METODE-PENGUKURAN-REGANGAN

PERTEMUAN 12

METODE PENGUKURAN REGANGAN

Regangan adalah gejala fisika dasar dan biasanya dimaksudkan sebagai perubahan

dimensi suatu benda sebagai akibat bekerjanya gaya dari luar. Regangan lebih

sering digunakan untuk memperkirakan tegangan. Tegangan (stress) adalah gaya-

gaya dalam dari suatu benda yang melawan gaya-gaya dari luar atau beban pada

benda. Kalau tegangan merupakan satuan turunan, maka regangan merupakan

hasil langsung dari tegangan. Disain rekayasa teknik sebagian besar tergantung pada

analisis tegangan. Dengan menggunakan transduser, analisis tegangan melalui

pengukuran regangan dapat dilakukan bahkan dalam bentuk benda yang rumit

sekalipun.

Agar dapat memahami hubungan tegangan-regangan sifat-sifat bahan tertentu

perlu dijelaskan. Modul. elastisitas, E, adalah konstanta elastis dari suatu bahan

dan dikaitkan dengan tegangan dan regangan , oleh Hukum Hooke, yakni

. Kalau suatu batang bahan menderita beban-tarik dalam arah aksial,

perbandingan regangan lurus lateral dengan regangan lurus longitudinal dalam

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Djuhana, M.Si.

PENGUKURAN TEKNIK 1

sifat elastis dari bahan, dinamakan perbandingan poisson, .

Analisis tegangan eksperimental mengandaikan bahwa ada suatu hubungan

yang pasti . antara tegangan dan regangan dan bahwa hubungan ini terbatas

pada sifat elastis dari bahan. Kalau terjadi aksi takelastis, tegangan tidak

hanya tergantung pada regangan, tetapi juga pada faktor-faktor seperti besar re -

gangan, temperatur, waktu, dan sebagainya. Gambar 4.1 dan Tabel 4.1

menggambarkan hubungan tegangan-regangan di suatu titik untuk sebuah batang

elastis ideal dengan kondisi tegangan satu, dua dan tiga dimensi.

TABEL 4.1. HUBUNGAN TEGANGAN-REGANGAN DI SUATU TITIK

Tegangan

uniaksial (satu

dimensi) Tegangan biaksial

(dua dimensi) Tegangan triaksial (tiga dimensi)

0

0 0

Seringkali ticlak semudah seperti ditunjukkan dalam Gambar 4.2, untuk

menentukan arah dari regangan dan tegangan utama pada suatu titik. Namun,

dengan mengukur sejumlah regangan dengan menggunakan hubungan-hubungan

dalam Gambar 4.1


PENGUKURAN TEKNIK 2

GAMBAR 4.2. Hubungan Regangan-Tegangan untuk Puntiran Murni dalam

Batang (Kasus Biaksial).

arah dan besar tegangan utama dapat dihitung. Kasus yang pa ling umum dari

tegangan dua-dimensi ditunjukkan dalam Gam-bar 4.3 yang menghasilkan

hubungan yang ada di antara regangan yang terpilih acak. Sudut-sudut antara

pembacaan regangan dipilih dengan hati-hati untuk hubungan yang disederhanakan.

Tegangan dan regangan utama yang didasarkan pada tiga regangan acak pada

suatu titik dapat dihitung seperti di bawah ini (Gambar 4.3).

GAMBAR 4.3. Hubungan antara Tegangan dan Regangan Utama pada

Suatu Titik dengan Tiga Regangan Acak.

1. Hitunglah regangan di sumbu X-Y dari:

dinamakan

2. Hitung besarnya regangan utama dari :

3. Tentukan sudut regangan utama maksimum dari :

4. Tentukan regangan utama dari :


PENGUKURAN TEKNIK 3

Hubungan untuk roset umum ditunjukkan dalam Tabel 4.2. Metode grafis

untuk menganalisis roset segiempat ditunjukkan dalam Gambar 4.4. Metode ini

dikenal sebagai lingkaran Murphy untuk menghitung regangan utama.

