Sistem Instrumentasi Elektronik Penggunaan instrumentasi elektronik baik yang sederhana maupun yang otomatis/modern, telah banyak digunakan dalam pengamatan meteorologi dan geofisika oleh BMG. Perkembangan metode pengamatan tersebut haruslah diikuti dengan kemampuan dan pengetahuan sumber daya manusia dilingkungan BMG, terutama dalam hal pengoperasian dan perawatan alat-alat pengamatan. Dalam tulisan ini akan diberikan sedikit gambaran tentang sistem dasar yang digunakan dalam sebagian besar alat-alat elektronik, terutama yang berhubungan dengan instrumentasi elektronik pengamatan cuaca/iklim. Diharapkan dengan adanya tulisan ini, para pengamat/teknisi BMG didaerah nantinya dapat mengetahui lebih jauh tentang sistem instrumentasi elektronik. Sehingga dapat mempermudah pengoperasian dan perawatan alat-alat elektronik yang digunakan dalam pengamatan di stasiun.
1. PENDAHULUAN Sistem pengukuran dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu secara manual atau dengan menggunakan instrumen/alat. Adapun sistem instrumen terbagi pula menjadi dua, yaitu dengan sistem mekanik dan elektronik. Sistem instrument elektronik secara garis besar terbagi menjadi 5 bagian dasar, yaitu: tranducer, power supply, signal conditioner, amplifier dan recorder (lihat gambar 1).
Gambar 1. Blok diagram sistem instrumen elektronik Tranduser merupakan bagian terdepan yang berhubungan langsung dengan objek yang diukur, adapun daya untuk menggerakan sistem ini diberikan oleh power supply. Perubahan fisis dari objek yang diukur kemudian diubah oleh tranduser menjadi besaran listrik (umumnya memiliki perubahan yang sangat kecil). Setelah melalui pengkondisian sinyal dalam signal conditioner, kemudian sinyal listrik yang sangat kecil tersebut diperkuat di amplifier agar mudah untuk diolah
dan dimonitor. Untuk alat-alat elektronik sederhana, o utput dari amplifier ini umumnya langsung dihubungkan dengan display unit seperti jarum penunjuk, sevensegment atau liquid cristal display (LCD). Sedangkan pada alat-alat elektronik otomatis, output amplifier tersebut kemudian dihubungkan dengan recorder unit untuk dilakukan perekaman (contoh: kertas pias, printer, data logger atau komputer). Pada alat elektronik modern, recorder unit ini dilengkapi pula dengan software untuk pengontrol dan pemroses data sehingga output yang dihasilkan akan jauh lebih baik dan lebih informatif. Output data inilah yang selanjutnya digunakan untuk analisa atau dipancarkan bila alat tersebut telah dilengkapi den gan transmitter unit seperti pada AWS.
2. Sensor atu Tranducer Sensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur sesuatu yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegan gan dan arus listrik. Sensor itu sendiri terdiri dari transduser dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera. Tranduser adalah suatu peralatan atau analog devices yang berfungsi untuk mengkonversi suatu perubahan mekanis atau perubahan fisis yang terukur menjadi besaran listrik sehingga dapat dilihat/dimonitor. [setelah dilewatkan melalui pengkondisi sinyal]. Karakteristik terpenting sebuah transduser adalah aspek linearitas, sensitivitas, dan temperatur operasional yang ditentukan oleh sensor di dalam transduser, dimana output akhir yang dihasilkan adalah keluaran sinyal listrik. Transduser dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu: tranduser pasif dan aktif. Dikatakan tranduser pasif apabila energi yang dikeluarkann ya diperoleh seluruhnya dari sinyal masukan. Sedangkan tranduser aktif memiliki sumber energi tambahan yang digunakan untuk output sinyalnya, adapun sinyal input hanya memberikan kontribusi yang kecil terhadap daya keluaran. 2.1 Klasifikasi Sensor
Terdapat beberapa tipe sensor yang berdasar pada : 21.1. Keprluan Power Suplaynya
o
o
Pasif , sensor yang tidak memerlukan power supply pada saat bekerja, outputnya muncul akibat adanya rangsangan atau dikatakan sensor pasif apabila energi yang dikeluarkannya diperoleh seluruhnya dari sinyal masukan. mis. Termocouple, piezoelectric, microphone. Aktif , sensor yang memerlukan power supply dari luar agar sensor tersebut dapat berfungsi atau memiliki sumber energi tambahan yang digunakan untuk output sinyalnya, adapun sinyal input hanya memberikan kontribusi yang kecil terhadap daya keluaran.
