SENSORSensor

Mendeteksi sutau besaran fisis, ( temperature, gaya,tekanan, aliran fluida level fluida, kelembaban, dll.Sensor merupakan perluasan / peningkatan kemampuan untukmemperoleh informasi tentang kuantitas fisik yang tidak bisadiperoleh oleh indra manusia karena keterbatasan dan kekurangtelitian yang dimiliki manusia.

TransduserAlat mentransformasikan suatu besaran fisik ke besaran fisiklainnya atau dari energi satu ke energi lainnya yang bersesuaianInput-transduser (phisical/elekctrical signal) dan output transduser(electrical signal/display atau actuator

KLASIFIKASI SENSORSensor

BerdasarkanSinyal output

BerdasarkanMode operasi

BerdasarkanHubungan

Input-output* dll

BerdasarkanKebutuhan

power supply

Sensoraktif

Sensorpasif

Sensoranalog

Sensordigital Deflection nul

Thermistor

Thermocouple

Potensiometer

Position encoder

Deflection accelerometer

Servo accelerometer

Berdasarkan kebutuhan supply daya(catu daya)

Sensor dapat dikalsifikasikan: 1. Modulating Sensor ( sensor aktif ) 2. Self-Generating ( sensor pasif )

Pada jenis modulating sensor (sensor aktif) Hampir semua daya sinyal output berasal dari sumber dayatambahan (sumber daya dari luar). Input hanya mengontrol output. Sensor aktif biasanya membutuhkan lebih banyak kawatdibandingkan dengan sensor pasifoverall sensitivity dari sensor tersebut dapat dikontrol olehtegangan power supply

Self-generating sensorDaya output berasal dari daya input.

Berdasarkan sinyal output

Sensor analog : Sensor dengan output dalam domain waktu. Informasi biasanya diperoleh dari amplitudo.Sensor yang memiliki output dalam bentuk variabelfrekuensi disebut quasi-digital

Sensor DigitalKeluaran sensor digital berupa discrete step or state. Sensor digital tidak membutuhkan ADC Outputnya lebih mudah ditransmisikan daripada sensor analog. Output digital lebih berulang ,dapat dipercaya danbahkan sering lebih akurat. Tetapi banyak kuantitas fisik yang tidak dapat diukurdengan sensor digital.

TRANSDUSERAda enam jenisSinyal/besaran fisik :

MecahnicalTemperature,MagneticElectrik,Optical Chemical

Beberapa keuntungan sistempengukuran elektronik :

Transduser elektrik dapatdirancang untuk berbagaikuantitas non elektrikBerbagai macam IC tersedia untukpembentukan electric signal conditioning atauuntuk modifikasi. Sinyal elektrik memilikipentransmisian aplikatif.

Berdasarkan mode operasiSensor deflection

kuantitas yang diukur menimbulkan efek fisik yang menyebabkanbeberapa bagian pada instrumen memberikan efek perlawananyang sesuai.Contoh dynamometer untuk mengukur gaya : gaya yang akandiukur membengkokkan (deflects) pegas pada titik dimana gayatersebut diberikan (ditekan).

Sensor tipe-null, Dilakukan usaha mencegah defleksi dari titik null denganmenggunakan efek yang berlawanan dengan yang dihasilkan olehkuantitas yang diukur. Terdapat detektor ketidak setimbangan dan beberapa peralatanuntuk memulihkan kesetimbangan. Pengguna harus meletakkan satu atau beberapa beratpengkalibrasi pada wadah (pan) lain sampai kesetimbangandicapai, yang diketahui dari posisi pointer.

Pengukuran null biasanya lebih akurat, tetapi sayangnya lebihlambat.

Klasifikasi TransduserTransduser gaya

Strain gaugeForce Transduser, Torque Transduser, Pressure Transduser, Load Cell, tension Transduser.

Transduser pergerakkanShaft EncoderServopotensiometerKapasitif Displacement transduserdll

Transduser TemperaturThermocoupleResistance ThermometerThermistorSemikonduktor Temperature Transduser

Transduser CahayaTransduser MagnetikTransduser HumidityDll

APLIKASI SENSOR & TRANSDUSER

SISTEM KONTROL

Close loop

SISTEM INSTRUMENTASIBesaran masukkan pada

kebanyakkan sisteminstrumentasi bukan besaranlistrik. Untuk menggunakanmetoda dan teknik listrik padapengukuran, manipulasi danpengontrolan, besaran yang bukan listrik ini diubah menjadisuatu sinyal listrik denganmenggunakan transduser.

Proses+input

Sensos &Transduser

output

PEMILIHAN TRANSDUSER UNTUK SISTEM PENGUKURAN

Pemilihan suatu transduser didasari oleh tigapertanyaan :Besaran fisis apa yang akan diukur ?Prinsip transduser yang mana yang paling baik digunakan untuk mengukur besaran ini?Berapa ketelitian yang diinginkan padapengukuran ini ?

Berbagai faktor mempengaruhi ketelitiandiantaranya :

Parameter dasar transduserKondisi fisikKondisi sekeliling ( efek ketidaklinieraan, responfrekuensi, efek histerisis)Kondisi lingkungan (temperatur, getaran, percepatan)Kesesuaian peralatan yang disertakan( tahanan isolasi, penyesuaian impedansi)

SISTEM PENGUKURAN

SISTEM merupakan kombinasi dari dua atau lebih elemen, sub sistem danbagian-bagian lain yang dibutuhkan untuk mengadakan satu ataubeberapa fungsi.

Fungsi sistem pengukuranMendapatkan data empiris dan objektif dari sejumlah sifat ataukuantitas suatu objek untuk menggambarkan objek yang bersangkutan.