TABEL 4.2. HUBUNGAN TEGANGAN-REGANGAN UNTUK ROSET REGANGAN

UMUM

3 2

Siku-siku 1

Delta 2 3

1

Tegangan

-tegangan

maksimu

m dan

minimum

Tegangan

geser

(shearing)

maksimu

m

Sudut dari

pengukur

Sumbu

Langkah-langkah dalam menghitung arah sumbu utama dan regangan maksimum

dan minimum melalui lingkaran Murphy ditunjukkan dalam


PENGUKURAN TEKNIK 4

1. Gambaran garis acuan vertikal dan beri tanda garis-garis vertikal

positif ke kanan dan negatif ke kiri dari garis acuan. diketahui

sebelumnya.

2. Gambarkan elemen (sumbu roset) pada suatu titik P pada garis .

Proyeksikan sumbu pengukur ke depan atau ke belakang sampai garis-garis

dan berpotongan di A dan C secara berurutan.

3. Hubungkan AC, bagi dua dan gambarkan garis tegak-lurus ke AC dan

memotong di B.

4. Gambarkan lingkaran dengan pusat 0 (tengah AC). Gambarkan garis

horizontal x x lewat 0.

S. Beri tanda dan sepert i di tunjukkan dalam gambar. Ukur

sudut 2 dari sumbu ke regangan utama. Regangan utama pada roset

terletak pada arah yang sama dari sumbu pada sudut .

4.1 TEKNIK PENGUKUR-REGANGAN

Ada banyak jenis dan bentuk pengukur regangan tahanan listrik dari kategori

tempelan (bonded) tersedia di pasar. Beberapa jenis umum ditunjukkan dalam

Gambar 4.5.


PENGUKURAN TEKNIK 5

Pengukur harus dipilih menurut persyaratan spesifik dan disemenkan dengan baik

pada permukaan untuk mengukur regangan. Pengukur lembaran (foil) menjadi

lebih dapat diterima dibandingkan pengukur kawat karena karakteristiknya

yang superior. Dibandingkan dengan pengukur kawat, pengukur lembaran (foil) kira-kira

5 sampai 8 persen lebih peka (faktor pengukur) dan histersis yang lebih kecil dan

geseran nol. Kepekaan F, (yang juga disebut faktor pengukur) adalah perbandingan

perubahan fraksional dari resistansi ke regangan yang menghasilkan;

di mana R adalah perubahan resistansi R tanpa regangan yang disebabkan

oleh perubahan panjang L dari panjang asl i L.

Dalam suatu jenis alat ukur, terdapat anekaragam pengukur. Peubah-


PENGUKURAN TEKNIK 6

peubah seperti panjang alat ukur, kepekaan terhadap perubahan

lingkungan, resistansi alat-ukur dan kepekaan terhadap regangan semuanya

harus diperhatikan dalam pemil ihan akhir.

Pengukur regangan semikonduktor yang bekerja atas dasar efek

piezoresistif dalam kristal tertentu dapat juga digolongkan sebagai alat-ukur

regangan resistansi listrik tertutup.

Banyak teknik penempelan. Pabrik biasanya menganjurkan prosedur

penempelannya yang harus diikuti dengan baik agar diperoleh hasil yang

sempurna.Tanpa penempelan yang baik, penguj ian t idak ada gunanya.

Tanga mempersoalkan teknik penempelan (bonding) tersebut, mutu

penempelan dapat diuji dengan:

1. Memeriksa tahanan pengukur. Kalau menunjukkan adanya rangkaian

terbuka sambungan atau pengukurnya rusak. Semua sambungan harus

d isolder dengan hat i -hat i atau diperkuat .

2. Memeriksa tahanan antara f i lamen pengukur dan bagian yang diuji,

sekurang-kurangnya 1000 megaohm dianggap cukup untuk mendapatkan

hasil yang dengan ketelitian cukup tinggi. Hanya gunakan pengukur ohm

jenis tegangan-rendah karena berbahaya untuk pengukur.