2.1.2. Sifat Dasar dari Sinyal Outputnya
o
Analog Sensor, sensor yang memberikan sinyal kontinyu dari besaran yang diukur. Semua besaran fisika pada dasarnya adalah analog.
o
Digital Sensor, sensor yang outputnya bersifat diskrit.
2.2. Macam-macam sensor
Proximity Sensor atau Sensor Kedekatan , yaitu sensor atau saklar yang dapat mendeteksi adanya target (jenis logam) dengan tanpa adanya kontak fisik. Sensor jenis ini biasanya tediri dari alat elektronis solid-state yang terbungkus rapat untuk melindunginya dari pengaruh getaran, cairan, kimiawi, dan korosif yang berlebihan. Sensor ini dapat diaplikasikan pada kondisi penginderaan pada objek yang dianggap terlalu kecil/lunak untuk menggerakkan suatu mek anis saklar. Prinsip kerjanya adalah dengan memperhatikan perubahan amplitudo suatu lingkungan medan frekuensi. Sensor Magnet – juga disebut relai buluh, adalah alat yang akan terpengaruh medan magnet dan akan memberikan perubahan kondisi pada keluaran. Seperti layaknya saklar dua kondisi (on/off) yang digerakkan oleh adanya medan magnet di sekitarnya. Biasanya sensor ini dikemas dalam bentuk kemasan yang hampa dan bebas dari debu, kelembaban, asap ataupun uap. Sensor Sinar – terdiri dari 3 kategori. Fotovoltaic atau sel solar adalah alat sensor sinar yang m engubah energi sinar o langsung menjadi energi listrik, dengan adanya penyinaran cahaya akan menyebabkan pergerakan elektron dan menghasilkan tegangan. Fotokonduktif (fotoresistif) yang akan memberikan perubahan tahanan (resistansi) o pada sel-selnya, semakin tinggin intensitas cahaya yang terima, maka akan semakin kecil pula nilai tahanannya. Fotolistrik adalah sensor yang berprinsip kerja berdasarkan pantulan karena o perubahan posisi/jarak suatu sumber sinar (inframerah atau laser) ataupun target pemantulnya, yang terdiri dari pasangan sumber cahaya dan penerima. Sensor Efek-Hall – dirancang untuk merasakan adanya objek magnetis dengan perubahan posisinya. Perubahan medan magnet yang terus menerus menyebabkan timbulnya pulsa yang kemudian dapat ditentukan frekuensinya, sensor jenis ini biasa digunakan sebagai pengukur kecepatan. Sensor Ultrasonik – bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara, dimana sensor ini menghasilkan gelombang suara yang kemudian menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan den gan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek yang dapat diindera diantaranya adalah: objek padat, cair, butiran maupun tekstil. Sensor Tekanan – sensor ini memiliki transduser yang mengukur ketegangan kawat, dimana mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Dasar penginderaannya pada perubahan tahanan pengantar (transduser) yang berubah akibat perubahan panjang dan luas penampangnya. Sensor Suhu- ada 4 jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan : thermocouple (T/C), resistance temperature detector (RTD), termistor dan IC sensor. Thermocouple, terdiri dari sepasang transduser panas dan din gin yang o disambungkan/dilebur bersama, perbedaan yang timbul antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding.
o
Resistance Temperature Detector (RTD) didasari pada tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dengan tingkat konsisten/kestabilan yang tinggi pada pendeteksian tahanan. Platina adalah bahan yang sering digunakan karena memiliki tahanan suhu, kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas.
o
o
Termistor, resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif, karena saat suhu meningkat maka tahanan menurun atau sebaliknya. Jenis ini sangat peka dengan perubahan tahan 5% per oC sehingga mampu mendeteksi perubahan suhu yang kecil. IC Sensor adalah sensor suhu dengan rangkaian terpadu yang menggunakan chipsilikon untuk kelemahan penginderanya. Mempunyai konfigurasi output tegangan dan arus yang sangat linear.
Sensor Kecepatan/RPM – proses penginderaan merupakan proses kebalikan dari suatu motor, dimana suatu poros/object yang berputar pada suatui generator akan menghasilkan suatu tegangan yang sebanding dengan kecepatan putaran object. Kecepatan putar sering pula diukur dengan menggunakan sensor yang mengindera pulsa magnetis (induksi) yang timbul saat medan magnetis terjadi. Sensor Penyandi (Encoder) digunakan untuk mengubah gerakan linear atau putaran menjadi sinyal digital, dimana sensor putaran memonitor gerakan putar da ri suatu alat. Sensor ini biasanya terdiri dari 2 lapis jenis penyandi, Penyandi rotari tambahan (yang mentransmisikan jumlah tertentu dari pulsa u ntuk o masing-masing putaran) yang akan membangkitkan gelombang kotak pada objek yang diputar. Penyandi absolut (yang memperlengkapi kode binary tertentu untuk masingo masing posisi sudut) mempunyai cara kerja sang sama dengan perkecualian, lebih banyak atau lebih rapat pulsa gelombang kotak yang dihasilkan sehingga membentuk suatu pengkodean dalam susunan tertentu.