Objektive: hasil pengukuran harus independent atau bebas dariobserverEmpiris : hasil pengukuran harus berdasarkan pada data yang diperoleh dari eksperimen.

SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIK

Terdiri dari sejumlah komponen yang secara bersama-samadigunakan untuk melakukan suatu pengukuran dan mencatathasilnya.

Peralatan Masukkan Signal Conditioning Peralatan Keluaran

Karakteristik Statik pada SistemPengukuran

Karakteristik Statik

Accuracy Precision Sensitivity Repeatibility Reproducibility Linearity

Karakteristik statis pada sistem pengukuran

Accuracykualitas yang mengkarakteristik kapasitas dari alat ukur dalammemberikan hasil yang mendekati nilai yang benar dari kuantitasyang diukur

PrecisionKualitas yang mengkarakteristikan kemampuan alat ukur untukmemberikan pembacaan yang sama ketika pengukuran dilakukanberulang-ulang pada kuantitas yang sama dalam kondisi yang sama

Sensitivityperbandingan antara sinyal keluaran atau respon instrumenterhadap perubahan masukkan atau variabel yang diukur

Karakteristik statis pada sistem pengukuran

Repeatabilitykedekatan hasil yang berturut-turut diperoleh dengan metodayang sama dalam kondisi yang sama dan dalam interval waktuyang singkatLinearityResolusiPerubahan terkecil pada input yang dibutuhkan untukmenghasilkan perubahan yang bisa terdeteksi pada output,

Potensiometer

Berbagai jenis sensor dapat digunakan untuk men-sensing jarakyang ditempuh dari sebuah titik referensi.

Untuk jarak yang pendek berkisar beberapa milimeter ataubeberapa centimeter dapat digunakan transduser resistif, kapasitif, dan induktif.

Sistem yang sangat sederhana untuk pendektesian jarak dapatmenggunakan potensiometer.

Potensiometer adalah peralatan resistif dengan kontakpergeseran rotary atau linier yang berfungsi sebagai transduseryang mengubah posisi mekanik menjadi besaran elektrik yang merepresentasikan posisi tersebut.

Cara Kerja Potensiometer linier

.

Gbr a

Gbr b

Cara Kerja PotensiometerBerdasarkan gambar b berarti ;

resistansi proporsional dengan pergerakkan wipper. Asumsi pertama bahwa resistansi sepanjang L dalahsama/seragam. Tetapi resistansi tidak benar-benar sama, dimana dibatasi oleh kelinieran potensiometer. Asumsi kedua kontak sliding memberikan variasi resistansiyang kecil

Masalah utama dari metoda potensiometrik ini adalah range potensiometer yang dibatasi oleh ukuran potensiometer yang tersedia dan pergesekkan pada potensiometer merupakanobstacle /penghambat bagi pergerakkan./perpindahan objek. Presisi dapat dicapai tergantung pada seberapa linier lilitandapat dibuat.

Potensiometer

Resistansi R tanpa beban :

Resistansi R apabila ada bebanRT= Resistansi PotensiometerRL= Resistansi Beban

α = 0 s/d 1; ( )

LT

LTT RR

RRRR

++−=αα

α1

( ) LT

i

LT

LTi

i

LT

LT

RRE

RRRR

RE

E

RE

IRR

RRIE

/11

;

0

0

ααα

αα

αα

−+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⋅=

TTT RR

EE

φφ

==0

==Tφφα

LVDT(Linier Differential Variabel Transformer)

LVDT : suatu transduser elektromekanik yang dapatmengkonversikan pergerakkan rectilinier dari suatu objekmenghasilkan keluaran elektrik yang sesuai dengan perpindahancore

Linier : variasi tegangan secara linier sesuai dengan perubahanposisi core.

Differential : tegangan keluaran LVDT merupakan differential(beda) tegangan yang terjadi antara lilitan primer dengan lilitansekunder kiri dan lilitan primer dengan lilitan sekunder kanan.

Struktur internal transformer pada LVDT terdiri dari lilitan primer yang diletakkan sebagai pusat antara sepasang lilitan sekunderyang identik, ruang antara primer dan sekunder adalah simetris

STRUKTUR INTERNAL LVDT

STRUKTUR INTERNAL LVDTTerdapat dua lilitan skunder kiri dan kanan dipisahkan olehsebuah lilitan primer yang menjadi pusatnya dan jarak lilitanprimer ke masing-masing lilitan sekunder adalah simetris

Core adalah elemen yang bergerak pada LVDT, berbentuk pipayang terpisah yang terbuat dari bahan yang memilikipermeabilitas magnetik. Core bebas bergerak secara aksialterhadap coil dan secara mekanik dikopelkan pada objek yang akan diukur posisinya

Coil adalah lilitankan pada satu potong bentuk cekungan yang terbuat dari polymer bertulang kaca yang memiliki kestabilansuhu tinggi.

Diamankan dalam sebuah rumahan silinder yang terbuat daristainless stell.

KENAPA MENGGUNAKAN LVDT ?

Friction free operationTidak terdapat kontak fisik antara core yang bergerak denganstruktur coil berarti LVDT merupakan peralatan yang tanpa gesek

Infinite Resolution Sifat tanpa gesekkan dan digabungkan dengan prinsip induksimenghasilkan karaktersitik resolusi yang tak terbatas (infinite resolution). Hal ini dapat merespon pergerakkan yang sangatcepat dari inti

Unlimited Mechanical LifeTidak adanya gesekkan antara LVDT dan core menyebabkanLVDT dapat digunakan untuk jangka waktu yang sangat lama (infinite mechanical life).

