Buku II Diktat Instrumentasi_D3

8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3

http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 1/130

Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-

1

BAB I

PENGUKURAN LISTRIK

Tujuan Instruksional Umum :

Selelah menyelesaikan mata kuliah diharapkan mahasiswa dapat memahami teknik dan

metoda dalam pengukuran listrik.

Tujuan Instruksional Khusus :

Standar Kompetensi

Menggunakan teknik dan metoda pengukuran listrik terhadap alat-alat ukur listrik dan

alat-alat ukur elektronik dalam pemecahan masalah.

Kompetensi Dasar

Memahami teknik dan metoda pemilihan dan penggunaan alat-alat ukur listrik dan

alat-alat ukur elektronik dalam pengukuran listrik

Menggunakan alat-alat ukur listrik dan alat-alat ukur elektronik dalam melakukan

pengukuran listrik dan perhitungan sesuai dengan teknik dan metoda instrumentasi

dan pengukuran listrik.

Indikator

Mahasiswa dapat :

Menjelaskan cara melakukan pengukuran dan menghitung besaran-besaran arus,

tegangan, daya, dan energi listrik dengan menggunakan alat-alat ukur listrik maupun

alat-alat ukur elektronik sesuai dengan teknik dan metoda instrumentasi dan

pengukuran listrik

Menjelaskan cara melakukan pengukuran dan menghitung besaran-besaran tahanan,

induktansi, dan kapasitansi dengan menggunakan alat-alat ukur listrik maupun alat-

alat ukur elektronik serta alat-alat penunjang lainnya sesuai dengan teknik dan

metoda instrumentasi dan pengukuran listrik

Menjelaskan cara melakukan pengukuran elektronik dan diagnosis kesalahan dan

pengujian dengan menggunakan alat-alat ukur elektronik sesuai dengan teknik dan

metoda instrumentasi dan pengukuran listrik.

4.1 Pendahuluan

Besaran-besaran listrik seperti arus, tegangan, tahanan, induktansi, dan kapasitansi

adalah merupakan sebagian dari besaran-besaran listrik yang harus dapat diketahui baik

karakteristik maupun kuantitasnya. Salah satu cara untuk mengetahui besaran-besaran

listrik dapat dilakukan melalui pengamatan fenomena fisis terhadap besaran-besaran listrik

tersebut melalui suatu pengukuran listrik dengan teknik-teknik dan metoda-metoda

tertentu.

Besaran listrik seperti arus dan tegangan adalah dua besaran yang paling penting pada

kelompok besaran listrik tersebut. Untuk itu, dikembangkan teknik pengukuran arus dan

tegangan serta dikembangkan pula alat ukur arus dan tegangan. Untuk mendapatkan hasil

yang teliti, pengukuran besaran arus dan tegangan yang kecil-kecil berbeda dengan besaran

arus dan tegangan yang besar-besar. Alat ukur arus dan tegangan yang sering dijumpai

adalah alat ukur ganda atau multimeter.




2

Kecuali dua besaran tadi, tahanan juga dapat diukur dengan alat ukur multimeter

yang sama. Pada umumnya instrumen seperti AVO (Amper, Volt, Ohm meter) dan DMMs

(Digital Multimeters) sesuai untuk mencatat arus searah yang tetap pada tegangan bolak-

balik yang sinusoidal. Banyak bentuk gelombang berlainan yang ditemukan dalam

rangkaian elektronik, seperti output rectifier, deret pulsa, gelombang siku-siku dan

segitiga, serta bentuk gelombang thyristor. Penunjukan yang diperoleh dengan memakai

instrumen konvensional masih kurang peka, sehingga dicari metoda pengukuran yang lain,

seperti penggunaan CRO (cathode ray oscilloscope).

Arus-arus dan tegangan-tegangan yang diukur dengan alat-alat ukur penunjuk pada

umumnya adalah arus-arus searah dan arus bolak-balik dari frekuensi komersial hingga

frekuensi audio. Dalam penggunaan arus bolak-balik, maka bentuk gelombang, frekuensi,

induksi pada frekuensi tinggi dan sebagainya, akan memperlihatkan pengaruhnya. Sebagai

sesuatu yang juga berlaku untuk arus searah maupun arus bolak-balik, maka sangat

dikehendaki agar suatu alat ukur yang hendak dipergunakan mempunyai daya sendiri yang

sekecil mungkin, sehingga tidak mempengaruhi jala-jala listriknya yang diukur. Kadang-

kadang adalah perlu pula untuk memperhatikan pengaruh dari keadaan di sekitarnya,

seperti pengaruh temperatur dan medan magnet. Syarat dasar semua instrumen adalah bahwa alat yang dipakai tidak menghambat sistem atau variabel yang sedang diukur. Untuk

memenuhi syarat ini diperlukan instrumen ideal yang sempurna dalam segala hal.

Alat ukur yang akan dipergunakan untuk suatu pengukuran yang tertentu, haruslah

dipilih secara rasional dengan memperhitungkan sifat maupun kebesaran yang akan diukur,

maupun maksud dari pengukuran, lokasi daripada alat ukur, keadaan sekelilingnya, dan

sebagainya. Bila faktor-faktor tersebut tidak diperhatikan, maka tidak hanya terdapat

kekeliruan di dalam pemilihan alat-alat ukur, akan tetapi mungkin pula menyebabkan

kecelakaan.

Sejalan dengan kemajuan ilmu dan teknologi, kemampuan manusia membuat alat

ukur yang tepat dan telitipun terus meningkat. Perkembangan di bidang elektronika secara

langsung mempercepat perkembangan di bidang ukur mengukur. Dengan penggunaan

elektronika,, alat ukur makin tinggi ketelitian dan ketepatannya. Selain itu alat ukur yang

tersedia juga makin memungkinkan orang untuk mencatat besaran serta menjadi bagian

dari sistem Pengaturan.

1.2 Pengukuran arus dan tegangan

1.2.1 Pengukuran arus

Arus adalah aliran muatan listrik yang dapat diukur dengan memasang alat ukur arus

atau Ampermeter secara seri pada rangkaian yang dialiri arus yang diukur. Karena itu, alat

ukur arus hendaknya mempunyai tahanan dalam yang kecil. Dengan tahanan dalam yangkecil, maka susut (drop) tegangan pada alat ukur arus dapat ditekan, sehingga pengukuran

menjadi lebih teliti. Alat ukur arus idealnya mempunyai tahanan dalam nol.

Misalkan bahwa dalam rangkaian yang diperlihatkan dalam gambar 1.1(a)

terdapat beban kira-kira 75 dan dihubungkan pada sumber tegangan yang mempunyai

tegangan 1,5 Volt dengan tahanan dalam yang dapat diabaikan. Arus I mengalir ke dalam

alat ukur dari tipe kumparan putar dengan batas ukur skala penunjukan maksimum sebesar

30 A, dan mempunyai tahanan dalam sebesar 15 , dihubungkan secara seri dengan beban

tersebut seperti ditunjukkan dalam gambar 1.1(b). Alat ukur tersebut ditempatkan untuk

mengukur arus I. Dengan adanya alat ukur tersebut ternyata arus I berubah menjadi I’, dan

dapat dinyatakan sebagai : I’ =

A017,0

1575

5,1

= 17 mA




3

Sedangkan arus sebenarnya adalah :

I = A02,075

5,1 = 20 mA

Gambar 1.1 Pengukuran arus; gangguan pada rangkaian pengukuran disebabkan

terhubungnya suatu Ampermeter

Jadi harga arus yang diukur berbeda sebesar 3 mA atau 17% dari harga sebenarnya.