3. Power Suplay (Catu Daya) Tranduser pada dasarnya memerlukan energi atau tenaga untuk dapat beroperasi, sehingga diperlukan sebuah penyuplai daya dalam bentuk constant-voltage atau constant -current power supply. Power supplay dapat diambil langsung d ari jalur listrik PLN atau menggunakan sumber listrik lain. Untuk alat-alat elektronik otomatis yang dioperasikan jauh dari jalur listrik PLN, biasanya menggunakan power supply dari baterai atau solar cell. Instrumen-instrumen elektronik umumnya menggunakan arus searah (DC), sehingga bila sumber tegangan masih dalam bentuk arus bolak-balik (AC) maka diperlukan pengubah arus. Rangkaian elektronik sederhana untuk penyearah arus dapat dilihat seperti gambar 3.1.
Gambar 3.1. Rangkaian sederhana penyearah arus dan sinyal output yang dihasilkan.
4. Signal Conditioner ( Pengkondisian Sinyal ) Keluaran Sinyal dari transduser umumnya masih tercampur dengan noise atau sinyal-sinyal lain yang bukan bersumber dari objek yang diukur (parasitic signal). Bila dibiarkan, hal ini jelas akan menimbulkan penyimpangan terhadap output data yang dihasilkan sehingga diperlukanlah sebuah filter yang dapat menghilangkan sinyal-sinyal parasit tersebut agar tidak tercampur dengan sinyal data yang diamati. Tipe-tipe dari filter yang umum digunakan diantaranya adalah:
Low-Pass Filter = High-Cut Filter Filter ini berfungsi untuk menghilangkan tegangan/amplitudo yang melebihi dari batas toleransi yang dibuat, sehingga sinyal-sinyal lain yang tidak dih arapkan seperti noise dapat dihilangkan. Rangkaian elektronik sederhana low pass filter dapat dilihat pada
Gambar. 4.1. Rangkaian gambar 4.1. Low Pass Filter High-Pass Filter = Low-Cut Filter Filter ini berfungsi untuk menghilangkan tegangan/amplitudo yang kurang dari batas toleransi yang dibuat (lihat gambar 4.2).
Gambar 4.2. Rangkaian High Pass
Filter Band-Pass Filter Filter ini berfungsi untuk menghilangkan tegangan/amplitudo yang kurang atau melebihi dari batas toleransi yang dibuat (membatasi sinyal input pada ran ge tegangan/amplitudo
tertentu). Rangkaian Band Pass Filter.
Gambar 4.3.
Reject Filter Rangkaian Reject Filter
Gambar. 4.4.
5. Amplifier Amplifier digunakan hampir dalam setiap sistem instrumentasi untuk menaikan sinyal yang lemah dari tranduser menjadi sinyal yang lebih kuat agar dapat digunakan pada alat pengukur atau untuk keperluan recorder. Bentuk grafik antara input tegangan dan outputnya dari amplifier dapat dilihat pada gambar 5.1.
Gambar 5.1. Grafik antara input dan output tegangan dari amplifier. Jenis – jenis Amplifiers a. Noninverting Amplifier Merupakan penguat tegangan dengan nilai output sama phase dengan inputnya (input positif, output positif). Besarnya penguatan tegangan output dan rangkaian elektroniknya dapat dilihat pada gambar 5.2
Gambar 5.2. Rangkaian Non Inverting Amplifier dan persamaan tegangan inputnya. b. Inverting Amplifier Merupakan penguat tegangan dengan nilai output berbeda phase 1800 dari inputnya (input positif menjadi output negatif). Besarnya penguatan tegangan output dan rangkaian elektroniknya dapat dilihat pada gambar 5.3.
Gambar 5.3. Rangkaian inverting amplifier dan persamaan tegangan outputnya. c. Differential Amplifier Berbeda dengan inverting/noninverting amplifier yang hanya memiliki input tegangan sangat kecil (biasanya kurang dari 1 mV), pada differential amplifier dapat memiliki tegangan input yang dapat diset melalui V1 dan V2. Gambar rangkaian dan persamaan differential amplifier dapat dilihat pada gambar 5.4.