KENAPA MENGUNAKAN LVDT

Single axis sensitivityLVDT sensitif terhadap pergerakan core yang bersifat aksial) tetapi tidak sensitif dengan pergerakkan core yang radial.

Separabel Coil ang coreCoil dan core terpisah maka interaksi yang ada hanya secaramagnetik sehingga dalam perancangan coil dan core dapatdipisah dengan memasukan tabung non-magnetik tanpamenggangu pergerakkan inti.

Environmentally RobustMaterial dan teknik konstruksi yang dilakukan sewaktuperancangan LVDT menghasilkan sensor yang tahan dan kuatmengatasi berbagai jenis kondisi lingkungannya

KENAPA MENGGUNAKAN LVDT

Null Point RepeatibilityPosisi nul pada LVDT merupakan titik yang stabil dan dapatberulang meskipun digunakan pada range temperatur yang besar.

Fast Dynamic ResponseTidak adanya friksi yang terjadi selama operasinyamenyebabkan LVDT mampu memberikan respon yang cepatterhadap perubahan posisi core

Absolut OutputJika terjadi kehilangan daya maka posisi data yang diberikanoleh LVDT tidak akan hilang. Ketika sistem pengukuran direstar maka nilai keluaran LVDT akan tetap sama sepertisebelum terjadi kerusakkan (kegagalan sistem)

Prinsip Transduser LVDTEksitasi primer : Lilitan primer diberi daya oleh arus AC denganamplitudo dan frekuensi yang sesuai. Tegangan akan diinduksikan kekedua lilitan sekunder

Lilitan-lilitan ini dihubungkan secara seri berlawanan sehingga keduategangannya pun akan berlawanan polaritas

Tegangaan keluaran trasduser adalah beda antara kedua tegangandiatas, yang mana akan nol jika core berada di posisi null.

Ketika core digerakkan dari pusat, maka tegangan induksi dalam coil yang dituju akan meningkat seiring dengan peningkatan gerak core, sedangkan tegangan induksi pada coil yang berlawanan akanmenurun.

Aksi ini akan menghasilkan perbedaan tegangan keluaran yang bervariasi secara linier dengan perubahan posisi core

Prinsip Transduser

Prinsip Transduser

APLIKASI (Pengukuran Level Air)

STRAIN GAGES

Sifat umum strain Gages :Strain gages merupakan sebuah transducer pasifStrain gage tergolong sensor resistifStrain gages memiliki faktor gages(G) yang menjelaskan sensitivitas gage terhadap faktor luar.

ε = regangan dalam arah lateral

perbandingan perubahan resistansi (ΔR) terhadap resistansi semula (R) sama dengan faktor gage (Gf) dikali elastisitas starin gage (ε) :

STRAIN GAGES

Rumus dasar untuk resistansi dari sebuah kawat dengan luaspermuakaan , A, dan Resitivitas , ρ,

Besarnya perubahan resistansi juga dipengaruhi oleh material penyusun strain gauge

ALR ρ=

Prinsip kerja Strain Gauge

Figure . Wheatstone BridgePada saat keadaan setimbang :

V0 = 0

VR3 = VR2

R1/R2 = R4/R3

Pengkondisian SinyalStrain gage dihubungkan ke jembatan Wheastone

Metoda pengukuran menggunakan jembatan wheatstonea. Rangkaian jembatan ¼

Hanya menggunakan satu hambatan sebagai gage aktif, sementara hambatan lainnya passive.

Nilai tegangan keluaran :Vo =(V/4)(∆R1/R1)

=(V/4)(k.ε)

Figure rangkaian jembatan1/4

Jembatan Wheastone

b. Rangkaian Jembatan ½

Menggunakan 2 hambatan sebagai gage aktif. Sehingga menghasilkan kondisi regangan yang spesifik.

Terdapat dua kondisi :

1. Kondisi Jembatan tidak seimbang (Bridge balanced)

2. Kondisi Jembatan seimbang( Bridge unbalanced

Jembatan Wheastone

1. Kondisi Jembatan Seimbang (Bridge Balanced)

• Nilai perubahan hambatan pada kedua gage sama (peningkatan nilai Rgage1& nilai Rgage2).

• Menghasilkan kondisi regangan memanjang

Figure Rangkaian Bridge Balanced

Jembatan Wheastone

2. Kondisi Jembatan tidak Seimbang (Bridge Unbalanced)

Nilai perubahan pada kedua gage tidak sama(peningkatan nilai Rgage1 dan Rgage2)

Menghasilkan kondisi regangan membengkok

Jembatan Wheastone

c. Rangkaian Jembatan Penuh

Menggunakan seluruh hambatan sebagai gage aktif

Regangan yang dihasilkan adalah tipe torsion (torsion disebabkankarena nilai R1 dan R4 meningkat secara bersamaan dan R2 dan R3 menurun secara bersamaan.