Kesalahan ini dapat dibebankan kepada kondisi rangkaian pengukuran yang telahmengalami perubahan, disebabkan oleh penggunaan alat pengukur amper dengan tahanan

dalamnya yang tidak bisa diabaikan terhadap besar dari tahanan beban, atau oleh karena

pemakaian daya sendiri oleh alat pengukur amper. Bila sekarang alat pengukur amper

kumparan putar dengan batas ukur skala maksimum sebesar 30 mA yang mempunyai

tahanan dalam sebesar 1,1 , dipakai sebagai pengganti alat pengukur arus sebelumnya,

maka arus yang melalui beban adalah :

I” =

A0197,01,175

5,1

= 19,7 mA

Harga hasil pengukuran jauh lebih dekat terhadap arus I dibandingkan dengan hasil

pengukuran yang sebelumnya. Kesalahan hasil pengukuran adalah sebesar 0,29 mA atau1%. Dengan demikian batas ukur atau rangkuman ukur harus diperhatikan pada saat kita

mengukur, begitu pula dengan tahanan dalam alat ukur.

1.2.2 Pengukuran tegangan

Tegangan (gaya gerak listrik) atau emf (electromotive force) adalah suatu besaran

yang dihasilkan oleh sumber listrik atau perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah

rangkaian. Tegangan tersebut selalu berada antara dua titik. Dengan kata lain, besaran yang

diukur adalah perbedaan tegangan antara sebuah titik dengan titik lain. Oleh karena itu, alat

ukur tegangan atau Voltmeter cukup dihubungkan atau dipasang secara paralel pada aliran

tegangan yang hendak diukur. Agar tidak ada arus yang mengalir lewat alat ukur tegangan,

maka tahanan alat ukur tegangan itu sebaiknya besar sekali, idealnya tahanan dalam alat

ukur tegangan tak terhingga.

Gambar 1.2 Pengukuran tegangan; gangguan pada rangkaian pengukuran disebabkan

terhubungnya suatu Voltmeter

(a) ( b)

2 V 2 V9 k 9 k V

10 k 10 k

E E’

15

1,5 V 1,5V75 75

A

(a) ( b)

I I’






5

Gambar 1.3 Pengukuran arus dan tegangan dengan metoda voltmeter-ampermeter

Dengan menunjuk pada persamaan (1-1) dan (1-2), maka untuk mengadakan

pengukuran arus beban dan tegangan beban setepat mungkin, adalah sangat

menguntungkan untuk melaksanakannya sebagai berikut :

a. Untuk pengukuran pada jaringan-jaringan elektronika, di mana arus bebannya kecil,

maka hubungan seperti diperlihatkan dalam gambar 1.3(a) adalah lebih baik

b. Untuk pengukuran pada jaringan-jaringan tenaga, di mana pada umumnya arus

bebannya besar, maka hubungan seperti diperlihatkan dalam gambar 1.3(b) adalah

lebih baik.

1.3 Pengukuran daya

1.3.1 Pengukuran daya dengan metoda voltmeter-ampermeter

Daya arus searah dapat diukur dengan voltmeter dan ampermeter, yang dihubungkan

seperti diperlihatkan dalam gambar 1.4. Perlu untuk memperhitungkan kerugian-kerugian

daya yang terjadi, oleh adanya alat-alat pengukuran. Misalkan bahwa bila beban tahanan

adalah R, tegangan beban adalah V dan arus beban adalah I, sedangkan alat-alat ukur volt

dan amper yang mempunyai tahanan-tahanan dalam R v dan R a, menunjukkan Vv dan Ia.

Dengan mempergunakan rangkaian dalam gambar 1.4(a) akan didapat :

Vv = IR + IR a, Ia = I, maka daya yang akan diukur adalah :

W = I2R = VvIa – Ia2R a (1-3)

Dengan cara yang sama dalam gambar 1.4(b), yaitu :

W = VI = VvIa -

v

v

R

V 2

(1-4)

Gambar 1.4 Pengukuran daya dengan metoda voltmeter-ampermeter

Dalam hal pengukuran arus bolak-balik, bila diketahui tegangan V dan arus I dan di

samping itu diketahui pula perbedaan fasa atau faktor daya cos , maka W dihitung dari

VI cos .




6

1.3.2 Pengukuran daya dengan metoda tiga voltmeter dan tiga ampermeter

Daya satu fasa dapat diukur dengan mempergunakan tiga voltmeter atau tiga

ampermeter. Pada metoda tiga voltmeter seperti yang ditunjukkan dalam gambar 1.5, bila

masing-masing alat ukur menunjukkan V1, V2, dan V3, maka :

V32 = V1

2 + V22 + 2V1V2cos

W = V1 I cos = V1 cos2

R

V

= 2

1

2

2

2

32

1V V V

R (1-5)

Gambar 1.5 Pengukuran daya dengan metoda tiga voltmeter

Gambar 1.6 Pengukuran daya dengan metoda tiga ampermeter

Dalam mempergunakan metoda tiga ampermeter seperti yang ditunjukkan dalam gambar

1.6, bila masing-masing alat ukur menunjukkan I1, I2, dan I3, maka :




7

I32 = I1

2 + I22 + 2I1I2cos

W = V I1 cos = I2 R I1 cos

= 2

1

2

2

2

3

2 I I I

R (1-6)

1.3.3 Pengukuran daya tiga fasa dengan metoda dua wattmeter

Pengukuran daya dalam suatu sistem fasa banyak memerlukan pemakaian dua atau

lebih wattmeter. Kemudian daya nyata total diperoleh dengan menjumlahkan pembacaan

wattmeter secara aljabar. Teorema Blondel menyatakan bahwa daya nyata dapat diukur

dengan mengurangi satu elemen wattmeter dari sejumlah kawat-kawat dalam setiap sistem

fasa banyak, dengan persyaratan bahwa satu kawat dapat dibuat common terhadap semua

rangkaian potensial. Gambar 1.7(a) memperlihatkan sambungan dua wattmeter untuk

pengukuran konsumsi daya oleh sebuah beban tiga fasa tiga kawat yang setimbang yang

dihubungkan secara delta. Kumparan arus wattmeter 1 dihubungkan dalam jaringan A, dankumparan tegangannya dihubungkan antara jala-jala A dan C. Kumparan arus wattmeter 2

dihubungkan dalam jaringan B, dan kumparan tegangannya dihubungkan antara jala-jala B

dan C. Daya total yang dipakai oleh beban setimbang tiga fasa sama dengan penjumlahan

aljabar dari kedua pembacaan wattmeter.




8

Gambar 1.7 Pengukuran daya tiga fasa tiga kawat dengan metoda dua wattmeter; (a)

rangkaian dua wattmeter, (b) diagram fasor

Diagram fasor dalam gambar 1.7(b) menunjukkan tegangan tiga fasa V AC, VCB, dan

VBA dan arus tiga fasa IAC, ICB, dan IBA. Beban yang dihubungkan secara delta dianggap

induktif, dan arus fasa ketinggalan dari tegangan fasa sebesar sudut . Kumparan arus

wattmeter 1 membawa arus IA’A, yang merupakan penjumlahan vektor dari arus-arus fasa

IAC dan IAB. Kumparan potensial wattmeter 1 dihubungkan ke tegangan jala-jala VAC.