3. Tempatkan pengukur dalam jembatan Wheatstone atau susunan deteksi

resistansi serupa. Tekankan Kati-hati ke pengukur. Dengan menggunakan

tekanan ini pembacaan regangan dilakukan dan pembacaan kembal i ke

nol dengan di lepaskannya tekanan.

Pengukuran keluaran dari pengukur regangan ini cukup de ngan

mengukur tahanannya. Rangkaian seri sederhana di mana, arus merupakan

fungsi dari jumlah resistansi rangkaian merupakan cara pengukuran yang

murah. Cara la in adalah metode potensiometr i d i mana penurunan

tegangan lewat pengukur regangan resistansi berubah dibandingkan dengan

penurunan tegangan lewat tahanan yang diketahui. Cara yang paling umum dan efisien

untuk mengukur keluaran pengukur regangan adalah menggunakan rangkaian jembatan

Wheatstone. Dapat digunakan baik jembatan-jembatan ac maupun dc. Jembatan

Wheatstone demikian merupakan jantung dari kebanyakan pengukuran resistansi.

Rangkaian dasar ditunjukkan dalam gambar.


PENGUKURAN TEKNIK 7

GAMBAR 4.6. Rangkaian Jembatan Wheatstone Dasar.

Aliran arus lewat galvanometer dengan resistansi Rg untuk rangkaian

tak-seimbang diberikan oleh

Dan untuk rangkaian seimbang berlaku

Persamaan-persamaan ini menunjukkan bahwa untuk jem batan tak

seimbang, arus yang mengalir bukan fungsi l inear yang ketat dari

resistansi dalam lengan pengukur. Juga untuk rangkaian jembatan tak-

seimbang tegangan keluaran rangkaian terbuka diberikan oleh

di mana, V = catu jembatan (suplai jembatan)

= regangan

F = fak tor pengukur

n = jumlah lengan akt i f .

Perkiraan besar yang melalui mikroameter dihitung dengan menggunakan teorema

Thevenin.

di mana, Ro = resistansi ekivalen jembatan

= R1, = R2 =R3 =R4

Rg = resistansi alat ukur.


PENGUKURAN TEKNIK 8

Dengan menggunakan konfigurasi pengukur regangan di atas (seperti

ditunjukkan'dalam Gambar 4.6), keluaran maksimum maupun kompensasi

temperatur dapat diperoleh. Dua pengukur R, dan R4 berada dalam regangan

(tensi), sedangkan dua lainnya dalam tegangan (kompresi).

Kita dapat menggunakan banyak teknik dalam mengukur regangan dengan

rangkaian jembatan wheatstone. Kompensasi temperatur, yang menghilangkan

tegangan bengkok di mana torsi murni ingin diperoleh dan diferensiasi antara

beban lateral dan aksial dapat diperoleh dengan memanipulasi lengan-lengan

rangkaian jembatan. Perubahan resistansi yang sama dalam lengan-lengan

bersebelahan dar i jembatan meniadakan satu sama lain; sedangkan

lengan-lengan yang mempunyai posisi bertentangan dari jembatan, perubahan

resistansi bersifat menambah satu sama lain.

Dengan diketemukannya teknik dan alat khusus, ternyata bahwa batas

kemungkinan penggunaan pengukur regangan resistansi listrik tempelan dapat

bermacam-macam.

4.2. BEBERAPA PENGGUNAAN TRANSDUSER ALAI UKUR REGANGAN

Pengukuran Gaya

Tiga metode umum untuk merancang transduser gaya ditunjukkan dalam

Gambar 4.7 (a), (b) dan (c). Dalam Gambar 4.7 (b), pengukur C dan D dipasang

agar efek Poisson dapat digunakan dan untuk menghasilkan empat lengan

jembatan aktif, walaupun regangan itu berlawanan, yakni " " kali regangan

dalam pengukur-pengukur A dan B. Gambar 4.7 (d) menunjukkan bagaimana

pengukur-pengukur dihubungkan dalam rangkaian jembatan untuk masing-

masing transduser.


PENGUKURAN TEKNIK 9

Pengukuran Puntiran .