(a) (b)Figure. Rangkaian Jembatan penuh (a)

Nilai Ekuivalen (b)

Jembatan Wheastone

Sangat ideal untuk suatu regangan dengan gaya kecilDirancang sebuah “load ring” sebagai aplikasinya

Figure sebuah load ring

Terdapat beberapa tipe :

Small displacement

Large displacement

Piezoelectric Crystal

Penggunaan Strain gage pada Force transduser

Transduser Piezoelektrik

Piezoelectric transducer :Transduser yang prinsip kerjanya berdasarkan adanyamuatan-muatan listrik dan pengubahan bentuk bahan-bahantertentu yang memiliki sifat-sifat piezoelektrikTransduser piezoelektrik mengopelkan tenaga listrik dengantenaga mekanik sehingga banyak aplikasinya pada transduserelektromekanik

PiezoelektrikSifat/kemampuan untuk membangkitkan tenaga listrik jika dikenai gaya mekanik atau membangkitkan gaya mekanik jika dikenai tegangan listrik.Sifat Piezoelektrik ini terdapat pada kristal piezoelektrik danberkaitan dengan struktur kristal tersebut

Listrik yang terjangkit sebagai akibat adanya efek piezoelektrikdisebut Piezoelectricity

Transduser Piezoelektrik

Kristal PiezoelektrikKristal yang memperlihatkan adanya efek piezoelektrik padadirinya. Sifat piezoelektrik terdapat pada semua hablur ferroelektrik,beberapa hablur non ferroelektrik dan keramikBahan yang umum digunakan adalah : kristal Kwarsa, garamRochelle dan Titanat barium

FerroelektrikMaterial dielektrik seperti Titanat barium dan Garam Rochelle yang secara listrik analog dengan material magnetMaterial ini selain memiliki sifat piezoelektrik juga memiliki sifathisterisisnya bila berada dalam medan listrik bolak-balik, sifat-sifat ini dimanfaatkan sebagai pembangkit dan detektorgetaran sonar dan ultrason

Efek PiezoelektrikMaterial yang menjadi berkutub listirk apabila ia diregang secaramekanik.

Arah dan besar pengutupan tergantung kepada sifat dan besarregangan tersebut

Dalam material piezoelektrik efek kebalikkannya dapat terjadi : meregang secara mekanik apabila dikenai medan listrik

Besar efek Piezoelektrik bergantung kepada arah reganganmekanik relatif terhadap sumbu-sumbu kristal

Sumbu-sumbu kristal ada 3 yaituSumbu Y = sumbu MekanikSumbu X = sumbu ElektrikSumbu Z = sumbu Optik

Efek maksimum diperoleh bila :Regangan mekanik dikenakan di sepanjang sumbu YTegangan elektrik dikenakan disepanjang sumbu X

Berdasarkan orientasi terhadap sumbu-sumbu kristal ada beberapatipe irisan yaitu :

Tipe X : irisan yang permukaan datarnya tegak lurus sumbu X kristal aslinyaTipe Y : irisan yang permukaan datarnya tegak lurus sumbu Y kristal aslinyaTipe GT, AT, BT, CT, DT, XY : irisan yang teriris pada besarsudut tertentuMasing-masing irisan memiliki sifat khusus tersendiri dalam halkoefisien suhu dan frekuensi penggunaannya

Efek Piezoelektrik

Gambar sumbu piezoelektrik

Persamaan Piezoelektrik

Jika dielektriknya bukan material piezoelektrik maka :Ketika suau gaya F diberikan dan menurut hukum Hook’s dalamrange elastisitas E (modulus young) dihasilkan strain S sebesar :

S = s T ; { ε = σ/E } ……(1)dimana : s = kelenturan = 1/E

T = tekanan (stress) = F/A

Ketika beda potensial diberikan antara kedua plat makadihasilkan medan listrik E ,sehingga :

D = ε E = ε0 E + P …….(2)Dimana : D = Rapat fluks listrik

ε = Tetapan dielektrik ; ε0 = 8.85 pF/m (Ruang Hampa)P = Vektor Polarisasi

Persamaan Piezoelektrik

Jika material piezoelektrik digunakan diantara dua plat maka : Hubungan kuantitas mekanik dan kuantitas elektrik ( medan, tekanan dan lain-lain dalam arah yang sama) ketika diberikangaya F adalah :

D = dT + εTE ………(3)S = sE T + d’E ………(4)Dimana :d = koefisien muatan piezoelektrik

εT = Permitivitas pada tekanan tetapsE = Kelenturan pada medan elektris tetap

Jadi pada piezoelektrik terdapat ;strain berkaitan dengan medan listrikMuatan listrik berkaitan dengan tekanan mekanik

Jika area permukaan tidak berubah dibawah tekanan yang diterapkan maka d = d’, dengan dimensi C/N

Persamaan Piezoelektrik

Jika persamaan (3) diselesaikan untuk mendapatkan E (medanlistrik) maka :

E = ( D / εT ) – ( Td / εT ) = ( D / εT ) – gT;g = d / εT = koefisien tegangan piezoelektrik

Jika persamaan (4) diselesaikan untuk mendapatkan T (tekanan) maka :

T = ( S / sE ) – (dE / sE ) = cE S – eEe = d/ sE = koefisien tekanan piezoelektrik

Parameter lain yang digunakan untuk menggambarkan efekpiezoelektrik adalah koefisien coupling elektromekanik :

k = ( d2 / εT sE )1/2

Latihan : Titanate dengan d = -44 pC/N, εT = 660 ε0, e = -4.4 C/m2 dansE = 1/ ( 100 Gpa ), untuk kubus dengan sisi 1 cm, diberikangaya 1000 N maka berapa medan listrik dan pertambahanpanjang yang terjadi ?

