I sensisti0itas induktansi terhadap posisi

T output tegangan ac diubah menjadi dc atau dibaca menggunakan detektor fasa

Gambar 2.6. &ang#aian u8i sensor posisi indu#tif 

/(

Sensor elektromagnetik memanfatkan terbangkitkannya gaya emf oleh pada koil yang mengalami perubahan medan magnit T output tegangan sebanding dengan kecepatan perubahan posisi koil terhadap sumber magnit

T perubahan medan magnit diperoleh dengan pergerakan sumber medan magnit atau  pergerakan koilnya koilnya seperti pada mikrofon dan loudspeaker!

 Gambar 2.7. ,ema#aian sensor posisi3 4a5 pada microphone% microphone% 4b5 pada pada loudspea#er 

%.1.%. inier 4ariable Differential Transformer !4DT"

U memanfaatkan perubahan induksi induksi magnit dari kumparan primer ke dua kumparan kumparan sekunder  U dalam keadaan setimbang, inti magnet terletak ditengah dan kedua kedua kumparan sekunder menerima fluks yang sama U dalam keadaan tidak setimbang, fluks pada satu kumparan naik dan yang lainnya turun U tegangan yang dihasilkan dihasilkan pada sekunder sekunder sebading dengan perubahan perubahan posisi inti magnetic

U hubungan hubungan linier bila inti masih disekitar posisi kesetimbangan

//

 Gambar 2.9. )*'" sebagai sensor posisi3 4a5 #onstru#si )*'"% )*'"% 4b5 &anga#aian listri#% 4c5 rang#aia u8i )*'"% )*'"% 4d5 ara#teristi# )*'"  )*'"   U rangkaian detektor sensitif fasa pembaca perpindahan dengan D7 D7

Gambar 2.:. &ang#ain u8i ele#troni# ele#t roni# )*'"  /=

%.1.'. Transduser Kapasitif 

U memanfaatkan perubahan kapasitansi T akibat perubahan posisi bahan dielektrik diantara kedua keping T akibat pergeseran posisi salah satu keping dan luas keping yang berhadapan langsung T akibat penambahan jarak antara kedua keeping

Gambar 2.;. Sensor posisi #apasitif3 4a5 pergeseran media mendatar% mendatar% 4b5 pergeseran berputar% berputar% 4c5 pergeseran 8ara# plat 

U nilai kapasitansi berbanding lurus dengan area dan berbanding terbaik dengan jarak  C    6,6''< =

 1 d 

# 

U cukup sensitif tetapi linieritas buruk  U rangkaian jembatan seperti pada sensor induktif induktif dapat dapat digunakan digunakan dengan kapasitor dihubungkan paralel dengan resistansi tinggi! untuk memberi jalur D* untuk input  

opamp U alternatif kedua kedua mengubah perubahan kapasitansi menjadi perubahan frekuensi osilator  T frekuensi tengah # ) #6 M"9 T perubahan frekuensi untuk perubahan kapasitansi cukup kecil dibandingkan kapasitansi *o

/<

Gambar 2.<. ,ema#aian sensor posisi pada rang#aian ele#troni#3  4a5 #apasitansi men8adi fre#uensi% 4b5 #apasitansi men8adi pulsa  U Solusi rangkaian murah dengan osilator osilator relaksasi dual in0erter *MS

%.1.(. Transduser perpindahan digital optis

U mendeteksi mendeteksi posisi melalui melalui kode oleh pemantul atau pelalu transmisi cahaya ke ke detektor foto U perpindahan perpindahan relatif! diukur berupa pulse train dengan frekuensi yang sebanding kecepatan pergerakan

Gambar 2.1=. Sensor posisi digital optis3 4a5 dan 4b5 pergeseran berputar% berputar% "-&  se8a8ar% 4c5 dan 4d5 pergeseran mendatar mendatar%% "-& "-& membentu# sudut.

U deteksi arah gerakan memanfaatkan dua dua sinyal sinyal dengan saat pulsa naik berbeda berbeda

/A

Gambar 2.11. 2.11. &anga#ain u8i untu# menentu#an arah gera#anHposisi

U posisi posisi mutlak dideteksi menggunakan menggunakan kode kode bilangan bilangan digital T untuk deteksi perubahan yang ekstrim satu kode digunakan sebagai sinyal clock  T alternatif lain memanfaatkan kode yang hanya mengijinkan satu perubahan seperti  pada kode 3ray T kode angular lebih baik dari pada kode linier akibat arah ekpansi thermal pada  pelat kode

Gambar 2.1!. ,ulsa cloc# yang dihasil#an berdasar#an bilangan biner 

U pengukuran pengukuran perpindahan perpindahan posisi yang kecil dapat dilakukan dengan pola pola Moire T pola garis tegak dan miring memperkuat ukuran! pergeseran arah 1 ke pola garis  pada arah y T perubahan dibaca dengan cara optis /C

Gambar 2.12. ,erubahan posisi #ecil mengguna#an cara Moire

%.1.. Transduser Pie5oeletri

7ransduser Pie9oelectric berkeja memanfaatkan tegangan yang terbentuk saat kristal mengalami pemampatan T ion positif dan negatif terpisah akibat struktur kristal asimetris T bahan kristal: kuarsa dan barium titanat, elektret poli0ilidin florida T bentuk respons

Gambar 2.16. "ransduser ,iezoele#tri#3 4a5 #onstru#si ,$% 4b5 rang#aian e#i(alen ,$ 

Gambar 2.17. &espons "egangan ,$  /'

-angkaian pembaca tegangan pada pie9oelektrik sensor  T kristal bukan konduktor tidak mengukur D*, rangkaian eki0alen! gunakan rangkaian p)2mp dengan impedansi input tinggi 8F7, untuk frekuensi rendah! T bila respons yang diukur dekat dengan frekuensi resonansi kristal, ukur muatan sebagai ganti tegangan

di mana  x I muatan listrik kristal coulomb!   Je I konstanta kristal coulBcm! 

I gaya tekan  Eewton!

T 3ambar a! - tinggi untuk alur D*, b! saklar untuk mengukur tegangan strain saat E dan 88 dan c! mengukur muatan, tegangan * o!yang dihasilkan adalah :

Gambar 2.19. &ang#aian pembacaan tegangan #ristal 

/&

%.1.6. Transduser esol7er dan 2ndutosyn

U berupa pasangan motor)generator: resol0er dan transmiter digunakan untuk mengukur sudut pada sebuah gerakan rotasi U kumparan stator sebagai penerima ditempatkan pada sudut yang berbeda T / stator: syncho T ( stator: resol0er  U 0ersi linier inductosyn! perbedaan sudut &6 derajat diperoleh dengan perbedaan #B= gulungan

Gambar 2.1:. onstru#si &esol(er - Inductosyn dan sinyal yang dihasil#an

%.1.8. Detektor Pro9imity

 U a! saklar reed yang memanfatkan saklar yang terhubung atau terlepas berdasarkan medan magnet  U b! -8)lost akibat adanya bahan metal yang menyerap medan magnet frekuensi =6)(66 k"9! yang mengakibatkan detector -8 turun akibat pembebanan rangkaian resonansi * pada osilator   U c! Detector kapasitansi mengamati perubahan kapasitansi oleh bahan nonkonduktor   U d! pancaran cahaya terfokus

=6

Gambar 2.1;. 0eberapa sensor proximity

%.1.8. Potensiometer

Potensiometer yang tersedia di pasaran terdiri dari beberapa jenis, yaitu:  potensiometer karbon, potensiometer wire wound dan potensiometer metal film. #. Potensiometer karbon adalah potensiometer yang terbuat dari bahan karbon harganya cukup murah akan tetapi kepressian potensiometer ini sangat rendah biasanya harga resistansi akan sangat mudah berubah akibat pergeseran kontak. (. Potensiometer

gulungan kawat

wire

wound! adalah potensiometer

yang

menggunakan gulungan kawat nikelin yang sangat kecil ukuran penampangnya. Ketelitian dari potensiometer jenis ini tergantung dari ukuran kawat yang digunakan serta kerapihan penggulungannya. /. Metal film adalah potensiometer yang menggunakan bahan metal yang dilapiskan ke  bahan isolator