Dengan cara sama kumparan arus wattmeter 2 membawa arus IB’B, yang merupakan

penjumlahan vektor dari arus-arus fasa IBA dan IBC, sedang kumparan wattmeter 2

dihubungkan ke tegangan jala-jala VBC. Karena beban adalah setimbang, tegangan-

tegangan fasa dan arus-arus fasa sama besarnya, yaitu :

VAC = VBC = V dan IAC = ICB = IBA = I

Daya dinyatakan oleh arus dan tegangan dari masing-masing wattmeter adalah sebagai

berikut :

W1 = VAC IA’A cos oo VI 30cos30 (1-7)

W2 = VBC IB’B cos oo VI 30cos30 (1-8)

dan W1 + W2 = oVI 30cos + oVI 30cos

= sin30sincos30cossin30sincos30cos oooo

= cos3VI (1-9)

Persamaan (1-9) merupakan pernyataan daya total dalam sebuah rangkaian tiga fasa,

kedua wattmeter dalam gambar 1.7(a) secara tepat mengukur daya total tersebut. Dapat

ditunjukkan bahwa penjumlahan aljabar dari pembacaan kedua wattmeter akan

memberikan nilai daya yang benar untuk setiap kondisi yang tidak setimbang, faktor daya

atau bentuk gelombang.

Jika kawat netral dari sistem tiga fasa tersedia seperti pada beban tersambung bintang

empat kawat, maka sesuai dengan teorema Blondel diperlukan tiga wattmeter untuk

melakukan pengukuran daya nyata total.




9

1.3.4 Pengukuran besaran listrik menggunakan transformator instrumen

Pengukuran besaran-besaran listrik dengan skala besar seperti arus, tegangan, dan

daya pada stasiun pembangkit, stasiun transformator, saluran distribusi, dan pada saluran

transmisi, menggunakan transformator instrumen dalam kaitannya dengan instrumen-

instrumen pengukur arus bolak-balik (voltmeter, ampermeter, wattmeter, VARmeter, danlain-lain). Transformator-transformator instrumen yang digunakan dikelompokkan sesuai

dengan pemakaiannya, disebut transformator arus (curret transformer, TA) dan

transformator tegangan (potenstial transformer, PT). Transformator ini melakukan dua

fungsi utama, yaitu memperbesar rangkuman alat ukur arus bolak-balik seperti halnya

halnya shunt atau tahanan pengali pada alat ukur arus searah, dan mengisolir alat ukur dari

jala listrik tegangan tinggi.

Rangkuman sebuah ampermeter arus searah dapat diperbesar dengan menggunakan

sebuah tahanan shunt yang membagi arus yang diukur ke alat ukur dan shunt. Metoda ini

memuaskan bagi rangkaian-rangkaian arus searah, tetapi di dalam rangkaian-rangkaian

arus bolak-balik pembagian arus tidak hanya tergantung pada tahanan alar ukur dan shunt,

tetapi juga pada reaktansinya. Karena pengukuran arus bolak-balik dilakukan padarangkuman fekuensi yang lebar, menjadi sulit untuk mendapatkan ketelitian yang tinggi.

Sebuah transformator arus menghasilkan perluasan rangkuman yang dinginkan melalui

perbandingan transformasinya dan di samping itu menghasilkan pembacaan yang hampir

sama tanpa memperlihatkan konstanta alat ukur (reaktansi dan tahanan) atau kenyataannya

jumlah instrumen (dalam batas-batas yang sesuai) yang dihubungkan di dalam rangkaian.

Isolasi alat ukur dari jala-jala listrik tegangan tinggi adalah penting mengingat bahwa

sistem daya bolak-balik sering bekerja pada tegangan-tegangan orde beberapa ratus

kilivolt. Adalah tidak praktis menghubungkan jala-jala listrik tegangan tinggi langsung ke

panel instrumen untuk maksud pengukuran tegangan dan arus, bukan saja resiko

keselamatan tetapi juga karena masalah isolasi yang berkaitan dengan jala-jala tegangan

tinggi yang bekerja secara bersamaan di dalam suatu ruang terbatas. Bika sebuah

transformator instrumen digunakan, hanya kawat-kawat tegangan rendah saja dari

kumparan transformator sekunder yang dihubungkan ke panel instrumen dan hanya

tegangan rendah yang boleh ada antara kawat-kawat tersebut dengan bumi.

Gambar 1.8 Jenis transformator potensial

Dalam gambar 1.8, menunjukkan sebuah transformator potensial, yang digunakan

untuk mengalihkan tegangan tinggi dari sebuah jala-jala ke tegangan yang lebih rendah

yang sesuai bagi hubungan langsung ke sebuah voltmeter arus bolak-balik atau kumparan

potensial wattmeter arus bolak-balik. Tegangan-tegangan primer dibuat standar untuk




10

menyesuaikan terhadap tegangan menengah dan tegangan tinggi. Dalam kebanyakan

penggunaan maka tegangan primer adalah di bawah 300 kV, sedangkan tegangan sekunder

yang biasa adalah 100 V atau 120 V. Tegangan potensial ditetapkan agar dapat

menghasilkan sejumlah daya tertentu ke beban sekunder. Berbagai kapasitas beban yang

berbeda tersedia agar sesuai bagi pemakaian, kapasitas yang umum adalah 200 VA pada

frekuensi 50 Hz.

Transformator potensial harus memenuhi persyaratan desain tertentu yang mencakup

ketelitian perbandingan lilitan, reaktansi kebocoran yang kecil, arus magnetisasi yang kecil,

dan penurunan tegangan yang paling kecil, serta dielektrik yang tinggi. Selanjutnya karena

kita mungkin bekerja pada tegangan primer yang tinggi, isolasi antara gulungan-gulungan

primer dan sekunder harus mampu menahan beda potensial yang tinggi.

Perkembangan baru dalam industri karet sintetik telah memperkenalkan

transformator potensial jenis karet tuang / cetak (molded rubber), menggantikan minyak

isolasi dan bushing porselin dalam beberapa pemakaian. Unit tersebut lebih murah dari

transformator potensial konvensional yang berisi minyak, dan kerana bushing terbuat dari

karet tuang, sifat rapuh porselin dihilangkan. Sebuah titik polaritas berwarna putihditempatkan pada bushing yang tepat di bagian depan transformator. Dua terminal

kumparan sekunder tipe baut tap (stud) dimasukkan di dalam sebuah kotak saluran yang

dapat dipindahkan.

Dalam gambar 1.9, memperlihatkan transformator arus. Transformator arus kadang-

kadang mempunyai kumparan primer dan selalu mempunyai kumparan sekunder. Jika

terdapat kumparan primer, mempunyai jumlah gulungan yang kecil. Dalam kebanyakan

hal kumparan primer hanya berupa satu gulungan atau satu konduktor yang dihubungkan

seri ke beban yang arusnya akan diukur. Kumparan sekunder mempunyai jumlah lilitan

yang lebih banyak dan dihubungkan ke alat ukur arus atau ke sebuah kumparan rele.