Pembentukkan Piezoelektrik

CompactedMonocrystal

CompactedMonocrystal

CompactedMonocrystal

Polarisasi

:::: Suhu

dipanaskan

MedanListrik

Piezoelektrikdidinginkan

MedanListrik

Piezoelektrik materialPiezoelektrik keramik menampilkan kelebihan :

High thermal Physical stabilityDapat di pabrikasi dalam berbagai bentuk yang berbedaMemiliki range nilai sifat-sifat/karakteristik yang lebih luas ( konstanta dielektrik, koefisien piezoelektrik, temperaturcurie,dll)

Kekurangan : sensitivif terhadap temperatur parameter dan rentanatas hilangannya sifat piezoelectric ketika mendekati temperaturcurieKeramik yang paling umum digunakan adalah PZT (lead Zirconatetitanate, Barium tianat dan lead niobateJika tidak memungkinkan menggunakan material padat makajenis polymer yang umum digunakan adalah PolyvinylideneFlouride (PVF2 atau PVDF).Untuk meningkatkan sifat mekanik sensor piezoelektrik makadigunakan material piezoelektrik campuran

Sifat dalam aplikasi :

kekurangan diantaranya :Koefisien piezoelektrik sensitivif terhadap temperatur diatastemperatur curie semua material akan kehilangan sifatpiezoelektriknya. Temperatur ini berbeda untuk setiap materialImpedansi output material piezoelektrik sangat tinggi ( kapasitansi kecil dengan resistansi bocor yang sangat besartapi tidak pernah tak hingga) sehingga dalam pengukuransinyal yang dihasilkan harus menggunakan penguatan.

Keuntungan piezoelektrik :Sensitivitas tinggiBiaya murahKekakuan mekanik sangat tinggi ( sifat yang diinginkan ) karenadapat mengalami perubahan bentuk yang lebih kecil dari1mikrometer, sehingga cocok untuk pengukuran gaya dantekanan

Prinsip transduser

q = muatan yang dibangkitkana = tergantung dari karakteristik piezoelektrikF = gaya yang diberikan pada piezoelektrikks = perubahan panjang per unit gaya yang diberikanJika redaman pada sistem diabaikan maka sistem akan memilikifrekuensi dimana sistem tersebut bergetar secara alami. Frekuensinatural sebesar :

Getarangaya

piezoelektrik Muatanq = a F ks Charge

Amplifier

Tegangan

mks

n =ω

AplikasiKeuntungan

PiezoelektrikSensors

Sensitivitasnya tinggi, biasanyapada harga rendah

“Stiffness” mekaniknya tinggi.

Aplikasi sederhana untuk efek piezoelektrik

Kasus a Tidak ada gaya yang digunakan tetapi hanyategangan V. Regangan dihasilkan. T = 0 , untuk small displacement

Kasus b Piringan metalik di short sircuit dan gayadigunakan. Polarisasi timbul karena muatanelektrik pindah dari piringan satu ke lain, untukgaya, getaran, tekanan

Kasus c Perubahan nol karena gaya F digunakan hanyauntuk menggantikan medan E yang mengacupada tegangan yang digunakan. S=0

Kasus d Open sircuit. Tidak mungkin mengirimbanyak muatan dari satu piringan ke yang lain. D=0

+ + + + + + + +

- - - - - - - - - - - -

-+

t

+

-V

- - - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + +

-+

t

FF

+ + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - -

+

-V

FF-+

t

FF

+

-V

Transduser Temperatur

Transduser Temperatur

Sensor Resistive Generating sensor

ThermistorResistive

TemperatureDetector

Thermocouple Pyroelektrik

Bimetal

Bimetal dibentuk dari penyatuan dua permukaan metal yangmemiliki nilai koefisien ekpansi yang berbeda. Koefisien ekpansi adalah perubahan panjang per derajat perubahantemperatur. Pada semua metal nilai ini positif.Pembengkokkan ini sering digunakan untuk operasi pensaklaran(switch contacts), biasanya satu strip membawa satu kontak.

Bimetal pada Thermostat

Tipe konvensional dari bimetal dengan elemen strip ini masihditemukan dalam aplikasi thermostat (alat pengatur panas).

ThermistorThermistor berasal dari “ Thermally sensitive Resistor”Thermistor berdasarkan pada resistansi semikonduktor yang tergantung pada temperatur. Jika temperatur naik, maka untukkoefisien negatif resistansi akan turun dan untuk koefisien positifresistansi akan naik

Thermistor

Negative Temperature Coeficient Thermistor

Positive Temperature Coeficient Thermistor

THERMOELECTRIC EFFECT

Sensor thermoelektric didasarkan pada 2 efek reversible yang berlawanan dengan efek Joule yang irreversible.

Seebeckeffect

Thomas J. Seebeck (1822)

“Dalam sebuah rangkaian dengan 2 logamberbeda A dan B, dimana memiliki 2 junction dengan temperatur berbeda, maka aruslistrik akan dibangkitkan (konversi darienergi thermal ke energi listrik).”

Efek Seebek pada thermocouple

A

B

T T + ΔTA

B

T T + ΔT

V

Efek Peltier

Jean C. A. Peltier (1834)

Pemanasan dan pendinginansebuah junction dari 2 logamberbeda ketika arus listrikmengalirinya.

Peltier Effect: Ketika arus melalui rangkaianthermocouple, maka salah satu junction dingin danjunction yang lain hangat.

EfekThomson

William Thomson (1847 – 1854)

Penyerapan atau pelepasanpanas dalam sebuah konduktorhomogen dengan temperaturtidak homogen ketika arusmengalirinya.

Efek Thomson: Ketika arus mengalir sepanjang konduktor dengantemperatur yang non homogen, maka panas akan diserap atau dilepas.

Exposed junctionpengukuran statik atau

dalam aliran gas nonkorosifdimana dibutuhkan waktu

respon yang cepat.

Enclosed junctionuntuk lingkungan korosif

(merusak) dimanadibutuhkan isolasi elektrik

untuk thermocouple. Junctionnya dibungkus dandiisolasi dengan semacam

konduktor yang tahan panasseperti oli, raksa, atau

bubuk metalik.Grounded junctionmemungkinkan mengukurtemperatur statik atautemperatur dalam alirancairan/gas korosif.Junctionnyadisolder kebungkus pelindungsehingga respon thermal akanlebih cepat dari padadiisolasi.