=#

Potensiometer karbon dan metal film jarang digunakan untuk kontrol industri karena cepat aus. Potensiometer wire wound adalah potensiometer yang menggunakan kawat halus yang dililit pada batang metal. Ketelitian potensiometer tergantung dari a. ire ound b. 7ahanan 3eser c. Karbon ukuran kawat. Kawat yang digunakan biasanya adalah kawat nikelin. Penggunaan potensiometer untuk pengontrolan posisi cukup praktis karena Gambar 2.1<. Macam ,otensiometer  hanya membutuhkan satu tegangan eksitasi dan biasanya tidak membutuhkan pengolah sinyal yang rumit. Kelemahan penggunaan potensiometer terutama adalah: #. *epat aus akibat gesekan (. Sering timbul noise terutama saat pergantian posisi dan saaat terjadi lepas kontak  /. Mudah terserang korosi =. Peka terhadap pengotor 

Potensiometer linier adalah potensiometer yang perubahan tahanannya sangat halus dengan jumlah putaran sampai sepuluh kali putaran multi turn!. %ntuk keperluan sensor posisi potensiometer linier memanfaatkan perubahan resistansi, diperlukan  proteksi apabila jangkauan ukurnya melebihi rating, linearitas yang tinggi hasilnya mudah dibaca tetapi hati)hati dengan friksi dan backlash yang ditimbulkan, resolusinya terbatas yaitu 6,( U 6,
=(

Gambar 2.!=. &ang#aian u8i ,otensiometer 

%.1.:. ;ptial le7er displaement detektor

T memanfaatkan pematulan berkas cahaya dari sumber ke detektor  T linieritas hanya baik untuk perpindahan yang kecil

Gambar 2.!1. /ptical )e(er 'isplacement 'etector 

%.#. $ensor Keepatan !  Motion Sensor "

Pengukuran kecepatan dapat dilakukan dengan cara analog dan cara digital. Secara umum pengukuran kecepatan terbagi dua cara yaitu: cara angular dan cara translasi. %ntuk mengukur kecepatan translasi dapat diturunkan dari cara pengukuran angular. >ang dimaksud dengan pengukuran angular adalah pengukuran kecepatan rotasi berputar!, sedangkan pengukuran kecepatan translasi adalah kecepatan gerak  lurus beraturan dan kecepatan gerak lurus tidak beraturan.

=/

%.#.1. Taho 3enerator

Sensor yang sering digunakan untuk sensor kecepatan angular adalah tacho generator. 7acho generator adalah sebuah generator kecil yang membangkitkan tegangan D* ataupun tegangan 2*. Dari segi eksitasi tacho generator dapat dibangkitkan dengan eksitasi dari luar atau imbas elektromagnit dari magnit permanent. 7acho generator D* dapat membangkitkan tegangan D* yang langsung dapat menghasilkan informasi kecepatan, sensiti0itas tacho generator D* cukup baik terutama  pada daerah kecepatan tinggi. 7acho generator D* yang bermutu tinggi memiliki kutub) kutub magnit yang banyak sehingga dapat menghasilkan tegangan D* dengan riak  gelombang yang berfrekuensi tinggi sehingga mudah diratakan. Keuntungan utama dari tacho generator ini adalah diperolehnya informasi dari arah putaran. Sedangakan kelemahannya adalah : #. Sikat komutator mudah habis (. Gika digunakan pada daerah bertemperatur tinggi, maka magnet permanent akan mengalami kelelahan, untuk kasus ini, tacho generator sering dikalibrasi. /. Peka terhadap debu dan korosi 7acho generator 2* berupa generator singkron, magnet permanent diletakkan dibagian tengah yang berfungsi sebagai rotor. Sedangkan statornya berbentuk kumparan  besi lunak. Ketika rotor berputar dihasilkan tegangan induksi di bagian statornya. 7ipe lain dari tacho generator 2* adalah tipe induksi, rotor dibuat bergerigi, stator berupa gulungan kawat berinti besi. Medan magnet permanent dipasang bersamaan di stator. Ketika rotor berputar, terjadi perubahan medan magnet pada gigi yang kemudian mengimbas ke gulungan stator. Kelebihan utama dari tacho generator 2* adalah relatif tahan terhadap korosi dan debu, sedangkan kelemahannya adalah tidak memberikan informasi arah gerak. Stator magnet pemanen -otor inti besi berputar  bersama kumparan dan komutator 

Komutator  berputar  bersama rotor 

7erminal keluaran

Kumparan, ujung)ujung kawatnya dihubungkan ke komutator 

==

Gambar 2.!!. ontru#si "acho Generator 'C  -otor magnet  permanent diiputar 

%

S

7egangan keluaran 2* Kumparan stator 

Gambar 2.!2. ontru#si "acho Generator C 

-otor  bergerigi

%

% 7egangan keluaran 2*

S

S Kumparan stator magnit permanen

Gambar 2.!6. ontru#si "acho Generator C dengan rotor bergerigi

%.#.#. Pengukuran Keepatan *ara Digital.

Pengukuran kecepatan cara digital dapat dilakukan dengan cara induktif, kapasitif dan optik. Pengukuran dengan cara induksi dilakukan menggunakan rotor   bergerigi, stator dibuat dari kumparan yang dililitkan pada magnet permanen. Keluaran dari sensor ini berupa pulsa)pulsa tegangan. Penggunaan cara ini cukup sederhana, sangat praktis tanpa memerlukan kopling mekanik yang rumit, serta memiliki kehandalan yang tinggi, tetapi kelemahannya tidak dapat digunakan untuk mengukur  kecepatan rendah dan tidak dapat menampilkan arah putaran.

=<

-otor bergigi

Kumparan ?nduktor 

Magnit Permanen

Gambar 2.!7. Sensor ecepatan 'igital "ipe Indu#tor 

7ipe lain sensor kecepatan adalah cara ptik. -otor dibuat dari bahan metal atau  plastik gelap, rotor dibuat berlubang untuk memberi tanda kepada sensor cahaya. $ila diinginkan informasi arah kecepatan, digunakan dua buah sensor yang dipasang  berdekatan. ?nformasi arah gerah dapat diperoleh dengan cara mendeteksi sensor mana yang lebioh dahulu mendapat sinar aktif!. Sensor cahaya sangat peka terhadap  pengotor debu, olej karena itu keselurujan bagian sensor stator dan rotor!

harus

diletakkan pada kemasan tertutup. Kelebihan sensor ini memiliki linearitas yang sangat tinggi untuk daerah jangkauan yang sangat luas. Kelemahannya adalah masih diperlukan adanya kopling mekanik dengan sistem yang di sensor.

Flemen sensor cahaya

Gambar 2.!9. Sensor ecepatan Cara /pti# 

Sensor kecepatan digital lain adalah menggunakan kapsitf, yaitu rotor dibuat dari bahan metal, bentuknya bulat. -otor berputar dengan poros tidak sepusat atau  bergeser kepinggir sedikit. Stator dibuat dari bahan metal dipasang dengan melengkung =A

untuk memperbesar sensiti0itas dari sensor. Ketika rotor diputar maka akan terjadi  perubahan kapasitansi diantara rotor dan stator karena putaran rotor tidak simetris. Penerapan dari sensor ini teruatama jika diperlukan pemasangan sensor kecepatan yang  berada dilingkungan fluida.

?solator 

Sumbu rotor 

Gambar 2.!:. Sensor ecepatan Cara apasitansi.