Kumparan primer sering berupa konduktor tunggal berbentuk batang tembaga atau batang

kuningan berat yang dilewatkan melalui inti transformator. Transformator arus demikian

disebut transformator arus tipe batang (bar type) atau tipe tusukan.. Kumparan sekunder

transformator arus ini biasanya dirancang untuk menghasilkan arus sekunder sebesar 5 A.

Sebuah transformator arus tipe batang 800/5 A mempunyai 160 lilitan pada kumparan

sekundernya. Transformator jenis lainnya adalah tipe lilitan, di mana dipergunakan pada

umumnya bila harga nominal dari arus primer adalah di bawah 1000 A. Sedangkan tipe

lainnya dipergunakan pada arus-arus primer yang mempunyai harga nominal lebih tinggi.

Kumparan primer transformator arus dihubungkan langsung di dalam rangkaian

beban. Bila kumparan sekunder adalah rangkaian terbuka, tegangan yang dibangkitkan

pada terminal-terminal terbuka bisa sangat tinggi, sebab kenaikan perbandingan

transformator, sehingga dapat dengan mudah merusak isolasi antara gulungan-gulungan

sekunder. Karena itu kumparan sekunder sebuah transformator arus harus selalu

dihubungsingkatkan atau dihubungkan ke sebuah alat ukur atau kumparan rele. Sebuahtransformator arus tidak boleh mempunyai kumparan sekunder yang terbuka bila kumparan

primernya membawa arus.




11

Gambar 1.9 Transformator-transformator arus

Gambar 1.10 Pengukuran tiga fasa menggunakan transformator-transformator instrumen.

Tanda-tanda polaritas transformator potensial dan transformator arus ditunjukkan oleh empat persegi panjang hitam

Dalam gambar 1.10, menunjukkan pemakaian transformator-transformator

instrumen dalam suatu pengukuran arus, tegangan, dan daya. Diagram ini menggambarkan

hubungan transformator-transformator instrumen di dalam sebuah rangkaian tiga fasa tiga

kawat, termasuk dua wattmeter, dua voltmeter dan dua ampermeter. Transformator-

transformator potensial dihubungkan terhadap saluran fasa A dan B, dan saluran fasa C dan

B, sedangkan transformator-transformator arus pada saluran fasa A dan C. Kumparan-

kumparan sekunder dari transformntor-transformator potensial dihubungkan ke kumparan-

kumparan voltmeter dan kumparan-kumparan potensial wattmeter, kumparan-kumparansekunder transformator arus mengaliri ampermeter dan kumparan-kumparan arus

wattmeter.

1.4 Pengukuran energi listrik

Suatu alat ukur untuk mengintegrasikan dan mengukur besaran listrik yang diberikan

kepada suatu beban untuk jangka waktu tertentu, disebut sebagai alat ukur yang

mengintegrasikan suatu besaran listrik atau alat ukur integrasi. Alat ukur pengukur energi

listrik adalah salah satu alat ukur yang terpenting dan mendapatkan pemakaiannya yang

terluas, karena dipergunakan sebagai pengukur-pengukur energi dalam transaksi daya

listrik.




12

Gambar 1.11 Prinsip pengukuran energi listrik arus bolak-balik menggunakan alat ukurtipe induksi

Untuk penggunaan yang paling umum dari alat pengukur energi listrik pada arus

bolak-balik, maka alat ukur dari tipe induksi mendapatkan pemakaian yang paling luas.

Dalam gambar 1.11, memperlihatkan pengukuran energi listrik arus bolak-balik yang

mempergunakan alat ukur tipe induksi. C p adalah inti besi dari kumparan-kumparantegangan, W p adalah kumparan-kumparan tegangan, sedangkan Cc adalah kumparan-

kumparan arus dan Wc adalah kumparan-kumparan arus. Arus beban I mengalir melalui

Wc dan menyebabkan terjadinya fluksi magnetik 1. W p mempunyai sejumlah lilitan yang

besar dan cukup besar untuk dianggap sebagai reaktansi murni, sehingga arus I p yang

mengalir melalui W b akan tertinggal dalam fasanya terhadap tegangan beban dengan sudut

sebesar 90o, dan menyebabkan terjadinya fluksi magnetis sebesar 2. Dengan demikian,

kepingan aluminium D, momen gerak TD yang berbanding lurus terhadap daya beban, maka

oleh pengaruh momen gerak ini, kepingan aluminium akan berputar dengan kecepatan

putaran n. Sambil berputar ini, D akan memotong garis-garis fluksi magnetis m dari

magnet yang permanen dan akan menyebabkan terjadinya arus-arus putar yang berbanding

lurus terhadap nm di dalam kepingan aluminium tersebut. Arus-arus putar ini akan pula

memotong garis-garis fluksi m sehingga kepingan D akan mengalami suatu momenredaman Td yang berbanding lurus terhadap nm

2. Bila momen-momen tersebut, yatu TD

dan Td ada dalam keadaan setimbang, maka hubungan di bawah ini akan berlaku yaitu

sebagai berikut :

K d VI cos = k m nm2

atau :

n =

cos2VI

k

k

mm

d (1-10)

dengan k d dan k m sebagai konstanta. Jadi dari persamaan (1-10) tersebut dapat terlihat

bahwa kecepatan putar n, dari kepingan D adalah berbanding lurus dengan beban VI cos




13

, sehingga jumlah perputaran dari kepingan tersebut, untuk suatu jangka waktu tertentu

berbanding dengan energi listrik yang akan diukur untuk jangka waktu tersebut. Untuk

memungkinkan pengukuran, maka jumlah perputaran dari kepingan D ditransformasikan

melalui sistem mekanis tertentu, kepada alat penunjuk atau roda-roda angka. Transformasi

dari kecepatan putar biasanya diadakan sehingga roda-roda angka tersebut berputar lebihlambat dibandingkan dengan kepingan C. Dengan demikian maka alat penunjuk atau roda-

roda angka akan menunjukkan energi yang diukur dalam kWh, setelah melalui kalibrasi

tertentu.

1.5 Pengukuran tahanan

1.5.1 Pengukuran tahanan dengan metoda voltmeter-ampermeter

Suatu cara populer untuk pengukuran tahanan dapat dilakukan dengan menggunakan

Metoda Voltmeter – Ampermeter (voltmeter ampermeter methode, karena instrumen-

instrumen ini biasanya tersedia di laboratorium. Jika tegangan V antara ujung-ujung

tahanan dan arus I melalui tahanan tersebut diukur, tahanan R x yang tidak diketahui dapatditentukan berdasarkan Hukum Ohm, yaitu :

R x = I

V (1-11)

Pada persamaan (1-11), berarti bahwa tahanan ampermeter adalah nol dan tahanan

voltmeter adalah tak terhingga, sehingga kondisi rangkaian tidak terganggu.

Dalam gambar 1.12(a) arus sebenarnya (true current) yang disalurkan ke beban

diukur oleh ampermeter, tetapi voltmeter lebih tepat mengukur tegangan sumber dari pada

tegangan beban nyata (aktual). Untuk mendapatkan tegangan yang sebenarnya pada beban,

penurunan tegangan di dalam ampermeter harus dikurangkan dari penunjukan voltmeter.