Isolated thermocoupleuntuk ground yang

rentan noise.

TIPE-TIPE JUNCTION THERMOCOUPLE

HUKUM – HUKUM THERMOCOUPLELaw of

homogeneous circuits

Tidaklah mungkin untukmempertahankan sebuah arusthermoelektric dalam sebuahrangkaian yang dibangun olehsebuah logam homogen hanya

dengan memberikan panas

Law of intermediate

metals

Jumlah secara aljabar dari semua ggl dalamrangkaian yang disusun oleh beberapa logam

berbeda akan tetap 0 sepanjang seluruh rangkaianberada pada suhu yang seragam. Implikasinya

adalah sebuah material dapat dimasukkan ke dalamrangkaian tanpa menambah kesalahan apapun,

karena junction baru yang terbentuk juga beradapada temperatur yang sama.

Law of successive or intermediate temperature

Jika 2 logam homogen menimbulkan sebuahggl E1 ketika junction-nya pada suhu T1 dan

T2, dan sebuah ggl E2 ketika junction-nyapada suhu T2 dan T3, maka ggl ketika junction

pada suhu T1 dan T3 akan menjadi E1 + E2(Figure 6.9). Ini berarti, sebagai contoh, tidak

dibutuhkan temperatur acuan 0 °C. Temperatur lain pun bisa diterima.

Alternatif Cold Junction pada RangkaianThermocouple

Solution => Dengan mencelupkannya pada Es yang mencair (0 oC)

AkurasiTinggi

Perawatan teratur danBiaya Besar

1)

Solution => dengan meletakkannyapada Elemen Pendingin ( Oven Bersuhu tetap)

Biaya besaruntuk kabelsambungan

2)

Solution => dengan membagi cold junction menjadi 2 buah junction dan meletakkannya padatemperatur konstan. Pada solusiini dapat digunakan kabel biasa(tembaga)

Biaya tetapbesar untukkebutuhantemperatur

acuan yang tetap

3)

4) Solution => dengan pembebasan junction acuan untuk mengalami fluktuasi temperaturlingkungan, tetapi pada waktu yang sama dilakukan pengukuran fluktuasi oleh sensor temperatur lain yang berada dekat junction acuan.

SENSOR VARIASI REAKTANSI DAN ELEKTROMAGNETIK

SENSOR KAPASITIFKapasitor VariabelKapasitor terdiri dari 2 bahan konduktor listrik yang terpisaholeh bahan dielektrik, berupa : padat, Cairan,Gas Hampa

udara

Persamaan Matematis

Q = muatanV = beda potensial antara 2 keping konduktorC = kapasitansi

QCV

=

Contoh untuk 2 kapasitor:

dε

Besar kapasitansinya : . .rACdoe e=

ε0 = konstanta dielektrik ruang hampa = 8,85 pF/mεr = konstanta dielektrik relativeA = lebar konduktord = jarak antar konduktor

Energi pada kapasitor : 212

E CV=

Gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan 2 piringankonduktor F :

22

1 .2

AF Vde=

•Sebagai sensor pemindahan mekanis yang memiliki kelasahan/error pembebanan minimum,.

•Memiliki stabilitas tinggi.•Tidak terlalu berpengaruh pada perubahan suhudibanding sensor resistif

•Resolusi pengukuran tinggi.•Tidak menghasilkan medan magnet atau medanlistrik yang tinggi.

Keuntungan Sensor Kapasitif :

4.1.2. Kapasitor Diferensial

Terdiri dari dua kapasitor variabel tetapi dengan arahyang berbeda, outputnya linear dan menambah sensitivitasdibanding kapasitor tunggal.

AC c1

c2

x

v1

v2

1Ac

d xe=+

2Ac

d xe=-

21

1 2 2C d xV V V

C C d+= =

+

12

1 2 2C d xV V V

C C d-= =

+

SENSOR ELEKTROMAGNETIK

Sensor berdasarkan Hukum Faraday

e = GGL/teganganΦ = fluks listrik

de Ndtf= -

Karakteristik sensor elektromagnetik terdiri dari satu atau duavariabel kapasitor atau dari satu atau dua variabel induktansi. Sensor ini menghasilkan perubahan medan magnet atau listrik tanpamengubah induktansi atau kapasitansinya

Prinsip kerja tachometer AC sama dengan prinsippada generator.Tegangan yang dihasilkan, yaitu

. . . .sine N B A tw w= B = kerapatan fluks listrikω = kecepatan sudut konstan

Sensor Kecepatan Linier (LVS-Linear Velocity Sensors) : digunakan untuk mengukur kecepatanlinier

Persamaan matematis:

bev

= e = tegangan pada konduktorv = kecepatan

Tachometer :

Flowmeter Elektromagnet

Merupakan cairan konduktif yang bergerak dalam medanmagnet akibat 2 kumparan luar.

elektroda

conduit

lining

elektronagnetik flowmeter

Sensor Efek Hall

Efek Hall terjadi karena perbedaan potensial listrikpada sisi konduktor atau semikonduktor dengan arus listrikketika medan magnet tegak lurus dengan arus listrik.Persamaan matematis :

..H

HV tAI B

=AH = koefisien HallVH = tegangan Hallt = ketebalan bahanI = arus primerB = Kerapatan fluks listrik

Keuntungan:1. Tidak terpengaruh terhadap kotoran debu, kelembaban atau getaran.2. karakteristik selalu konstan.

