TUGAS INSTRUMENTASI INDUSTRICAPACITIVE PRESSURE SENSOR

Disusun Oleh Kelompok 3:1. Muhammad Roy Ashiddiqi (2414105011)2. Gesang Rakhmad Utomo (2414105012)3. Nugroho Raharjo Assidqi (2414104014)4. Damayanti Sari (2414105016)5. Moch Machrus Adhim (2414105017)

Dosen Mata Kuliah :Ir. Ya’umar, MT

PROGRAM STUDI LINTAS JALUR S-1JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA2015

10

BAB I DASAR TEORI

1.1 Pendahuluan

Kapasitor adalah salah satu komponen pada rangkaian listrik yang dapat menyimpan dan melepas energy listrik dalam bentuk muatan-muatan listrik. Sensor kapasitif merupakan sensor elektronika yang bekerja berdasarkan konsep kapasitif. Sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi listrik yang dapat disimpan oleh sensor akibat perubahan jarak lempeng, perubahan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum sensor kapasitif tersebut. Kapasitor sederhana atau kondensor terdiri dari dua pelat logam paralel yang dipisahkan oleh dielectric atau bahan isolasi . Gambar dari sensor kapasitif dapat dilihat pada gambar 1.1[1]

Gambar 1.1 Sensor Kapasitif[1]

1.2 Prinsip Kerja Capacitive Sensing Element sebagai Sensor Tekanan

Sensor kedekatan kapasitif adalah alat yang berfungsi untuk merasakan object yang diaktifkan oleh bahan konduktif dan non-konduktif. Dimana sensor kapasitif ini mempunyai prinsip kerja berdasarkan pada prinsip osilator. Salah satu aplikasi capacitive sensor adalah sebagai sensor tekanan dengan cara meggunakan sebuah membrane yang dapat merenggang sehingga tekanan dapat dideteksi dengan menggunakan spacing-sensitive detector. Capacitive pressure sensor berdasarkan fungsinya terdiri dari dua macam, antara lain:

A. Sensor Tekanan Absolute

10

Prinsip kerjanya adalah membrane diafragma berubah karena perbedaan tekanan antara tekanan external dan tekanan referensi internal. Kapasitansi kapasitor ini berubah karena jarak variable antara membrn dan bagian belakang chamber berperan sebagai sebagai elektroda co-operasi berubah,dimana tekanan eksternal dapat ditentukan dari hasil perubahan dalam kapasitansi. Sensor tekanan absolut memuliki sensitivitas yang tinggi namun rentang dinamisnya kecil. Namun rentang dinamis dapat ditingkatkan dengan teknik servo kapasitor elektrostatik. Skema dari sensor tekanan absolut dapat dilihat pada Gambar 1.2 [1]

Gambar 1.2 Sensor Tekanan Absolut[1]

B. Capacitive Differential Pressure Sensor (CPDS)

Sensor ini bekerja berdasarkan prinsip perbedaan tekanan antara kedua sumber tekanan dimana CPDS ini dapat mengukur perubahan tekanan dari defleksi diafragma menggunakan membrane diafragma. Sensor ini mampu mengukur tekanan di bawah ataupun di atas tekanan referensi. Pada saat tekanan yang terukur berada di bawah tekanan referensi maka membrane diafragma berdefleksi keluar dari lubang tekanan sehingga jarak antara plat bertambah dan secara otomatis kapasitansi efektif berkurang, begitu juga sebaliknya apabila tekanan yang terukur berada di atas tekanan referensi maka membrane diafragma berdefleksi ke dalam dari lubang tekanan sehingga jarak antar plat berkurang dan kapasitiansi efektif bertambah.

Kapasitansi relatif diukur dengan sirkuit jembatan. Ada dua desain yang cukup umum. Desain pertama adalah desain dua-plat dan dikonfigurasi untuk beroperasi dalam modus seimbang atau tidak seimbang. Yang kedua adalah desain kapasitor tunggal. Modus seimbang adalah dimana referensi kapasitor yang bervariasi untuk memberikan tegangan nol padaoutput. Modus seimbang memerlukan pengukuran rasio output untuk eksitasi tegangan untuk menentukan tekanan. Jenis pengukuran tekanan cukup akurat dan memiliki jangkauan operasional yang luas.

Bagian-Bagian dari sensor dapat dilihat pada Gambar 1.3

10

Gambar 1.3 Bagian-Bagian Sensor[1]

Skema prinsip kerja dari capacitive pressure sensor dapat dilihat pada Gambar 1.4

Gambar 1.4 Prinsip Kerja Capacitive Pressure Sensor[1]

Struktur dari skematik Capacitive Differential Pressure Sensor (CPDS) dapat dilihat pada Gambar 1.5

10

Gambar 1.5 Struktur Skematik CPDS

1.3 Sifat Capacitive SensorAdapun sifat dari Capacitive Sensor, adalah:

1. Jika luas permukaan dan dielektrika (udara) dalam dijaga konstan, maka perubahan nilai kapasitansi ditentukan oleh jarak antara kedua lempeng logam.

2.   Jika luas permukaan dan jarak kedua lempeng logam dijaga konstan dan volume dilektrikum dapat dipengaruhi makan perubahan kapasitansi ditentukan oleh volume atau ketinggian cairan elektrolit yang diberikan.

3.   Jika jarak dan dielektrikum (udara) dijaga konstan, maka perubahan kapasitansi ditentukan oleh luas permukaan kedua lempeng logam yang saling berdekatan.