Jika voltmeter dihubungkan langsung di antara ujung-ujung tahanan seperti dalam gambar1.12(b), berarti mengukur tegangan beban yang sebenarnya, tetapi ampermeter

menghasilkan kesalahan (error) sebesar arus melalui voltmeter. Dalam kedua cara

pengukuran R x ini kesalahan tetap dihasilkan. Cara yang benar untuk menghubungkan

voltmeter tergantung pada nilai R x beserta tahanan voltmeter dan ampermeter. Umumnya

tahanan ampermeter adalah rendah, sedang tahanan voltmeter adalah tinggi.

Gambar 1.12 Efek penempatan voltmeter dan ampermeter dalam pengukuran dengan

metoda voltmeter-ampermeter

Dalam gambar 1.12(a) tersebut, ampermeter membaca arus beban Ix yang

sebenarnya, dan voltmeter mengukur tegangan sumber V t. Jika R x besar dibandingkan

terhadap tahanan dalam ampermeter, kesalahan yang diakibatkan oleh penurunan tegangan

di dalam ampermeter dapat diabaikan dan Vt sangat mendekati tegangan beban yang

sebenarnya, Vx. Dengan demikian rangkaian gambar 1.3(a) adalah yang paling baik untuk

mengukur nilai-nilai tahanan yang tinggi (high resistance values).




14

Dalam gambar 1.12(b), voltmeter membaca tegangan beban yang sebenarnya Vx, dan

ampermeter membaca arus sumber It. Jika R x kecil dibandingkan terhadap tahanan dalam

voltmeter, arus yang dialirkan ke voltmeter tidak begitu mempengaruhi arus sumber dan I t

sangat mendekati arus beban yang sebenarnya, Ix. Berarti rangkaian gambar 1.12(b) paling

baik untuk pengukuran nilai-nilai tahanan yang rendah (low resistance values).

Selanjutnya dengan memberikan sebuah tahanan R x yang besarnya tidak diketahui,

bagaimanakah cara mengetahui jika voltmeter telah dihubungkan dengan tepat ? Perhatikan

rangkaian dalam gambar 1.13, dalam mana voltmeter dan ampermeter dapat dihubungkan

dalam dua cara pembacaan yang bersamaan, yaitu sebagai berikut :

a. Hubungkan voltmeter terhadap R x dengan saklar pada posisi 1 dan amati pembacaan

ampermeter

b. Pindahkan saklar ke posisi 2. Jika pembacaan ampermeter tidak berubah, kembalikan

saklar ke posisi 1. Gejala ini menunjukkan pengukuran tahanan rendah. Catat

pembacaan arus dan tegangan, dan hitung R x menurut persamaan (1-11)

c. Jika pembacaan ampermeter berkurang sewaktu memindahkan saklar dari posisi 1 ke

posisi 2, biarkan voltmeter pada posisi 2. Gejala ini menunjukkan pengukuran tahanan

tinggi. Catat arus dan tegangan, dan hitung R x menurut persamaan (1-11).

Gambar 1.13 Efek posisi voltmeter dalam pengukuran dengan metoda voltmeter-

ampermeter

Pengukuran tegangan di dalam rangkaian elektronik pada umumnya dilakukan

dengan voltmeter rangkuman ganda atau multimeter, dengan sensitivitas antara 20 k /V

sampai 50 k /V. Dalam pengukuran daya di mana arus umumnya besar, sensitivitas

voltmeter bisa serendah 100 /V. Tahanan ampermeter tergantung pada perencanaan

kumparan dan umumnya lebih besar bagi skala penuh yang rendah. Beberapa nilai khas

tahanan ampermeter diberikan pada tabel 1.1 berikut.

Tabel 1.1 Nilai tahanan dalam ampermeter arus searah

Nilai skala penuh ( A)Tahanan ( )

Pivot dan jewel Taut-band

50 2000-5000 1000-2000

500 200-1000 100-250

1000 50-120 30-90

10000 2-4 1-3

1.5.2 Pengukuran tahanan dengan menggunakan Ohmmeter

Pengukuran tahanan suatu rangkaian atau komponen dapat menggunakan ohmmeter

tipe seri atau ohmmeter tipe shunt. Pada ohmmeter tipe seri seperti diperlihatkan dalam

gambar 1.14, sesungguhnya mengandung sebuah gerak d’Arsonval yang dihubungkan seri

dengan sebuah tahanan dan baterai ke sepasang terminal untuk hubungan tahanan yang




15

tidak diketahui. Berarti arus melalui alat ukur tergantung pada tahanan yang tidak

diketahui, dan indikasi alat ukur sebanding dengan nilai yang tidak diketahui.

Gambar 1.14 Pengukuran tahanan dengan menggunakan ohmmeter tipe seri

Dalam gambar 1.14, bila tahanan yang tidak diketehui, R x = 0 (terminal A dan B

dihubungsingkat) arus paling besar mengalir di dalam rangkaian. Dalam keadaan ini,tahanan shunt R 2 diatur sampai jarum menunjukkan skala penuh (Idp). Posisi skala ini

ditandai dengan “0 Ω”. Dengan cara sama bila R x = ∞ (terminal A dan B terbuka), arus di

dalam rangakaian berubah ke nol dan jarum menunjuk arus nol yang ditanda oleh “∞” padaskala. Tanda skala di antara kedua ini dapat ditentukan dengan menghubungkan beberapa

R x yang berbeda dengan nilai yang telah diketahui. Tanda-tanda skala tergantung pada

pengulangan ketelitian alat ukur dan toleransi tahanan kalibrasi.

Walaupun ohmmeter tipe seri merupakan desain yang populer dan digunakan secara

luas untuk pemakaian umum, alat ini memiliki beberapa kekurangan, di antaranya yang

penting adalah tegangan baterai yang berkurang secara perlahan-lahan karena waktu dan

umur, akibatnya skala penuh berkurang dan alat ukur tidak membaca “0” sewaktu A dan Bdihubungsingkat. Tahanan shunt variabel R 2 memberikan cara untuk mengatasi efek

perubahan baterai. Perencanaan sebuah ohmmeter tipe seri adalah nilai R x yang membuatdefleksi setengah skala. Pada posisi ini tahanan antara terminal A dan B didefinisikan

sebagai tahanan pada posisi setengah skala R h. Dengan mengetahui arus skala penuh Idp

dan tahanan dalam gerakan R m, tegangan baterai E dan nilai R h yang diinginkan, rangkaian

dapat dianalisis, yakni nilai R 1 dan R 2 dapat diperoleh. Desain dapat didekati dengan

mengingat bahwa, jika R h menyatakan arus ½ Idp, tahanan yang tidak diketahui harus sama

dengan tahanan dalam total ohmmeter, yaitu :

m

mh

R R

R R R R

2

21 (1-12)

Tahanan total yang dihadirkan ke baterai adalah 2 R h, dan arus baterai yang diperlukan

untuk memberikan defleksi setengah skala adalah :

Ih =h R

E

2 (1-13)

Untuk menghasilkan defleksi skala penuh arus baterai harus didobel, dan berarti :

It = 2 Ih =h

R

E (1-14)

Arus shunt melalui R 2 adalah :

I2 = It – Idp (1-15)

Tegangan pada jarak shunt (Esh) sama dengan tegangan pada jarak gerakan :

Rm Rx

R1

A

E

R2

B




16

Esh = Em atau I2R 2 = IdpR m dan

mdp

hmdp

dpt

mdp

R I E

R R I

I I

R I R

2 (1-16)

sehingga :

m

mh

R R

R R R R

2

21 (1-17)

dan E

R R I R R

hmdp

h 1 (1-18)

Pada ohmmeter tipe shunt seperti diperlihatkan dalam gambar 1.15, terdiri dari

sebuah baterai yang dihubungkan seri dengan sebuah tahanan pengatur dan gerak

d’Arsonval. Tahanan yang akan diukur dihubungkan ke terminal-terminal. Di dalam

rangkaian ini diperlukan sebuah saklar menghidupkan-mematikan (off-on switch) untuk

memutuskan hubungan baterai ke rangkaian bila instrumen tidak digunakan.