%.%. $ensor Tekanan !  Presure Sensor "

T 7ransduser tekanan dan gaya load cell! U terdiri dari bahan elastis dan sensor perpindahan displacement! U besaran ukur i! strain atau ii! displacement U pengelompokan: tipe absolute gauge dan diferensial

Gambar 2.!;. Sensor te#anan diafragma3 diafragma tipe datar% 4b5 diafragma bergelombang% 4c5 media #apasistansi T sensor tekanan dengan diafragma reliable, sukar dibuat, reproducible U besaran ukur strain dengan strain gauge atau displacement dengan kapasitansi U pengukuran dengan kapasitansi dalam rangkaian jembatan sangat sensitif dan mahal =C

 U Penempatan dan rangkaian sensor 

T rangkaian jembatan untuk kompensasi temperatur  T resistor sensitif temperatur baik dalam jembatan maupun pada regulator tegangan

Gambar 2.!<. &ang#aian u8i sensor te#anan strain gauge3 4a5 ranga#aian 8embatan tanpa #ompensator% 4b5 ranga#aian 8embatan dengan #ompensator  %.%.1. Transduser Tekanan silikon

U memanfaatkan silikon sebagai bahan strain ukur dan diafragmanya, rangkaian bisa terintegrasi U lebih sensistif dari metal karena strain displacement! dan sifat pie9oresistif muncul  bersamaan U selalu menggunakan = gauge dalam jembatan, masalah yang dihadapi T gauge tidak identik  T sangat sensitif terhadap temperatur  U alternatif solusi: T eksitasi arus

='

T kompensasi tegangan jembatan T kompensasi penguatan amplifier 

!"

Gambar 2.2=. Straingage piezoresistif3 4a5 phisi# peizoresistif straingage% 4b5 #ara#teristi# peizoresistif sg% 4c5 respon temperatur pada #onfigurasi  8embatan U konstruksi sensor tekanan silikon T diafragma dengan proses etsa T strain gauge dengan difusi dopan

Gambar 2.21. Sensor te#anan 8enis diafragma silicon3 4a5 diafragma datar% 4b5 diafragma meling#ar lebih sensitif 

U konstruksi paket sensor tekanan silikon dengan rangkaian kompensasi dan penguat

=&

Gambar 2.2!. Sensor te#anan semi#ondu#tor3 4a5 #onstru#si sensor% 4b5blo# diagram rang#aian sensor 

%.%.#. $ensor Tekanan Tipe /ourdon dan /ello

U besaran ukur perpindahan displacement! memanfaatkan D7, sensor reluktansi) 0ariabel, potensiometer  U kon0ersi tekanan ke perpindahan menggunakan tabung $ourdon atau $ellows

Gambar 2.22. Sensor te#anan tipe lain3 4a5 dan 4b5 tipe 0ourdon% 4c5 dan 4d5 tipe bello+

<6

%.%.%. oad ell

U cara kerja mirip dengan sensor tekanan yaitu mengubah gaya menjadi perpindahan U menggunakan rangkaian jembatan untuk pembacaan, kalibrasi dan kompensasi temperatur  U alternatif lain menggunakan kristal pie9oelektrik untuk mengukur perubahan gaya  U konfigurasi load cell

Gambar 2.26. 0eberapa Contoh onfigurasi )oad Cell 

T Spesifikasi Frror dan Eonlinearitas pada Sensor 

Gambar 2.27. &espon sensor secara umum 4a5 Simpangan dari garis linear 4b5 0entu# sinyal terdefinisi <#

%.'. $ensor )liran
Pengukuran aliran mulai dikenal sejak tahun #C/( ketika "enry Pitot mengatur   jumlah fluida yang mengalir. Dalam pengukuran fluida perlu ditentukan besaran dan 0ektor 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: #. Pengukuran kuantitas Pengukuran ini memberikan petunjuk yang sebanding dengan kuantitas total yang telah mengalir dalam waktu tertentu. 8luida 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 gra0imetri atau pengukuran berat  b. Pengukur 0olumetri untuk cairan c. Pengukur 0olumetri untuk gas (. Pengukuran laju aliran aju aliran  merupakan fungsi luas pipa  dan kecepatan * dari cairan yang mengalir lewat pipa, yakni:  A .* tetapi dalam praktek, kecepatan tidak merata, lebih besar di pusat. Gadi kecepatan terukur rata)rata dari cairan atau gas dapat berbeda dari kecepatan rata)rata sebenarnya. 3ejala ini dapat dikoreksi sebagai berikut:  A ..*  di mana   adalah konstanta untuk pipa tertentu dan menggambarkan hubungan antara kecepatan rata)rata sebenarnya dan kecepatan terukur. Eilai 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: #!

jenis baling)baling defleksi <(

(!

jenis baling)baling rotasi

/!

jenis baling)baling heliks

=!

jenis turbin


pengukur kombinasi

A!

pengukur aliran magnetis

C!

pengukur aliran ultrasonic

'!

pengukur aliran kisaran (orte#s!

&!

pengukur pusaran  s+irl !

 b. Pengukuran laju aliran gas #!

jenis baling)baling defleksi

(!

jenis baling)baling rotasi

/!

jenis termal

/. Pengukuran metoda diferensial tekanan Genis 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  "ukum perpindahan energi !, maka kenaikan energi kinetis ini diperoleh dari energi tekanan yang berubah.. ebih 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 -eynold, dituliskan tanpa dimensi:  & '

=

 ' ρ *   µ 

di mana : D I dimensi penampang arus fluida, biasanya diameter N I kerapatan fluida  I kecepatan fluida V I kecepatan absolut fluida
$atas kecepatan kritisuntuk pipa biasanya berada diantara (666 dan (/66.

Pengukuran aliran metoda ini dapat dilakukan dengan banyak cara misalnya: menggunakan pipa 0enturi, pipa pitot, orifice plat lubang sempit!, turbine flow meter, rotameter, cara thermal, menggunakan bahan radio aktif, elektromagnetik, ultar sonic dan flowmeter gyro. *ara lain dapat dikembangkan sendiri sesuai dengan kebutuhan  proses. >ang dibahas dalam buku ini adalah sensor laju aliran berdasarkan perbedaan tekanan.

%.'.1. $ensor )liran /erdasarkan Perbedaan Tekanan

Metoda ini berdasarkan "ukum $ernoulli yang menyatakan hubungan :

 , # + #(  ρν #

(

 g .h# =  , ( + #(  ρν (

+  ρ .

(

+

ρ . g .h(

dimana: P I tekanan fluida N I masa jenis fluida 0 I kecepatan fulida g I gra0itasi bumi h I tinggi fluida ele0asi!

0(

Gambar 2.29. Eu#um ontiunitas P#

P(

Gika 0#h# dan h ( dibuat sama tingginya maka

 , # + #(  ρν #

(

=

, ( + #( ρν (

(

atau

#  ρ  (

.ν #

(

− ν (

(

! =  , ( + , #h(

h#

Perhatian : -umus diatas hanya berlaku untuk aliran  )aminer% yaitu aliran yang memenuhi prinsip kontinuitas. <=

Pipa pitot, orifice plate, pipa 0enturi dan flow Eo99le menggunakan hukum $ernoulli diatas. Prinsip dasarnya adalah membentuk sedikit perubahan kecepatan dari aliran fluida sehingga diperoleh perubahan tekanan yang dapat diamati. Pengubahan kecepatan aliran fluida dapat dilakukan dengan mengubah diameter pipa, hubungan ini diperoleh dari "ukum kontiunitas aliran fluida. Perhatikan rumus berikut:

 1# . '#

=

 1( .' ( , di mana : 2 I luas penampang pipa,

$ I debit fluida Karena debit fluida berhubungan langsung dengan kecepatan fluida, maka jelas kecepatan fluida dapat diubah dengan cara mengubah diameter pipa.