1.4 Kelebihan dan Kekurangan Capacitive SensorBerikut ini adalah kelebihan dan kekurangan dari capacitive sensor :a) Kelebihan :

Bisa dilihat di bawah sinar matahari Tidak ada medan listrik Stabilitas dan reproduksibilitas tinggi Tinggi resolusi termasuk resolusi subnanometer 

Tidak sensitif terhadap perubahan materi: sensor Capacitive merespon sama untuk semua konduktor 

Cepat tanggap

b) Kekurangan :

Harganya relative mahal[2]

 

10

1.5 Model Matematik Capacitive Pressure Sensor

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, sensor tekanan kapasitif ini cara kerjanya mengukur beda kapasitansi pada kedua logam dengan tekanan tertentu. Untuk mengetahui nilai tekanan tersebut dapat digunakan persamaan sebagai berikut.

Dimana:

S = Area / Luas

d = jarak kedua plat.

r = Relative permittivity/ Dielectric Constant

o = Vacuum permittivity/ permitivitas pada hampa udara

Berdasarkan buku acuan Sensor Kapasitif Johanson. Terdapat hal-hal yang mempengaruhi berubahnya nilai kapasitansi di luar rumus diatas. Yaitu Plat metal konduktor pada kapasitor, kerap kali terpapar oleh efek fringing flux. Peristiwa ini terjadi akibat jarak kedua plat terlalu jauh. Hal ini mengakibatkan perubahan nilai kapasitansi:

Berikut juga terdapat beberapa database konstanta dielektrik berdasarkan material

penyusunnya:

10

1.6 Karakteristik Statik dari Capasitive Sensor

Gambar 1.6 Sensor kapasitif pada industri[3]

a. Akurasi dari sensor :

Gambar 1.7 Grafik Akurasi dari sensor kapasitif[3]

b. Span dari sensor : untuk 0 -100 Psi maka spannya yaitu 100 Psi dan untuk 200 – 500 Psi maka spannya 300 Psi , untuk tegangan dari 0,5V sampai 4,5V maka spannya yaitu 4,0V.

c. Output Range dari sensor :

10

Gambar 1.8 Output range dari sensor kapasitif[3]

d. Linearity dari sensor :

Gambar 1.9 Linearity dari sensor kapasitif[3]

e. Hysteresis dari sensor :

Gambar 1.10 Linearity dari sensor kapasitif[3]

10

f. Repeatability dari sensor :

Gambar 1.11 Repeatability dari sensor kapasitif[3]

g. Supply Tegangan yang dibutuhkan oleh sensor kapasitif ini yaitu 8,5V lebih dari itu dapat merusak dari sensor tersebut.

1.7 Karakteristik Dinamik

Karakteristik Dinamik dari elemen pengukuran menjelaskan perilaku antara waktu perubahan besaran yang diukur dengan waktu ketika output instrumen menapai nilai mantap responnya. Adapun persamaan umumnya adalah sebagai berikut :

Dimana I adalah besaran yang diukur O adalah pembacaan output serta ao,....an

merupakan konstanta. Apabila meninjau dari fungsi perubahan step (perubahan nilai konstan yang terjadi secara tiba – tiba ke nilai konstan baru maka persamaan tereduksi menjadi :

1.8 Instrumen Orde Nol

Apabila konstanta ao,.....an diasumsikan nol maka yang tejadi adalah

10

Dengan K merupakan konstanta yang diketahui sebagai sensitivitas instrumen seperti yang ada pada karakteristik statik

Gambar 1.12 Karakteristik instrumen orde nol

Pada kenyataanya tidak ada instrumen orde nol dalam elemen pengukuran termasuk sensor yang dibahas pada tugas kali ini yakni capacitive pressure sensor, hal ini dikarenakan tidak ada instrumen yang mengalami perubahan secara mendadak tanpa adanya selang waktu

1.9 Instrumen Orde 1

Apabila semua koefisien a2,......an selain ao dan a1 pada persamaan diasumsikan nol maka persamaan menjadi

Apabila fungsi di atas ditransformasi laplace kan maka yang terjadi adalah sebagai berikut :

10

Gambar 1.13 Karakteristik Instrumen orde 1

1.10 Instrumen orde 2

Persamaan umum instrumen orde 2 adalah sebagai berikut :

Apabila persamaan diatas diselesaikan secara analitik maka respon step yang terjadi adalah besaran output (O) yang diperoleh bergantung pada nilai parameter rasio redaman

10

Gambar 1.14 Respon Instrumen Orde 2

Gambar 1.15 Hasil Pressure Eror

Apabila ditinjau dari fungsi kerja serta karakteristik statik dari capacitive pressure sensor maka capacitive pressure sensor kemungkiinan besar adalah bagian dari instrumen orde 2 dikarenakan respon dari pressure yang dihasilkan bergantung pada seberapa besar redaman yang diberikan. Selain itu dari hasil pressure eror yang kami ambil dapat terlihat bahwasannya capacitive pressure memenuhi sebagai instrumen orde 2.

1.11 Referensi

[1]http://www.slideshare.net/ThursyAnagThoyyibb/trt-1221009mems-pressure-sensorthursy diakses pada 20 Februari 2015 pukul 20.25 WIB

[2] http://www.capacitive-sensing.com diakses pada 20 Februari 2015 pukul 18.25 WIB[3] http://www.sensata.com/download/ipt_tech-note_1.pdf diakses pada 22 Februari 2015 pukul 18.25

WIB