Gambar. 5.4. Rangkaian dan persamaan output dari differential amplifier. d. Differentiator Amplifier Differentiator menghasilkan tegangan output yang proposional terhadap perubahan input (membentuk persamaan garis diferensial). Gambar rangkaian dan pe rsamaan differentiator amplifier dapat dilihat pada gambar 5.5
Gambar 5.5. Rangkaian dan rumus output differentiator amplifier. e. Integrator Amplifier Integrator menghasilkan tegangan output yang proposional terhadap perubahan input (membentuk persamaan garis integral). Gambar rangkaian dan p ersamaan integrator amplifier dapat dilihat pada gambar 5.6.
Gambar 5.6. Rangkaian dan rumus output integrator amplifier.
6. Recorder 6.1. Recorder Sistem Analog
Karakteristik Umum • Input Impedansi Input impedansi harus memiliki kisaran impedansi sebesar 1,000,000 ohm, hal ini dimaksudkan agar dapat memperkecil kehilangan tenaga “p” sehingga dapat menghasilkan kesalahan pengukuran sebesar nol. p = v / Zm Zm = input impedance • Sensitivitas
Perbandingan pergerakan pena/pointer dengan tegangan pada instrumen, dapat diukur dengan persamaan: S = d / Vi Vi = d SR S = Sensitivitas D = pergeranan pena/pointer pada instrumen analog. Vi = voltage yang akan diukur Beberapa alat perekam /recorder dibuat dengan sensitivitas tegangan/ voltage sensitivty ~ SR (SR = 1 / S) SR = 1 / S , menggambarkan nilai tegangan persatuan panjang. • Range Range adalah kisaran tegangan atau besarnya tegangan aktual yang dapat direkam oleh recorder. Perbandingan lebar skala/chart dengan sensitifitas dinyatakan dengan: v* = d* / S = d* SR v* adalah maximum voltage atau range dan d* adalah lebar skala/chart. 6.2. Sistem Recorder Digital
Digital merupakan suatu sistem pembacaan yang berbasis binery atau sistem pembacaan dua angka (1 dan 0). Sistem digital ini biasa pula disebut dengan sistem “ON – OFF” karena prinsipnya hampir sama seperti saklar. Metode pembacaan yang sangat sederhana ini ternyata pada perkembangannya memiliki aplikasi yang sangat besar dalam dunia elektronik, sehingga dewasa ini sistem digital telah banyak menggantikan sistem analog. Namun satu hal yang perlu diperhatikan bahwa sinyal-sinyal yang dikeluarkan oleh alam ini hampir semuanya berbentuk analog, seperti gelombang suara, perubahan suhu udara, perubahan tekanan udara, perubahan kelembaban dan lain-lain. Karena salah satu fungsi dari instrumentasi elektronik yang dibuat adalah untuk mengukur perubahan fisis yang terjadi di alam, maka jelas nantinya akan berhubungan dengan sinyal-sinyal berbentuk analog. Hal ini menyebabkan dibutuhkannya sebuah perubah sinyal (converter), baik dari bentuk Analog to Digital Converter (ADC) maupun dari bentuk Digital to Analog Converter (DAC).
Gambar 6.1 Prinsip Dasar Perekam Digital Perubah Analog ke Digital (Analog to Digital Converters -ADC)
Perubahan besaran fisis di alam yang umumnya berbentuk sinyal analog, dideteksi oleh sensor kemudian diubah dalam bentuk digital agar mudah diproses oleh perangkat elektronik. Sinyal digital yang hanya berbentuk 1-0 (ON-OFF) ternyata lebih mudah dan lebih cepat diolah dalam perangkat elektronik dengan hasil data lebih baik. Rangkaian pengubah sinyal analog ke d igital dapat dilihat seperti gambar 6.2
Gambar 6.2. Rangkaian elektronik ADC
Gambar 6.3. Contoh rangkaian ADC tipe SAC Perubah Digital ke Analog (Digital to Analog Converters – DAC) Sinyal-sinyal digital yang berasal dari alat/instrumen elektronik, bila ingin ditampilkan kembali dalam bentuk seperti semula (seperti sinyal di alam-misalnya berbentuk suara) maka perlu
diubah kedalam bentuk analog kembali. Rangkaian elektronik untuk mengubah sinyal digital ke analog dapat dilihat seperti gambar 6.4.
Gambar 6.4. Rangkaian elektronik DAC
Gambar 6.5. Blok Diagram DAC