%.'.1.1. ;rifie Plate

2lat ukur terdiri dari pipa dimana dibagian dalamnya diberi pelat berlubang lebih kecil dari ukuran diameter pipa. Sensor tekanan diletakan disisi pelat bagian inlet P#! dan satu lagi dibagian sisi pelat bagian outlet P (!. Gika terjadi aliran dari inlet ke outlet, maka tekanan P# akan lebih besar dari tekanan outlet P (. Keuntungan utama dari rfice plate ini adalah dari : #. Konstruksi sederhana (. %kuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan. /. "arga pembuatan alat cukup murah =. utput cukup besar  Kerugian menggunakan cara ini adalah : #. Gika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut akan terkumpul pada bagian pelat disisi inlet. (. Gangkauan pengukuran sangat rendah /. Dimungkinkan terjadinya aliran "urbulen  sehingga menyebabkan kesalahan  pengukuran jadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran )aminer. =. 7idak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang  bertekanan rendah.

<<

P(

P#

Gambar 2.2:. /rifice ,late

Gumlah fluida yang mengalir per satuan waktu  m/Bdt! adalah : I

=

2liran fluida ( g   1(  , #  ρ 

−

 , ( P# W P(

di mana : R I jumlah fluida yang mengalir  m/Bdt! K I konstanta pipa 2( I luas penampang pipa sempit P I tekanan fluida pada pipa # dan ( N I masa jenis fluida g I gra0itasi bumi  -umus ini juga berlaku untuk pipa 0enturi

%.'.1.#. Pipa 4enturi

$entuk lain dari pengukuran aliran dengan beda tekanan adalah pipa 0enture. Pada pipa 0enture, pemercepat aliran fluida dilakukan dengan cara membentuk corong sehingga aliran masih dapat dijaga agar tetap laminar. Sensor tekana pertama P#! diletakkan pada sudut tekanan pertama dan sensor tekanan kedua diletakkan pada  bagian yang plaing menjorok ke tengah. Pipa 0enturi biasa dipergunakan untuk  mengukur aliran cairan. Keuntungan dari pipa 0enturi adalah: #.Partikel padatan masih melewati alat ukur  (. Kapasitas aliran cukup besar  /. Pengukuran tekana lebih baik dibandingkan orifice plate.


=. 7ahan terhadapa gesakan fluida. Kerugiannya adalah: #. %kuiran menjadi lebih besar  (. ebih mahal dari orifice plate /. $eda tekanan yang ditimbulkan menjadi lebih kecil dari orifice plate.

P#

P(

Gambar 2.2;. ,ipa *enturi

%.'.1.%.
7ipe 8low Eo99le menggunakan sebuah corong yang diletakkan diantara 8luida sambungan pipa sensor tekanan P #  dibagian inlet dan P ( dibagian outlet. 7ekanan P ( P# W P(

lebih kecil dibandingkan P #. Sensor jenis ini memiliki keunggulan diabnding 0enture dan orifice plate yaitu: #. Masih dapat melewatkan padatan (. Kapasitas aliran cukup besar  /. Mudah dalam pemasangan =. 7ahan terhadap gesekan fluida <. $eda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa 0enturi A. "asil beda tekanan cukup baik karena aliran masih laminer  P#

P(

P# W P( 2liran fluida

Gambar 2.2<. Flo+ ozzle


%.'.1.'. Pipa Pitot

Konstruksi pipa ini adalah berupa pipa biasa sedang di bagian tengah pipa diselipkan pipa kecil yang dibengkokkan ke arah inlet. Genis pipa ini jarang dipergunakan di industri karena dengan adanya pipa kecil di bagian tengah akan menyebabkan benturan yang sangat kuat terhadap aliran fluida. 2lat ini hanya dipergunakan untuk mengukur aliran fluida yang sangat lambat. P#

P(

P# W P( 2liran fluida

Gambar 2.6=. ,ipa ,itot 

%.'.1.(. otameter

-otameter terdiridari tabung 0ertikal dengan lubang gerak di mana kedudukan  pelampung dianggap 0ertical sesuai dengan laju aliran melalui tabung 3ambar /.=#!. %ntuk laju aliran yang diketahui, pelampung tetap  stasioner   karena gaya 0ertical dari tekanan diferensial, gra0itasi, kekentalan, dan gaya)apung akan berimbang. Gadi kemampuan menyeimbangkan diri dari pelampung yang digantung dengan kawat dan tergantung pada luas dapat ditentukan. 3aya kebawah gra0itasi dikurangi gaya apung! adalah konstan dan demikian pula gaya keatas penurunan tekanan dikalikan luas  pelampung! juga harus konstan. Dengan mengasumsikan aliran non kompresif, hasilnya adalah sebagai berikut:



atau Di mana,

=

C  1t  # − P 1t 

−  1 f   !

−  1 f   ! B  1t  ; (

I =    1t  −  1 f  !+ C  dan

 ?  f   − ?  ff         1 f   − ?  ff        

( g* t  

P 1t  −  1 f  ! 1t  !; (

R I laju aliran 0olume * I koefisien pengosongan 2t I luas tabung 2f  I luas pelampung f  I 0olume pelampung f  I berat jenisgelas pelampung 7abung ff I berat jenis fluida yang mengalir 

utlet

Pelampung

 x ?nlet

 8auh lebih #ecil 

<'

Gambar 2.61. &otameter 

Pelampung dapat dibuat dari berbagai bahan untuk mendapatkan beda kerapatan yang diperlukan  f )ff ! untuk mengukur cairan atau gas tertentu. 7abung sering dibuat dari gelas berkekuatan tinggi sehingga dapat dilakukan pengamatan langsung terhadap kedudukan pelampung.

%.'.#. *ara-ara Thermal

*ara)cara thermal biasanya dipergunakan untuk mengukur aliran udara. Pengukuran dengan menggunakan carathermal dapat dilakukan dengan cara)cara : 

2nemometer kawat panas



7eknik perambatan panas



7eknik penggetaran

%.'.#.1. )nemometer Kaat Panas

Metoda ini cukup sederhana yaitu dengan menggunakan kawat yang dipanaskan oleh aliran listrik, arus yang mengalir pada kawat dibuat tetap konstan menggunakan sumber arus konstan. Gika ada aliran udara, maka kawat akan mendingin seperti kita meniup lilin! dengan mendinginnya kawat, maka resistansi kawat menurun. Karena dipergunakan sumber arus konstan, maka kita dapat menyensor tegangan pada ujung) ujung kawat. Sensor jenis ini memiliki sensiti0itas sangat baik untuk menyensor aliran gas yang lambat. Eamun sayangnya penginstalasian keseluruhan sensor tergolong sulit.

Disini berlaku rumus :

 I  ( & +

=   c hc 1( " + − " t  ) <&

di mana : ?

I arus kawat

-w I resistansi kawat Kc I faktor kon0ersi, panas ke daya listrik  7w I temperatur kawat 7t I temperatur fluida yang mengalir  "c I koefisien film pelapis! dari perpindahan panas 2

I luas perpindahan panas

Gambar 2.6!. ontru#si nemometer a+at ,anas

%.'.#.#. Perambatan Panas

Pada teknik perambatan panas, pemanas dipasang pada bagian luar pipa, pipa tersebut terbuat dari bahan logam. Di kiri dan kanan pemanas, dipasang bahan isolator  a! tertutup b! terbuka  panas, dan pada isolator ini dipasang sensor suhu. $ila udaramengalir dari kiri ke kanan, maka suhu disebelah kiri akan terasa lebih dingin dibanding suhu sebelah kanan.

Sensor suhu

Sensor suhu Flemen pemanas

Gambar 2.62. Flo+meter &ambatan ,anas

2liran fluida

7#

7(

7# X 7( A6

Sensor suhu yang digunakan dapat berupa sensor resistif tetapi yang biasa terpasang adalah thermokopel karena memiliki respon suhu yang cepat. Sensor aliran  perambatan panas tipe lama, memanaskan seluruh bagian dari saluran udara, sehingga dibutuhkan pemanas sampai puluhan kilowatt, untuk mengurangi daya panas tersebut digunakan tipe baru dengan membelokkan sebagian kecil udara kedalam sensor.