The Pyroelectric Effect

analog dengan efek piezoelektrikAda tiga proses yaitu penyerapan intensitas radiasi, perubahan temperatur menyebabkan perubahan polarisasi secara spontan dan menghasilkan arus listrik

Ketika perubahan temperatur seragam melalui bahan, efek ini dapat digambarkan dengan persamaan :

ΔP = pΔT, P = polarisasi spontanp = koefisien pyroelektrik

The Pyroelectric MaterialsLinear: Turmalin, Litium sulfat, Cadmium dan Selenium Sulfit. polarisasitak bisa diubah dengan membalikkan medan magnetferroelektrik : Litium Tantalat, Stronsium dan Barium Niobate Triglisin Sulfat, dll

Radiation Law:Planck, Wien and Stefan-Boltzman

berhubungan dengan radiasi sebuah benda hitam (benda yang menyerap energi yang mengenainya).

Energy yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam per waktu, per luas didefinisikan sebagai emisifitas ε. Emisifitas sebuah benda hitam sempurna adalah sebesar, ε=1. Energy yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam per waktu, per luas pada suatu panjang gelombang tertentu dirumuskan oleh planck dengan:

Wλ = c1 W.cm2/μm[λ5 [exp (c2/λT) – 1]

c1 = 2c2h = 3,74 x 104 W.μm4/cm2

c = hc/k = 1,44 cm.Kh = 0,655 x 10-33 W.s2 ,

konstanta Planck

k =1,372 x 10-22 W.s/K, konstanta Boltzmann

c~3 x 108 m/s, kecepatan cahaya

menemukan ada hubungan antara panjang gelombang dengan Intensitas radiasi sebuah benda pada suhu tertentu. Wien menemukan adanya pergeseran pada masing-masing puncak intensitas (maksimum) terhadap panjang gelombang untuk suatu suhu tertentu. Semakin tinggi suhu suatu benda, maka puncak intensitas maksimumnya semakin tinggi pula

Wilhelm wien

Stefan dan Boltzman menyatakan bahwa semakin tinggi suhu suatu benda maka makin besar energi yang diradiasikannya.E = σT4 E = Energi yang dipancarkan pada suatu luasan

σ = Konstata Boltzmann 5,76x10-12 ,W/cm2K4

T = Suhu Mutlak ,K

ApplicationEfek ini digunakan untuk mendeteksi radiasi termal pada suhu kamar. Contoh : pada pyrometer, Radiometer, IR Analizer

SENSOR DIGITALInput analog menghasilkan output digital Berdasarkan pada fenomena osilasi fisik

Penyandi Posisi Sensor Frekuensi Variabel

Quartz Digital Thermometers

Vibrating Wire Srain Gages

Vibrating Cylinder Sensor

SAW Sensor

Digital Flowmeter

Incremental Position Encoder

Absolute Position Encoder

Incremental Position Encoders

Penyandi ini terdiri atas sebuah mistar linier atau sebuahpiringan inersia rendah yang digerakkan oleh bagian yang posisinya akan ditentukan, termasuk 2 tipe sektor yang memilikisebuah properti untuk membedakan keduanya.

1.2. Absolute Position Encoders

Penyandi ini menggunakan sebuah glass disk yang diberitanda dengan suatu pola track yang konsentris. Pancarancahaya yang terpisah dikirimkan melalui setiap track kemasing-masing photo sensor yang akan menghasilkan 1 bit pada output digital.

Keuntungan dan Kerugian

Incremental Position Encoders+ Lebih murah

dibandingkan penyandiabsolut.

- Outputnya merupakanpulsa untuk setiapperubahan yang hanyamemberikan posisi relatif.

Absolute Position Encoders+ Outputnya dalam bentuk digital

dan selalu memberikan posisiabsolut

+ Kebal terhadap interupsi daninterferensi elektromagnet.

- Relatif lebih mahal karenamembutuhkan reading headyang lebih kompleks

- Reading element-nya harusditempatkan dengansempurna agar tidakmemberikan data yang salah.

SENSOR FREKUENSI VARIABELSensor ini bekerja berdasarkan fenomena resonansi fisikdimana menghasilkan frekuensi output yang bergantungpada kuantitas fisik dengan memperhatikan efek darifrekuensi osilasi.

Quartz DigitalThermometersTermometer kuarsa digital ini bekerja berdasarkan koefisientemperatur pada osilator kuarsa piezoelektrik.

Vibrating Wire Strain Gages

Frekuensi osilasi melintang terendah untuk kawat bergetaradalah :

Dimana l = panjangf = gaya mekanikm = berat jenis massa longitudinal(mass/length)

Pada vibrating wire gages, vibrasi melintang dibangkitkan oleharus pulsa yang diterapkan pada kumparan, yang kemudiandigunakan untuk mendeteksi frekuensi vibrasi.

2/1

21

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

MF

lf

Vibrating Cylinder Sensor

Frekuensi osilasi pada vibrating cylinder sensor ini bergantungpada dimensi, material, danmassa dinding silinder.Denganmenggunakan elektromagnetikdriver untuk menjaga osilasisistem, maka memungkinkanuntuk mengukur perbedaantegangan diantara kedua sisisilinder yang disebabkan olehtekanan mekanis. Aplikasi yang biasa digunakanuntuk prinsip pengukuran padaalat ini adalah pengukuranberat jenis cairan yang mengalir.

Pengkondisian Sinyal untuk sensor resistifPengukuran Resistansi

Persamaan umum sensor berdasarkan variasi dari hargaresistansi dari variabel yang diukur (x), dimana

R = Ro f(x), diasumsikan f(0) = 1.