Gambar 1.15 Pengukuran tahanan dengan menggunakan ohmmeter tipe shunt

Sebelum melakukan pengukuran, lepaskan terlebih dahulu hubungan rangkaian dari

sumber tegangan untuk mencegah rusaknya ohmmeter, dan lepaskan hubungan komponenyang akan diukur dari bagian rangkaian yang lain untuk menghindari kekeliruan dalam

penunjukkan yang mungkin terjadi karena jalur-jalur tahanan yang paralel.

Dalam gambar 1.15, bila tahanan yang tidak diketehui, R x = 0 (terminal A dan B

dihubungsingkat) arus melalui gerakan adalah nol. Jika R x = ∞ (terminal A dan B terbuka),arus hanya mengalir ke gerakan, dan melalui pengaturan R 1 jarum dapat dibuat membaca

skala penuh. Berarti ohmmeter ini mempunyai skala “nol” di sebelah kiri (tanpa arus) dan“tak terhingga” di sebelah kanan skala (defleksi paling besar).

Ohmmeter tipe shunt terutama sesuai untuk pengukuran tahanan-tahanan rendah

(low-value resistor). Dipakai di laboratorium khusus untuk pengukuran tahanan rendah.

Analisa ohmeter tipe shunt serupa dengan ohmmeter tipe seri. Dalam gambar 1.15, bila R x = ∞, arus skala penuh adalah :

m

dp R R

E I

1

(1-19)

m

dp

R I

E R 1 (1-20)

Untuk setiap nilai R x yang dihubungkan ke terminal-terminal, arus melalui alat ukur

berkurang dan diberikan oleh :

A

Rm

R1

RxE

S B




17

m xm

xm

R R R R R

ER I

11

(1-21)

Arus melalui alat ukur pada setiap nilai R x dibandingkan terhadap arus skala penuh adalah

:

xm xm

m x

dp

m

R R R R R

R R R

I

I S

1

1 atau

mm x

m x

R R R R R

R R RS

11

1

(1-22)

dengan definisi p

m

m R R R

R R

1

1 (1-23)

diperoleh :

p x

x

R R

RS

(1-24)

Pada pembacaan setengah skala (Im = 0,5 Idp), persamaan (4-21) menjadi :

0,5 mhm

hdp

R R R R R

ER I

11

(1-25)

di mana R h = tahanan luar yang menyebabkan defleksi setengah skala. Untuk menentukan

nilai-nilai skala relatif pada nilai R 1 yang diketahui, pembacaan setengah skala dapat

diperoleh :

m

mh

R R

R R R

1

1 (1-26)

Analisis menunjukkan bahwa tahanan setengah skala ditentukan oleh tahanan batas

R 1 dan tahanan dalam gerakan kumparan R m. Tahanan batas R 1 berturut-turut ditentukan

oleh R m dan arus defleksi penuh Idp.

Ohmmeter yang sederhana memerlukan sumber listrik yang kering untuk

mengalirkan arus melalui suatu miliampermeter atau mikroampermeter. Secara

proporsional arus itu berbanding terbalik dengan tahanan yang akan diukur. Suatu tahanan

variabel akan menyebabkan perubahan pada tegangan baterai dan penyesuaian indikasi

tahanan nol ketika barang pengetes dipertemukan. Sebuah resistor tetap yang dihubungkansecara seri membatasi arus sampai ukuran maksimum yang telah ditentukan, untuk menjaga

jika resistor variabel tadi turun sampai nol.

1.5.3 Pengukuran tahanan dengan menggunakan rangkaian jembatan

Pengukuran komponen pasif, seperti tahanan diperlukan untuk mengetahui nilai yang

sebenarnya dari komponen tersebut. Sering dijumpai nilai pesusun pasif tak sesuai dengan

nilai yang tertera. Untuk perancangan berketelitian tinggi, hal itu sangat mengganggu.

Pengukuran tahanan dengan cara yang berbeda akan menghasilkan nilai tahanan

yang berbeda-beda pula. Tahanan-tahanan rendah, nilainya umumnya di bawah 1 ,

tahanan yang sedang nilainya antara 1 sampai 100.000 . Sedangkan tahanan yang besar

nilainya di atas 100.000 . Pengukuran tahanan dapat dilakukan dengan menggunakan




18

berbagai jenis rangkaian jembatan tergantung dengan nilai tahanan yang akan diukur, yaitu

sebagai berikut :

a. Mengukur tahanan yang kecil harus dilakukan dengan sangat teliti. Ini disebabkan

karena pengaruh alat dapat mengakibatkan kesalahan. Alat yang dapat digunakan untuk

mengukur tahanan kecil-kecil adalah rangkaian jembatan Thomson, atau dapat juga

dengan jembatan Kelvin

b. Mengukur tahanan yang sedang-sedang dapat dilakukan dengan menggunakan

rangkaian jembatan Wheatstone

c. Tahanan besar pada umumnya terdapat pada isolasi isolator atau kabel. Cara

mengukurnya berbeda karena di sini arus yang diamati sangat kecil. Ini berarti bahwa

kebocoran arus yang kecil pun akan sangat terasa. Oleh karena itu, pengukuran perlu

dilakukan secara khsusu untuk menghindari timbulnya kesalahan. Alat yang dapat

digunakan adalah rangkaian jembatan megaohm.

1.5.3.1 Pengukuran tahanan rendah menggunakan jembatan Wheatstone

Jembatan Wheatstone dipakai secara luas pada pengukuran presisi tahanan darisekitar 1 Ω sampai rangkuman mega ohm rendah. Rangkaian jembatan wheatstone sepertiyang ditunjukkan dalam gambar 1.16, mempunyai empat lengan resistif beserta sebuah

sumber ggl (baterai) dan sebuah detektor nol yang biasanya adalah galvanometer atau alat

ukur arus sensitif lainnya. Arus melalui galvanometer tergantung pada beda potensiala

antara titik c dan d. Jembatan disebut setimbang bila beda potensial pada galvanometer

adalah 0 V, artinya tidak ada arus melalui galvanometer. Kondisi ini terjadi bila tegangan

dari titik c ke a sama dengan tegangan dari titik d ke a, atau dengan mendasarkan ke

terminal lainnya, jika tegangan dari titik c ke b sama dengan tegangan dari titik d ke b. Jadi

jembatan adalah setimbang jika :

I1R 1 = I2R 2 (1-12)

Gambar 4.16 Rangkaian jembatan Wheatstone

Jika arus galvanometer adalah nol, kondisi-kondisi berikut dipenuhi :

I1 = I3 =31 R R

E

(1-13)

dan I2 = I4 =42 R R

E

(1-14)

dengan menggabungkan persamaan (1-12), (1-13) dan (1-14) dan menyederhanankannya,

diperoleh :

31 R R

E

=42 R R

E

(1-15)




19

atau R 1 R 4 = R 2 R 3 (1-16)

Persamaan (1-16) merupakan bentuk yang telah dikenal dalam kesetimbangan jembatan

Wheatstone. Jika tiga dari tahanan-tahanan tersebut diketahui, tahanan keempat dapat

ditentukan dari persamaan (1-16). Berarti jika R 4 tidak diketahui, tahanan R x dapat

dinyatakan oleh tahanan-tahanan yang lain, yaitu :

1

23 R

R R R x (1-17)

Tahanan R 3 disebut lengan standar dari jembatan, dan tahanan R 2 dan R 1 disebut lengan-

lengan pembanding (ratio arms).