%.'.%.
7eknik pengukuran aliran dengan radio aktif adalah dengan menembakkan  partikel netron dari sebuah pemancar radio aktif. Pada jarak tertentu kea rah outlet, dipasang detector. $ila terjadi aliran, maka akan terdeteksi adanya partikel radio aktif,  jumlah partikel yang terdeteksi pada selang tertentu akan sebanding dengan kecepatan aliran fluida. 7eknik lain yang masih menggunakan teknik radio aktif adalah dengan cara mencampurkan bahan radio aktif kedalam fluida kemudian pada bagian)bagian tertentu dipasang detector. 7eknik ini dilakukan bila terjadi kesulitan mengukur misalnya karena  bahan aliran terdiri dari 9at yang berada pada berbagai fase. 7eknik radio aktif ini juga biaa dipergunakan pada pengobatan yaitu mencari posisi  pembuluh darah yang macet bagi penderita kelumpuhan.

Sumber radiasi netron

Gambar 2.66. Flo+meter Cara &adiasi u#lir 

2liran

%.'.'.
A#

8lowmeter jenis ini biasa digunakan untuk mengukur aliran cairan elektrolit. 8lowmeter ini menggunakan prinsip Ffek "all, dua buah gulungan kawat tembaga dengan inti besi dipasang pada pipa agar membangkitkan medan magnetik. Dua buah elektroda dipasang pada bagian dalam pipa dengan posisi tegak lurus arus medan magnet dan tegak lurus terhadap aliran fluida. $ila terjadi aliran fluida, maka ion)ion posistif dan ion)ino negatif membelok ke arah elektroda. Dengan demikian terjadi beda tegangan pada elektroda)elektrodanya. %ntuk menghindari adanya elektrolisa terhadap larutan, dapat digunakan arus 2* sebagai pembangkit medan magnet.

intasan ion positif  Medan magnet arah meninggalkan kita

J

Gambar 2.67. ,rinsip ,engu#uran liran mengguna#an $fe# Eall  2liran fluida

Flektroda logam

%.'.(.
 Y  8lowmeter ini menggunakan 29as Doppler.Dua pasang ultrasonic transduser  intasan ion negatif 

dipasang pada posisi diagonal dari pipa, keduanya dipasang dibagian tepi dari pipa, untuk menghindari kerusakan sensor dantyransmitter, permukaan sensor dihalangi oleh membran. Perbedaan lintasan terjadi karena adanya aliran fluida yang menyebabkan  pwerubahan phase pada sinyal yang diterima sensor ultrasonic

A(

%ltra sonic 71 ) -1

Gambar 2.69. Sensor liran Fluida Mengguna#an Kltrasonic

%.(. $ensor e7el

Pengukuran le0el dapat dilakukan%ltra dengan sonic bermacam cara antara lain dengan: 71 ) -1

 pelampung atau displacer, gelombang udara, resistansi, kapasitif, ultra sonic, optic, thermal, tekanan, sensor permukaan dan radiasi. Pemilihan sensor yang tepat tergantung  pada situasi dan kondisi sistem yang akan di sensor.

%.(.1. >enggunakan Pelampung

*ara yang paling sederhana dalam penyensor le0el cairan adalah dengan menggunakan pelampung yang diberi gagang. Pembacaan dapat dilakukan dengan memasang sensor posisi misalnya potensiometer  pada bagian engsel gagang  pelampung. *ara ini cukup baik diterapkan untuk tanki)tanki air yang tidak terlalu tinggi.

Potensiometer 

3agang Pelampung

Gambar 2.6:. Sensor )e(el Mengguna#an ,elampung 

∆h

A/ *airan

%.(.#. >enggunakan Tekanan

%ntuk mengukur le0el cairan dapat pula dilakukan menggunakan sensor tekanan yang dipasang di bagian dasar dari tabung. *ara ini cukup praktis, akan tetapi ketelitiannya sangat tergantung dari berat jenis dan suhu cairan sehingga kemungkinan kesalahan pembacaan cukup besar. Sedikit modifikasi dari cara diatas adalah dengan cara mencelupkan pipa berisi udara kedalam cairan. 7ekanan udara didalam tabung diukur menggunakan sensor  tekanan, cara ini memanfaatkan hukum Pascal. Kesalahan akibat perubahan berat jenis cairan dan suhu tetap tidak dapat diatasi.

*airan dengan  berat jenis Sensor diketahui dan 7ekanan Gambar tetap 2.6;. Sensor )e(el Mengguna#an Sensor "e#anan

%.(.%. >enggunakan *ara Thermal

7eknik ini didasarkan pada fakta penyerapan kalor oleh cairan lebih tinggi dibandingkan penyerapan kalor oleh uapnya, sehingga bagian yang tercelup akan lebih dingin dibandingkan bagian yang tidak tercelup. Kontruksi dasar sensor adalah terdidiri dari sebuah elemen pemanas dibentuk berliku)liku dan sebuah pemanas lain dibentuk  tetap lurus. Dua buah sensor diletakkan berhadapan dengan bagian tegakdari pemanas, sebuah sensor tambahan harus diletakkan selalu berada dalam cairan yang berfungsi untuk pembanding. Kedua sensor yang berhadapan dengan pemanas digerakkan oleh sebuah aktuator secara perlahan)lahan dengan perintah naik atau turun secara bertahap. Mula)mula sensor diletakkan pada bagian paling atas, selanjutnya sensor suhu digerakkan ke bawah perlahan)lahan, setiap terdeteksi adanya perubahan suhu pada A=

sensor yang berhadapan pada pemanas berliku, maka dilakukan penambahan  pencacahan terhadap pencacah elektronik. Pada saat sensor yang berhadapan dengan  pemanas lurus mendeteksi adanya perubahan dari panas ke dingin, maka hasil  pencacahan ditampilkan pada peraga. Sensor le0el cairan dengan cara thermal ini biasanya digunakan pada tanki)tanki  boiler, karena selain sebagai sensor le0el cairan, juga dapat dipergunakan untuk  mendeteksi gradien perubahan suhu dalam cairan.

Sensor suhu pendeteksi  permukaan

Switch pendeteksi  batas atas

e0el air yang disensor 

Sensor suhu pendeteksi  posisi

Kawat pemanas  pendeteksi permukaan

Sensor suhu digerakan turun naik 

Sensor suhu untuk  pembanding

Kawat pemanas  pendeteksi posisi

Gambar 2.6<. "e#ni# ,enyensoran )e(el Cairan Cara "hermal 

$atas atas Sensor posisi

J# )#

-eset

Pencacah 2rah motor  Sensor permukaan

2mbil data dari pencacah

Peraga B Display

Gambar 2.7=. 0lo# 'iagram ,engolahan dan ,endisplayan Sensor )e(el  Mengguna#an Cara "hermal 

A<

%.(.'. >enggunakan *ara ;ptik 

Pengukuran le0el menggunakan optic didasarkan atas sifat pantulanpermukaan atau pembiasan sinar dari cairan yang disensor. 2da beberapa carayang dapat digunakan untuk penyensoran menggunakan optic yaitu: #. Menggunakan sinar laser  (. Menggunakan prisma /. Menggunakan fiber optik 

%.(.'.1. >enggunakan $inar aser

Sinar laser dari sebuah sumber sinar diarahkan ke permukaan cairan, kemudian  pantulannya dideteksi menggunakan detector sinar laser. Posisi pemancar dan detector  sinar laser harus berada pada bidang yang sama. Detektor dan umber sinar laser diputar. Detektor diarahkan agar selalu berada pada posisi menerima sinar. Gika sinar yang datang diterima oleh detektor, maka le0el permukaan cairan dapat diketahui dngan menghitung posisi)posisi sudut dari sudut detektor dan sudut pemancar. Pemancar 

Penerima

Sinar laser 

Gambar 2.71. Sensor )e(el mengguna#an Sinar )aser 

%.(.'.#. >enggunakan Prisma

7eknik ini memanfaatkan harga yang berdekatan antara inde1 bias air dengan inde1 bias gelas. Sifat pantulan dari permukaan prisma akan menurun bila prisma dicelupkan kedalam air. Prisma yang digunakan adalah prisma bersudut =< dan &6 derajat. Sinar diarahkan ke prisma, bila prisma ditempatkan di udara, sinar akan dipantulkan kembali setelah melewati permukaan bawah prisma. Gika prisma AA

ditempatkan di air, maka sinar yang dikirim tidak dipantulkan akan tetapi dibiaskan oleh air, Dengan demikian prisma ini dapat digunakan sebagai pengganti pelampung. Keuntungan yang diperoleh ialah dapat mereduksi ukuran sensor.