Untuk kasus hubungan linear, didapatkan persamaan:R = Ro (1+x)

Disebut linear, karena persamaan tersebut berorde 1, dimana R sebanding ( jika R naik, maka Ro juga naik ). Range harga dari x sangat tergantung pada tipe sensor dan range harga untuk banyaknya yang diukur.

Pengukuran Resistansi

Ada dua batasan yang harus dipenuhi oleh sensor resistif :Tiap sensor membutuhkan supply listrik untuk menghasilkan. sinyal keluaran, Supply ini memiliki magnitude yang berpengaruh terhadap sinyaloutput

Metoda pengukuran resistansi dapat dibedakan menjadi dua yaitu:Metoda defleksiPada metoda ini yang diukur :

tegangan jatuh pada resistansi atauarus pada resistansi ataukedua-duanya yang diukur.

Metoda NullBerdasarkan pengukuran jembatan

Pengukuran Resistansi

Metoda Two-reading. Dengan menempatkan resistor stabil (diketahui nilainya) seri denganresistor yang tidak diketahui. Pertama mengukur tegangan padaresistor yang diketahui, kedua mengukur tegangan pada resistor yang tidak diketahui selanjutnya dibandingkan sehingga didapatkan nilairesistor yang tidak diketahui :Pembacaan 1: Pembacaan 2 : Didapatkan

Rs = ResistorstabilRx = Resistor yang tidak diketahuiV = Tegangan sumber

RsRxRs

VVs+

=RxRs

VRxVx+

=VsVxRsRx =

PEMBAGI TEGANGAN : Potensiometer

Pada rangkaian dibawah ini terdapat persamaan sebagai berikut :Vo = V(1-x)

= V – Vx = Vtotal – Vvariabel xRo = Rnx (1-x)

= Rnx – Rnx2

yang merupakan rumus pembagi teganganError absolut e :e =( Vm – Vo) / V = [-x (1 – x)2 ]/ [k + x (1-x)]

RmRmxRnx

xVVm+−

−=

)1()1(

ekivalen dengan :

RmRmRo

Vo+

=

PEMBAGI TEGANGAN : Aplikasi Thermistor

Persamaan umum dari thermistor:RT = Ro exp [ B (1/T –1/To) ] = Ro f(T)

Dimana temperatur dalam Kelvin.Persaman ini menunjukkan keadaan yang tidak linear dan bisadijadikan linear dengan menggunakan pembagian tegangan.

Dimana : RT = Resistansi ThermistorR = Resistansi (yang diketahui nilainya) seri

dengan resistansi ThermistorV = Tegangan SumberVo = Tegangan yang terbaca pada resistansi R

RTRRVVo+

=

JEMBATAN WHEATSONE : METODE SEIMBANG

R1

R2

R3

R4

i

Gc d

b

a

E

2211 RIRI =

3121 RR

EII+

==

3121 RR

EII+

==

42

2

31

1

RRR

RRR

+=

+

3241 RRRR =

Jika R4 tidak diketahui, tahanannya Rx dapat dinyatakan oleh tahanan-tahananyang lain, yaitu:

1

23 R

RRR x =

Pemecahan persoalan rangkaian jembatan pada ketidaksetimbangan didekatidengan mengubah jembatan Wheatstone Gambar 1 ke penggantinyaThevenin. R

1

R2

R3

R4

RbC d

a

b

JEMBATAN WHEATSTONE : METODE DEFLEKSI

Sensitivitas dan Linieritas

V

R1

R2

R4

R3=Ro(1+x)

i

VoI2 I1

( )( )xkkRV

xRVS k

+++==

111

00

0

Kalibrasi Jembatan Sensor

V

R1

R2

R4

R3

Vo

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−==

00

0

0

0 1RR

RV

xRVS c

Perbedaan dan Rata-rata Alat Ukur Kompensasi

V

kR0 kR0

R0(1+X2) R0(1+X1)

Vo

( )( )2120 1

xxk

kVV −+

≈

V

kR0 kR0

R0

Vo

Power Supply Dari Jembatan Wheatstone

( )( )xkkkxVV

+++=

110

ACQUISITION DATA

.

10.2 STRUKTUR SISTEM TELEMETRI

TELEMETRI AMPLITUDE

Telemetri TeganganMetode yang paling sederhana untuk mentransmisikan informasi yang berhubungan dengan banyaknya variabel yang akan diukur adalahdengan mengkonversi sinyal keluaran sensor kedalam suatu teganganyang nilainya sebanding, kemudian menghubungkan tegangan ini kesuatu saluran dua kawat dan mengukur tegangan pada penerima, seperti pada gambar

Telemetri Arus

Sebagian dari keterbatasan telemetri tegangan bisa diatasi dengan mengkonversi kuantitas yang diukur menjadi arus yang nilainya sebanding , yang dikirim ke line penghubung.Pada receiver, arus ini akan dideteksi dengan mengukur

tegangan jatuh yang melewati resistor. Gambar berikut ini menunjukkan sistem telemetri arus yang berdasarkan kepada current to voltage converter pada ujung receiver.

Time Division Multiplexing(TDM)Sistem TDM ini menggunakan saluran dan frekuensi tunggal, dimana tiap sinyal data ditempatkan pada slot waktu.

System TDM adalah system serial karena sinyal dari masing-masing user berurutan dalam time slot.

Metoda multiplexing ini biasa digunakan pada system akuisisidata, juga merupakan cara yang umum digunakan untukmultiplexing sinyal digital

Setiap sinyal informasi yang berbeda di-sampling pada waktu yang berbeda, kemudian dilakukan teknik modulasi pulsa ( : PCM)