Pengukuran tahanan R x yang tidak diketahui tidak tergantung pada karakteristik atau

kalibrasi dari galvanometer detektor nol, asalkan detektor nol tersebut mempunyai

sensitivitas yang cukup untuk menghasilkan posisi setimbang jembatan pada tingkat

presesi yang diperlukan.

Untuk menentukan apakah galvanometer mempunyai sensitivitas yang diperlukan

untuk mendeteksi kondisi tidak setimbang atau setimbang, arus galvanometer perlu

ditentukan. Setiap galvanometer memiliki perbedaan pada sensitivitas arus dan tahanan

dalam, sehingga perlu dilakukan perhitungan, galvanometer mana yang akan membuat

rangkaian jembatan lebih sensitif terhadap suatu kondisi tidak setimbang. Sensitivitas ini

dapat ditentukan dengan memecahkan persoalan rangkaian jembatan pada

ketidaksetimbangan yang kecil. Pemecahan ini didekati dengan mengubah jembatan

Wheatstone ke penggantinya Thevenin.

Gambar 1.17 Pemakaian teorema Thevenin terhadap jembatan Wheatstone; (a)

konfigurasi jembatan Wheatstone, (b) tahanan Thevenin dengan memeriksa terminal c dan d, )c)

rangkaian lengkap Thevenin dengan galvanometer tersambung ke terminal c dan d

Rangkaian pengganti Thevenin ditentukan dengan memeriksa terminal galvanometer

c dan d dalam gambar 1.17(a). Untuk memperoleh pengganti Thevenin, dilakukan dua

langkah, yaitu :

Menyangkut penentuan tegangan ekivalen (pengganti) yang muncul pada terminal c

dan d bila galvanometer dipindahkan dari rangkaian




20

Menyangkut penentuan tahanan pengganti dengan memperhatikan terminal c dan d,

dan mengganti baterai dengan tahanan dalamnya.

Tegangan Thevenin atau tegangan rangkaian terbuka diperoleh dengan menunjuk

dalam gambar 1.17(a), dan menuliskan :Ecd = Eac - Ead = I1R 1 - I2R 2

di mana

31

1 R R

E I

dan

42

2 R R

E I

dengan demikian :

42

2

31

1

R R

R

R R

R E E cd (1-18)

di mana Ecd = Eth = tegangan pengganti Thevenin.

Dengan memperhatikan gambar 1.17(b), hubungan singkat akan terjadi antara titik a dan b

bila tahanan dalam baterai dianggap nol. Dengan demikian tahanan pengganti Thevenin

dengan memeriksa terminal c dan d, menjadi :

42

42

31

31

R R

R R

R R

R R Rth

(1-19)

Bila sekarang detektor nol dihubungkan ke terminal-terminal keluaran rangakain pengganti

Thevenin, arus galvanometer menjadi :

g th

th g

R R

E I

(1-20)

di mana R g adalah tahanan galvanometer.

1.5.3.2 Pengukuran tahanan sangat rendah menggunakan jembatan Kelvin

Jembatan Kelvin merupakan modifikasi dari jembatan Wheatstone dan

menghasilkan ketelitian yang jauh lebih besar dalam pengukuran tahanan-tahanan rendah

(low value resistances), umumnya di bawah 1 Ω. Dalam gambar 1.18, terlihat bahwa

rangkaian memiliki pembanding lengan kedua. Pasangan lengan kedua ini, yaitu a dan b

menghubungkan galvanometer ke sebuah titik p pada potensial yang sesuai antara m dan

n, dan menghilangkan efek tahanan gandar (yoke) R y. Persyaratan awal yang ditetapkan

adalah bahwa perbandingan tahanan a dan b sama dengan perbandingan R 1 dan R 2.




21

Gambar 1.18 Rangkaian dasar jembatan Kelvin

Penunjukkan galvanometer akan nol bila potensial pada k sama dengan potensial

pada p, atau bila Ekl = Elmp, di mana :

y

y

xkl Rba

Rba R R I

R R

R E

R R

R E 3

21

2

21

2 (1-21)

dan

y

y

lmp Rba

Rba

ba

b R I E 3 (1-22)

R x dapat ditentukan :

y

y x

Rba Rba R R I

R R R 3

21

2

y

y

Rba Rba

bab R I 3

y

y

y

y

x Rba

bR R

R

R R

Rba

Rba R R 3

2

213

y

y

y

y

x Rba

bR

R

R R R

R

R R

Rba

Rba R R

2

213

2

313

y

y

y

y

y

y

x Rba

Rba

Rba

bR

Rba

bR

R

R

R

R R R

2

1

2

31

sehingga :

b

a

R

R

Rba

bR

R

R R R

y

y

x

2

1

2

31 (1-23)

syarat awal telah ditetapkan yaitu2

1

R

R

b

a , maka persamaan (1-23) berubah menjadi

hubungan yang telah dikenal :

2

13 R

R R R x (1-24)

ditunjukkan bahwa tahanan gandar tidak mempunyai efek terhadap pengukuran, jika kedua

pasangan lengan-lengan pembanding mempunyai perbandingan tahanan yang sama.




22

Jembatan Kelvin digunakan untuk mengukur tahanan yang sangat rendah yakni dari sekitar

1 Ω sampai serendah 0,00001 Ω.

1.5.3.3 Pengukuran tahanan tinggi menggunakan jembatan Megaohm

Pengukuran tahanan yang sangat tinggi seperti tahanan isolasi kabel atau tahanan

kebocoran kapasitor (umumnya dalam orde beberapa ribu megaohm), berada di luar

kemampuan jembatan Wheatstone yang biasa. Salah satu masalah utama dalam

pengukuran tahanan tinggi adalah kebocoran yang terjadi di sekitar dan sekeliling

komponen atau bahan yang diukur, atau sekeliling apitan kutub pada titik mana komponen

disambungkan ke instrumen, atau di dalam instrumen itu sendiri. Arus kebocoran ini tidak

dinginkan sebab mereka dapat memasuki rangkaian pengukuran dan mempengaruhi

ketelitian pengukuran sampai besar sekali. Arus kebocoran, entah di dalam instrumen

sendiri atau bersatu dengan bahan yang diuji dan tempat pemasangannya, secara khusus

jelas kelihatan dalam pengukuran tahanan tinggi, di mana tegangan tinggi sering diperlukan

untuk mendapatkan sensitivitas defleksi cukup. Juga efek-efek kebocoran umumnya

berubah dari hari ke hari tergantung pada kelembaban atmosfer.