7ransmitter 

-ecie0er 

7ransmitter 

-ecie0er 

air  Prisma di udara

Prisma di air 

Gambar 2.7!. Sensor )e(el mengguna#an ,risma

%.(.'.%. >enggunakan
7eknik ini tidak jauh berbeda dengan teknik penyensoran permukaan air  menggunakan prisma, yaitu menggunakan prinsip pemantulan dan pembiasan sinar. Gika fiber optic diletakan di udara, sinar yang dimasukan ke fiber optic dipantulkan oleh dinding fiber optic, sedangkan bila fiber optic telanjang dimasukan ke air, maka dinding fiber optic tidak lagi memantulkan sinar 

Galan sinar dalam serat optic Sinar dipantulkan oleh dinding serat optik  7ransmitter

-ecei0er

7ransmitter

-ecei0er

8iber optic telanjang

air 

AC

Gambar 2.72. Sensor )e(el mengguna#an Serat /pti# 

*ontoh $oal+

#. Sebutkan beberapa macam sensor mekanik yang anda ketahui (. Gelaskan cara kerja straingauge yang digunakan sebagai sensor posisi /. 2da berapa macam tachogenerator yang dapat digunakan sebagai sensor kecepatan =. Sebutkan beberapa jenis sensor tekanan yang anda ketahui <. Pipa 0enturi dapat digunakan sebagai sensor aliran bagaimana caranya A. 2da berapa cara dapat dilakukan untuk penyensoran le0el cairan.

&aab+

#. Sensor mekanik antara lain: sensor posisi, sensor kecepatan, sensor tekanan, sensor  aliran dan sensor le0el (. Straingauge adalah sensor posisi yang terbuat dari elemen kawat tahanan. $ekerja  berdasarkan perubahan panjang dari kawat tahanan akibat tekanan atau regangan. Perubahan panjang menyebakan perubahan nilai tahanan yang dimanfaatkan sebagai sensor. /. 7achogenerator berfungsi sebagai sensor kecepatan ada / macam yaitu: tg D*, tg 2* dan tg 2* bergerigi =. Sensor tekanan adalah: #; 7ransduser 7ekanan silicon, (; Sensor 7ekanan 7ipe $ourdon dan $ellow dan /; oad cell <. *ara kerja pipa 0enturi sebagai sensor aliran berdasarkan perbedaan tekanan P # dan P( yang dipasang pada pipa. P#

P(

2liran 8luida P# W P(

A. 2da = cara yaitu : menggunakan pelampung, tekanan, thermal dan optik  A'

atihan+

#. Gelaskan cara kerja D7 yang digunakan sebagai sensor posisi. (. -ancanglah sebuah sistem kontrol le0el cairan yang menggunakan potensiometer sebagai sensor. /. Dapatkah sensor ultrasonic digunakan untuk mengukur kedalaman laut@ Gelaskan

Kegiatan +

) Diskusi kelompok yaitu merancang sistem kendali dengan memanfaatkan sensor  posisi, sensor thermal, sensor mekanik dan sensor aliran fluida. $uat laporkan hasil diskusi kelompok masing)masing.

angkuman.

Pada bab ini mempelajari tentang sensor posisi, sensor kecepatan, sensor  tekanan, sensor aliran fluida dan sensor le0el yang banyak ditemui dalam kehidupan nyata dilapangan atau industri.

 Review

+

#. Sebutkan contoh)contoh dari sensor posisi atau displacement. (. Sebutkan beberapa contoh sensor kecepatan /. Gelaskan salah satu prinsip operasi dari sensor tekanan =. Sensor mana yang tepat dan sesuai digunakan sebagai pengontrol aliran fluida laminer  <. 2pakah sinar 2SF- dapat digunakan sebagai sensor le0el @ Gelaskan.

A&

Bab 4 Sensor Cahaya

Tujuan Umum

Setelah selesai mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat mengetahui tentang spektrum warna gelombang elektromagnetis dan memanfaatkannya untuk  sistem pengontrolan berbagai plant industr dengan baik 

Tujuan Khusus

Setelah mempelajari topik demi

topik dalam bab ini mahasiswa mengerti

tentang : #. Karakteristik di0ais elektrooptis dengan baik  (. $ermacam jenis sensor cahaya dan memanfaatkannya untuk keperluan kontrol industri dengan baik. /. -angkaian)rangakaian aplikasi sensor cahaya untuk teknik pengukuran, pengontrolan dan teknik kompensasi dengan baik.

Pendahuluan

Flemen)elemen sensiti0e cahaya merupakan alat terandalkan untuk mendeteksi energi cahaya. 2lat ini melebihi sensiti0itas mata manusia terhadap semua spectrum warna dan juga bekerja dalam daerah)daerah ultra0iolet dan infra merah. Fnergi cahaya bila diolah dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik kompensasi. Penggunaan praktis alat sensitif cahaya ditemukan dalam berbagai pemakaian teknik seperti halnya : 

7abung cahaya atau fototabung 0akum (accum type phototubes!, paling menguntungkan digunakan dalam pemakaian yang memerlukan pengamatan pulsa cahaya yang waktunya singkat, atau cahaya yang dimodulasi pada frekuensi yang relati0e tinggi.

C6



7abung cahaya gas  gas type phototubes!, digunakan dalam industri gambar hidup sebagai pengindra suara pada film.



7abung cahaya

pengali

atau pemfotodarap

multiplier phottubes!, dengan

kemampuan penguatan yang sangat tinggi, sangat banyak digunakan pada  pengukuran fotoelektrik dan alat)alat kontrol dan juga sebagai alat cacah kelipan  scientillation counter !. 

Sel)sel fotokonduktif  photoconducti(e cell !, juga disebut tahanan cahaya  photo resistor ! atau tahanan yang bergantung cahaya  )'&-light dependent resistor !, dipakai luas dalam industri dan penerapan pengontrloan di laboratorium.



Sel)sel foto tegangan  photo(oltatic cells!, adalah alat semikonduktor untuk  mengubah energi radiasi daya listrik. *ontoh yang sangat baik adalah sel matahari  solar cell ! yang digunakan dalam teknik ruang angkasa.

'.1. Di7ais 0lektrooptis

*ahaya merupakan gelombang elektromagnetis FM! yang memiliki spectrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. "ubungan spektrum optis dan energi dapat dilihat pada formula dan gambar berikut. Fnergi photon Fp! setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah: ?p

= hf   =

hc λ 

Dimana : p I energi photon e! h I konstanta PlanckZs A,A/ 1 #6 )/= G)s! c I kecepatan cahaya, Flectro Magnetic (,&&' 1 #6 ' mBs! [ I panjang gelombang m! f I frekuensi "9!

8rekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat elektron  berpindah tingkat energinya. Spektrum gelombang optis diperlihatkan pada gambar   berikut, spektrum warna cahaya terdiri dari ultra (iolet  dengan panjang gelombang (66 sampai =66 nanometer nm!, 0isible adalah spektrum warna cahaya yang dapat dilihat oleh mata dengan panjang gelombang =66 sampai '66 nm yaitu warna 0iolet, hijau dan

C#

merah, sedangkan spektrum warna infrared   mulai dari '66 sampai #A66 nm adalah warna cahaya dengan frekuensi terpendek.    t   e    l   o    i    

%ltra0iolet

(66

  n   e   e   r    d   e    3    -

isible

=66

?nfrared

#A66

'66

a0elength, nm =

( Photon energy, e

#

Gambar 6.1. Spe#trum Gelombang $M 

Densitas daya spektral cahaya adalah:

Gambar 6.!. ur(a /utput Sinyal /ptis

$umber-sumber energi photon+

$ahan)bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain mata hari adalah antara lain: 

?ncandescent amp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu flashlight.



Fnergi 2tom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari 0alensi energi # ke le0el energi berikutnya.

C(



8luorescense, yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan fluorescence yang terkena cahaya tajam. Seperti ayar sciloskop



Sinar 2SF- adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk sebagai cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic cahaya tunggal atau membentuk garis lurus! % coherent cahaya seragam dari sumber sampai ke beban sama! % dan di(ergence simpangan sangat kecil yaitu 6,66# radians!.

'.#. Photo $emikonduktor

Di0ais photo semikonduktor memanfaatkan efek kuantum pada  8unction, energi yang diterima oleh elektron yang memungkinkan elektron pindah dari ban 0alensi ke  ban konduksi pada kondisi bias mundur. $ahan semikonduktor seperti 3ermanium 3e! dan Silikon Si! mempunyai =  buah electron 0alensi, masing)masing electron dalam atom saling terikat sehingga electron 0alensi genap menjadi ' untuk setiap atom, itulah sebabnya kristal silicon memiliki kondukti0itas listrik yang rendah, karena setiap electron terikan oleh atom) atom yang berada disekelilingnya. %ntuk membentuk semikonduktor tipe P pada bahan tersebut disisipkan pengotor dari unsure golongan ???, sehingga bahan tersebut menjadi lebih bermuatan positif, karena terjadi kekosongan electron pada struktur kristalnya. $ila semikonduktor jenis E disinari cahaya, maka elektron yang tidak terikat  pada struktur kristal akan mudah lepas. Kemudian bila dihubungkan semikonduktor   jenis P dan jenis E dan kemudian disinari cahaya, maka akan terjadi beda tegangan diantara kedua bahan tersebut. $eda potensial pada bahan ilikon umumnya berkisar  antara 6,A 0olt sampai 6,' 0olt.

a!

b!

C/

c! Gambar 6.2. onstru#si 'ioda Foto 4a5 8unction harus de#at permu#aan 4b5 lensa untu# memfo#us#an cahaya 4c5 rang#aian dioda foto

2da beberapa karakteristik dioda foto yang perlu diketahui antara lain: 

2rus bergantung linier pada intensitas cahaya



-espons frekuensi bergantung pada bahan Si &66nm, 3a2s #<66nm, 3e (666nm!



Digunakan sebagai sumber arus





 >unction capacitance turun menurut tegangan bias mundurnya Gunction capacitance menentukan respons frekuensi arus yang diperoleh

C=

Gambar 6.6. ara#teristi# 'ioda Foto 4a5 intensitas cahaya 4b5 pan8ang gelombang   4c5 re(erse (oltage (s arus dan 4d5 re(erse (oltage (s #apasitansi

? angkaian pengubah arus ke tegangan

%ntuk mendapatkan perubahan arus ke tegangan yang dapat dimanfaatkan maka dapat dibuat gambar rangkaian seperti berikut yaitu dengan memasangkan resistor dan op)amp jenis field effect transistor.

Gambar 6.7. &ang#aian pengubah arus #e tegangan

'.%. Photo Transistor

Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai sensor cahaya. 7eknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto dengan tr ansistor foto dalam satu rangkain. U Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas foto U Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip

C<

U 7ransistor sebagai penguat arus U inieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto

   !    2   m        t   n   e   r   r   u    *   r   o    t   c   e    l    l   o    *

(' ?ntensity Bm(!

(6

=6 #(

/6

'

(6

=

#6

Gambar 6.9. ara#teristi# ( = transistor A ' foto% #6 4a5#(sampai #= 4d5 #A rang#aian u8i transistor foto *ollector)Fmitter oltage

'.'. $el Photo7oltaik 

Ffek sel photo0oltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. ogam)logam yang tergolong golongan # pada sistem  periodik unsur)unsur seperti ithium, Eatrium, Kalium, dan *essium sangat mudah melepaskan elektron 0alensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron 0alensilogam) logam tersebut juga mudah lepas olehadanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Diantara logam)logam diatas *essium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya, sehingga la9im digunakan sebagai foto detektor.

CA

7egangan yang dihasilan oleh sensor foto 0oltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya sesuai konstanta Plank F I h.f!. Semakin kearah warna cahaya biru, makin tinggi tegangan yang dihasilkan. 7ingginya intensitas listrik akan  berpengaruh terhadap arus listrik. $ila foto 0oltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan adalah tergantung dari intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor.

Sinar datang Katoda dari 2noda dari Selenium6.:. ,embang#itan tegangan pada Foto *essium Gambar (olati# 

$erikut karakteristik dari foto 0oltaik berdasarkan hubungan antara intensitas ) Flectron keluar J permukaan cahaya dengan arus dan tegangan dari yang dihasilkan. 7abung 7egangan keluaran

"ampa

CC

Gambar 6.;. 4a5 L 4b5 ara#teristi# Intensitas (s rus dan "egangan  dan 4c5 &anga#ain penguat tegangan. '.(. ight 0mitting Diode !0D"

U Prinsip kerja kebalikan dari dioda foto U arna panjang gelombang! ditentukan oleh band)gap U ?ntensitas cahaya hasil berbanding lurus dengan arus U Eon linieritas tampak pada arus rendah dan tinggi U Pemanasan sendiri self heating ! menurunkan efisiensi pada arus tinggi

C'

Gambar 6.<. ara#teristi# )$'

 ? Karakteristik )rus Tegangan

U Mirip dengan dioda biasa U *ahaya biru nampak pada tegangan #,= U (,C 0olt U 7egangan threshold dan energi foton naik menurut energi band)gap C&

U Gunction mengalami kerusakan pada tegangan / 0olt U 3unakan resistor seri untuk membatasi arusBtegangan

'.. Photosel

 U Konduktansi sebagai fungsi intensitas cahaya masuk  U -esistansi berkisar dari #6M gelap! hingga #6 terang! U aktu respons lambat hingga #6ms U Sensiti0itas dan stabilitas tidak sebaik dioda foto U %ntuk ukuran besar lebih murah dari sel foto0oltaik  U Digunakan karena biaya murah

Gambar 6.1=. onstru#si dan ara#teristi# Fotosel

'.6. Photomultiplier

U Memanfaatkan efek fotoelektrik  U 8oton dengan nergi lebih tinggi dari +or#function melepaskan elektron dari  permukaan katoda '6

 U Flektron dikumpulkan dipercepat! oleh anoda dengan tegangan tinggi! U Multiplikasi arus elektron! diperoleh dengan dynode bertingkat U Katoda dibuat dari bahan semi transparan

Gambar 6.11. onstru#si ,hotomultiplier

? angkaian untuk Photomultiplier

U Perbedaan tegangan tinggi! tegangan katoda negatif! dan dynodepositif! U $eban resistor terhubung pada dynoda U *ommon ground! dihubungkan dengan terminal tegangan positif catu daya U -angkaian ko0erter arus)tegangan dapat digunakan U Dioda ditempatkan sebagai surge protection