Suatu meter puntiran pengukur-regangan dapat dibuat de ngan

menempatkan dua (atau empat) a lat ukur pada poros dengan sudut 45

derajat ke arah sumbunya. Kalau digunakan empat pengukur, kepekaan

akan bertambah dan set iap bengkokan poros akan dihilangkan secara

listrik. Sinyal dari poros yang berputar d i teruskan ke alat penunjuk

regangan lewat cincin-cincin gelincir (slip-rings) (biasanya empat buah)

dan sikat-sikat (brushes).

Gambar 4.8 menunjukkan kondisi tegangan pada poros yang mengalami

tegangan murni, dan juga kedudukan pengukur pada poros dan dalam rangkaian

jembatan.

Tegangan . geser dalam poros dapat dihitung dari Ss= j. Dari l ingkaran

Mohr, tegangan geser besarnya sama dengan tegangan utama, atau Ss= =

— . Tegangan tarik dan tegangan-tekan (kompresi) poros tidak dapat dihitung

dengan mengalikan regangan terukur dengan modulus kekenyalan (elastisitas).

Poros dalam puntiran merupakan kasus khusus dari regangan dua dimensional


PENGUKURAN TEKNIK 10

dan tegangan sebenarnya sama dengan:

Karena

Puntiran seringkali mudah diukur dengan memasang terayun alat-alat yang

diuji (pompa, generator dan sebagainya) dan mengukur reaksi atau

kecenderungan satuan yang berputar. Gaya reaksi ini dapat diukur dengan

susunan balok kantilever sederhana.

Pengukuran Perpindahan

Balok kantilever biasanya digunakan sebagai transducer perpindahan, tetapi

setiap susunan yang menimbulkan perubahan bentuk elastis dapat digunakan

untuk mengukur pergeseran. Perpindahan yang relatif besar dapat diukur

dengan menggunakan penghubung dengan keuntungan mekanis yang besar yang

ada hubungannya dengan balok kantilever.

Pengukuran Tekanan

Transduser tekanan pengukur-regangan mempunyai beberapa bentuk. Umumnya

seperti halnya dengan transduser lain, suatu elemen elastis akan berubah-bentuk

atau regang. Elemen-elemen umum adalah diafragma, ruang-ruang silinder, dan



penghembusan. Pengembangan penghembus dapat digunakan untuk mem-

bengkokkan balok kantilever. Gambar 4.9 menunjukkan suatu contoh diafragma

yang diklem ujungnya dan sebuah transduser tekanan pengukur-regangan silindris.

Pengukur foil kisi-kisi spiral adalah transduser tekanan tipe diafragma

pengembangan terakhir.

Pengukuran Percepatan

Akselerometer (pengukur kecepatan) jenis sederhana terdiri dari balok

kantilever dengan massa pada ujung bebas. Kalau (dinding) akselerometer

digerakkan, massa di ujung bebas akan cenderung tetap, dan percepatan

sebanding dengan momen balok yang dihasilkan.

Rancangan akselerometer pengukur-regangan lebih rumit dibandingkan dengan

transduser gaga atau perpindahan; misalny a, rancangan akselemmeter perlu

menerapkan prinsip getaran mekanis.

Pemisahan Gaya dan Momen dengan Pengukur Regangan

Dengan orientasi (lokasi) yang tepat dari pengukur pada ba tang, gaya atau

komponen gaya tertentu dapat ditiadakan. Misalnya, pada Gambar 4.10 (a),

kantilever telah dirancang untuk mengukur komponen vertikal P saja, sedang

dalam Gambar 4.10 (b), hanya komponen horizontal saja yang diindera. Dalam

Gambar 4.10 (b) penting untuk menempatkan pengukur A dan B langsung

berhadapan satu sama lain pada balok sehingga



Gambar 4.11 menunjukkan pengukuran geseran langsung. Alat ukur yang

dipasang seperti ditunjukkan akan menghasilkan tegangan keluaran jembatan

sebanding dengan perbedaan momen bengkok pada penampang EE dan FF.

Keluaran tidak tergantung pada lokasi beban, asalkan di luar sumbu FF. Ciri ter-

sebut sangat berguna dalam merencanakan skala bobot tertentu, tetapi keluaran

jembatan akan relatif kecil karena alat-alat ukur mengukur beda regangan pada

dua lokasi.