Gambar 6.1!. &ang#aian $#i(alen dan u8i ,hotomultiplier

'#

T Pemanfaatan U Sangat sensitif, dapat digunakan sebagai penghitung pulsa U Pada beban resistansi rendah <6)#666 , lebar pulsa tipikal <)<6 ns U 3unakan peak detektor untuk mengukur tingat energi

T Kerugian U Mudah rusak bila terekspos pada cahaya berlebih terlalu sensitif! U Perlu catu tegangan tinggi U Mahal

 '.8. ensa Dioda Photo

 U ensa dimanfaatkan untuk memfokuskan atau menyebarkan cahaya U ensa detektor cahaya sebaiknya ditempatkan dalam selonsong dengan filter sehingga hanya menerima cahaya pada satu arah dan panjang gelombang tertentu saja misal menghindari cahaya lampu 7 dan sinar matahari! U 3unakan modulasi bila interferensi tinggi dan tidak diperlukan sensiti0itas tinggi

Gambar 6.12. ontru#si dan #ara#teristi# lensa dioda foto

'.:. Pyrometer ;ptis dan Detektor adiasi Thermal

U Salah satu sensor radiasi elektro magnetik: flowmeter  U -adiasi dikumpulkan dengan lensa untuk diserap pada bahan penyerap radiasi

'(

U Fnergi yang terserap menyebabkan pemanasan pada bahan yang kemudian diukur temperaturnya menggunakan thermistor, termokopel dsb U Sensiti0itas dan respons waktu buruk, akurasi baik karena mudah dikalibrasi dengan pembanding panas standar dari resistor! U ensa dapat digantikan dengan cermin

Gambar 6.16. Instalasi ,yrole#tri# 

U Detektor sejenis: film pyroelektrik  U Dari bahan sejenis pie9oelektrik yang menghasilkan tegangan akibat pemanasan U "anya ber)respons pada perubahan bukan D* U Pirometer optik dapat diguanakanuntuk mengukur atau mendeteksi totalradiation dan monochromatic radiation. '.1@. 2solasi ;ptis dan Transmiter-eei7er serat optik 

U *ahaya dari FD dan diterima oleh dioda foto digunakan sebagai pembawa informasi menggantikan arus listrik  U Keuntungan: isolasi listrik antara dua rangkaian tegangan tembus hingga /k! U Dimanfaatkan untuk safety dan pada rangkaian berbeda ground U "ubungan input)output cukup linier, respons frekuensi hingga di atas # M"9

Gambar 6.17. ontru#si dan #ara#teristi# lensa dioda foto

'/

? angkaian untuk isolasi elektrik 

U Dri0er: kon0erter tegangan ke arus, recei0er: kon0erter arus ke tegangan U "anya sinyal positif yang ditransmisikan U Dioda dan resistor digunakan untuk membatasi arus U Penguatan keseluruhan bergantung temperatur tidak ada umpan balik!  U %ntuk komunikasi dengan serat optik media antara FD dan dioda foto dihubungan dengan serat optik

Gambar 6.19. &ang#aian isolasi ele#tri# mengguna#an serat opti#

'.11. Display Digital dengan 0D

U Paling umum berupa peraga C segmen dan peraga heksadesimal , masing)masing segmen dibuat dari FD

'=

U "ubungan antar segmen tersedai dalam anoda atau katoda bersama common anode atau common cathode! U -esistor digunakan sebagai pembatas arus #66)=C6  U 7ersedia pula dengan dekoder terintegrasi

Gambar 6.1:. Se(en segment dan rang#aian u8i

Gambar 6.1;. )$' bar display pengganti *K meter pada amplifier 

? Peraga )rus dan Tegangan Tinggi

'<

U Peraga C segmen berupa gas discharge, neon atau lampu pijar  U *ara penggunaan mirip dengan peraga C segmen FD tetapi tegangan yang digunakan tinggi U %ntuk neon dan lampu pijar dapat digunakan transistor dan resistor untuk  membatasi arusnya U %ntuk lampu pijar arus kecil diberikan pada saat off untuk mengurangi daya  penyalaan yang tinggi U acuum fluorecent display 8D! menggunakan tegangan #<)/< 0olt di atas tegangan filament U %ntuk FD dengan arus tinggi dapat digunakan dri0er open collector yang umunya  berupa current sin# 

Gambar 6.1<. Se(en segment neon mengguna#an tegangan tinggi

'.1#. iAuid *rystal Display !*D"

U Menggunakan molekul asimetrik dalam cairan organic transparan U rientasi molekul diatur dengan medan listrik eksternal

'A

U ,olarizer membatasi cahaya lewat hanya untuk polarisasi optik tertentu saja, cahaya ini dapat kembali lolos setelah dipantulkan bila polarisasinya tidak berubah U Medan listrik pada liJuid crystal mengubah polarisasi &6 o, sehingga pantulan tidak  dapat melewati polarizer tampak gelap!.

Gambar 6.!=. ontru#si )iJuid Crystal 'isplay 4)C'5 U 7egangan pembentuk medan listrik dibuat intermiten untuk memperpanjang umur  pemakaian

Gambar 6.!1. &ang#aian u8i )iJuid Crystal 'isplay 4)C'5

*ontoh $oal

#. Sebuah sumber gelombang mikro menghasilkan pulsa radiasi # 3"9 dan total energi # Goule. 7entukan berapa energi per photon dihasilkan, dan jumlah photon dalam  pulsa. Gawab: a!

Fnergi per photon : p I h.f G! p I A,A/ 1 #6 )/= GBs! #6&Bs! 'C

I A,A/ 1 #6 )(< G b!

Gumlah photon :  .   . 

=

=

?  ?p

# >  A.A/ x#6

−

(<

 >  B  photon

=

#,< x#6 (=  photons

(. 2pa yang dimaksud dengan spektrum warna yang 0isible. Gawab: Spektrum warna gelombang FM cahaya! yang 0isible adalah spektrum warna cahaya yang dapat dilihat oleh mata biasa, warna ini berada pada daerah panjang gelombang  λ  !

I <66 nm dengan energi photon (,=' e.

   t   e    l   o    i    

%ltra0iolet

(66

  n   e    d   e   r   e    3    -

isible

=66

?nfrared

#A66

'66

a0elength, nm =

( Photon energy, e

#

/. Sebutkan beberapa buah contoh sensor cahaya yang anda ketahui Gawab: Sensor cahaya antara lain: Dioda foto, transistor foto, foto cell, photo0olatik, photo multiplier, FD, D-, pirometer optik 

=. $agaimana merubah arus menjadi tegangan pada sensor dioda foto Gawab: -angkaian untuk merobah arus menjadi tegangan pada dioda foto adalah:

''

*o

=  & (  x*s  &#

<. 2pa kekurangan yang ada pada photomultiplier  Gawab: T Kerugian U Mudah rusak bila terekspos pada cahaya berlebih terlalu sensitif! U Perlu catu tegangan tinggi U Mahal

atihan

#. 2pa kelebihan foto transistor dibandingkan foto dioda, jelaskan (. $agaimana proses perubahan energi cahaya menjadi energi listrik pada  photomultiplier, jelaskan /. 2pa yang dimaksud dengan pirometer optik  =. 2pakah fiber optic dapat digunakan sebagai saluran energi photon dari sumber ke  beban,jelaskan

Kegiatan

Diskusikan bersama kelompok masing untuk merancang suatu sistem kendali menggunakan photon energi sebagai input kendali. Selanjutnya buat laoprannya.

angkuman

Pada bab sensor cahaya ini dipelajari tentang+ di0ais elektrooptis, Dioda 8oto, 7ransistor 8oto, Sel 8oto0oltaik, ight Fmitting Diode FD!, 8otosel Semikonduktor, Photomultiplier, ensa Dioda 8oto, Pirometer ptis dan Detektor -adiasi 7hermal,

'&