Regangan rata-rata yang diukur oleh dua atau lebih pengukur dapat

diperoleh dengan menghubungkan pengukur-pengukur secara seri atau

paralel pada lengan jembatan. Beban rata-rata pada beberapa transduser

gaya (yang masing-masing mempunyai jembatan empat lengan aktif) dapat

diperoleh dengan menghubungkan masukan dan keluaran semua jembatan

transduser secara paralel.



4.3. PENGUKUR REGANGAN KHUSUS

Banyak perkembangan terakhir ter jadi yang menghasi lkan pengukur-

pengukur khusus untuk memecahkan masalah pengukuran regangan

tertentu. Salah satu pengukur tersebut adalah Flexagage yang terdiri dari

dua pengukur yang dipasang berto lak-belakang pada suatu pemisah plastik.

Kalau pengukur dipasang pada satu sisi batang, maka alat ukur tersebut

akan mengukur regangan bengkok dan regangan membujur. Dengan demi -

kian pengukur tersebut mempunyai keuntungan besar, apabila hanya satu

s is i saja dar i batang struktur yang dapat diukur.

Pengukur lembaran (foil) spiral merupakan pengukur bentuk khusus

(Gambar 4.9) yang disesuaikan dengan pengukuran re gangan diafragma

yang dengan demikian, dapat digunakan dalam membuat transduser tekanan

diafragma.

Suatu pengukur* regangan khusus te lah d ikembangkan untuk

mengukur regangan relatif besar dalam bahan viskoelas tik yang tak

menghantar listrik seperti bahan bakar pendorong padat roket , p last ik dan

karet . Pengukur , yang mengukur regangan besar dengan kontribusi gaya

yang kecil, terdiri dari dua filamen lembaran konstanta dipijarkan yang

dipisahkan oleh dan dilekatkan ke epoksi pengisolasi listrik sebagai pembawa

yang diberi bentuk kumparan heliks (untuk sekrup). Plat dengan ujung diberi

fenol dilakukan ke tiap ujungnya untuk angker dan penyambungan kawat. Susunan

ini memungkinkan elemen-elemen 120 ohm dapat dikembangkan bebas 100% dari

keadaan patah sempurna ke mengembang sempurna. Konstanta pegas hanya 0,02

N/cm.

Pengukur "tegangan-regangan" merupakan mengukur satu-satunya yang

mempunyai keluaran listrik sebanding baik dengan tegangan atau regangan

menurut kehendak pemakai. Untuk pengukuran tegangan alat ukur (dengan dua

elemen pengindera regangan membujur tunggal yang berorientasi pada 90 derajat

sate sama lain) "menghitung" atau menyelesaikan persamaan umum tegangan

dan regangan. Keluaran listrik sebanding dengan tegangan, karena pengukur

meniadakan komponen aksial dari regangan akibat tegangan dengan arah transversal

dan hanya memberi tanggapan terhadap komponen regangan yang dihasilkan oleh

tegangan dalam arah aksial.



Perkembangan terakhir dalam penggunaan alat ukur adalah pengukur

regangan yang dapat dilas. Alat ukur ini terdiri dari pengukur lembaran khusus

yang dilekatkan pada tongkat tebal baja tahanan-karat. Pengukur yang dapat

dilas ini digunakan di mana kondisi-kondisi instalasinya tidak memungkinkan

untuk menggunakan tipe standar. Alat ukur ini kasar, dan harus selalu diperbaiki

sehingga waktu pemasangannya menyusut dari jam ke menit. Petunjuk

pengelasan (dengan menggunakan pengelas simpanan-energi 10 sampai 15

watt-detik) diberikan bersama dengan alat-ukur.

Akhir-akhir ini, pengukur jembatan penuh yang dapat dilas telah tersedia

untuk memperbaiki kepekaan, stabilitas, dan kompensasi temperatur.



METODE-PENGUKURAN-REGANGAN

Documents

Transcript of METODE-PENGUKURAN-REGANGAN