Gambar 1.19 Kawat pengaman sederhana pada terminal R x dari sebuah jembatan

Wheatstone

Dalam pengukuran, efek lintasan yang bocor biasanya dihilangkan dengan suatu

bentuk rangkaian pengaman. Prinsip sebuah rangkaian pengaman sederhana di dalam

lengan R x dari sebuah jembatan Wheatstone dijelaskan dengan bantuan gambar 1.19. Tanpa

rangkaian pengaman, arus kebocoran Ig sepanjang permukaan apitan kutub yang terisolasi

bergabung dengan arus Ix melalui komponen yang diukur agar menghasilkan arus total

rangkaian yang dapat jelas kelihatan lebih besar dari pada arus peralatan aktual. Sebuahkawat pengaman yang secara sempurna mengelilingi permukaan kutub yang terisolasi,

menahan arus kebocoran ini dan mengembalikannya ke baterai. Pengaman ini harus

ditempatkan secara cermat agar arus kebocoran selalu menuju sebagian dari kawat

pengaman dan mencegahnya memasuki rangkaian jembatan.




23

Gambar 1.20 Terminal yang dilindungi mengembalikan arus kebocoran ke baterai

Dalam gambar 1.20, pengaman sekeliling apitan kutub R x yang ditunjukkan oleh

lingkaran kecil sekitar terminal, tidak menyentuh satu bagianpun dari rangkaian jembatan

dan dihubungkan langsung ke terminal baterai. Prinsip kawat pengaman terhadap apitan

kutub, dinamakan jembatan Wheatstone dengan pengaman (guarded Wheatstone bridge).

Gambar 1.21 Tahanan tiga terminal dihubungkan ke jembatan megaohm tegangan tinggi

berpengaman

Untuk mencegah arus kebocoran keluar dari rangkaian jembatan, titik-titik

sambungan lengan-lengan pembanding R A dan R B biasanya ditunjukkan sebagai terminal

pengaman yang terpisah pada panel depan instrumen. Terminal pengaman ini dapat

digunakan untuk menghubungkan apa yang disebut tahanan tiga terminal (three terminal

resistance), seperti ditunjukkan dalam gambar 1.21(a). Tahanan tinggi dihubungkan pada

dua kutub isolasi yang terpasang pada sebuah pelat logam. Kedua terminal utama dari

jembatan menurut cara yang biasa. Terminal ketiga dari tahanan adalah titik bersama

tahanan dihubungkan ke terminal R x dari jembatan menurut cara yang biasa pula. Terminal

ketiga dari jembatan adalah titik bersama (common) dari tahanan R 1 dan R 2, yang

menyatakan lintasan kebocoran terminal utama sepanjang kutub-kutub isolasi ke pelat

logam atau pengaman. Pengaman dihubungkan ke terminal pengaman pada panel depan

jembatan seperti ditunjukkan dalam gambar 1.21(b). Sambungan ini membuat R 1 paralel




24

terhadap lengan pembanding R A, tetapi karena R 1 jauh lebih besar dari R A maka efek

paralelnya diabaikan. Dengan cara sama, tahanan kebocoran R 2 paralel terhadap

galvanometer, tetapi tahanan R 2 begitu tinggi dari tahanan galvanometer, sehingga efek

yang ada hanya penurunan yang kecil pada sensitivitas galvanometer. Karena itu lintasan

kebocoran luar dihilangkan dengan menggunakan rangkaian pengaman pada tahanan tiga

terminal. Seandainya rangkaian pengaman tidak digunakan, tahanan kebocoran R 1 dan R 2

akan langsung ada pada R x dan nilai R x yang diukur akan jelas salah. Detektor nol pada

dasarnya adalah sebuah penguat (amplifier) arus searah dan sebuah alat pencatat keluaran

mencakup sensitivitas yang diperlukan untuk mendeteksi tegangan-tegangan tidak

seimbang yang kecil.

Jembatan megaohm tegangan tinggi adalah salah satu instrumen yang digunakan

untuk pengukuran tahanan tinggi. Metoda lain mencakup pemakaian alat terkenal megger

untuk mengukur tahanan isolasi mesin-mesin listrik, metoda defleksi langsung (direct

deflection) untuk pengujian contoh-contoh isolasi, dan metoda kerugian muatan (loss of

charge method) untuk pemeriksaan tahanan kebocoran kapasitor.

1.6 Pengujian dengan perangkat uji portabel

Jembatan Wheatstone yang dapat dipindahkan (portabel) sering digunakan untuk

menemukan kerusakan dalam kabel-kabel kawat banyak (multi core), kawat telepon dan

saluran transmisi daya dengan menggunakan yang disebut uji simpal Murray dan uji simpal

Varley. Pengujian-pengujian ini khususnya digunakan untuk mendapatkan lokasi

terjadinya hubungan singkat, atau kerusakan karena tahanan rendah antara sebuah

konduktor dan bumi. Sebuah jembatan Wheatstone komersial yang seluruhnya dapat

dipindah-pindah bersama baterai dan sebuah galvanometer jenis penunjuk dan dilengkapi

dengan sambungan-sambungan khusus untuk pengujian-pengujian simpal, disebut

perangkat uji (test set).

Gambar 1.22 Menemukan kerusakan tanah (hubungan singkat) dengan uji simpal Murray

Pengujian simpal yang paling dikenal dan paling sederhana adalah yang disebut uji

simpal Murray (Murray-loop test), yang pada dasarnya digunakan untuk menemukan

kerusakan pentanahan-pentanahan (ground) di dalam kabel-kabel terbungkus. Konduktor

yang rusak dengan panjang l2 dibentuk oleh kedua konduktor ini dihubungkan ke susunan

pengujian dengan cara yang ditunjukkan dalam gambar 1.22, dan jembatan disetimbangkan

melalui lengan pembanding A yang dapat diatur.

Pada kesetimbangan, didapat :

x

x L

R

R R

B

A atau L x R

B A

B R

(1-25)

di mana R L adalah tahanan total simpal (konduktor yang rusak ditambah konduktor yang

baik) dan R x adalah tahanan konduktor dari terminal jembatan ke lokasi tanah yang rusak.




25

Karena tahanan kawat sebanding dengan panjang dan berbanding terbalik dengan luas

penampang konduktor, maka dapat digantikan dengan panjang untuk tahanan, yaitu :

21 l l B A

Bl x

(1-26)

dan dalam sebuah kabel kawat banyak, konduktor balik l2 memiliki panjang dan

penampang yang sama dengan kawat yang rusak, jadi l1 = l2 = l dan karena itu :

B A

Bl l x

2 (1-27)

di mana l adalah panjang kabel kawat banyak diukur dari terminal-terminal jembatan ke

titik ujung.

Gambar 1.23 Uji simpal Varley, digunakan untuk menemukan tanah, persilangan atau

hubungan singkat di dalam kabel kawat banyak

Salah satu metoda yang paling teliti untuk menemukan tanah, persimpangan atau

hubngan-hubungan singkat dalam sebuah kabel kawat banyak adalah apa yang disebut

pengujian simpal Varley, seperti ditunjukkan dalam gambar 1.23. Metoda ini pada dasarnyaadalah modifikasi dari pengujian simpal Murray yang juga menggunakan sebuah jembatan

Wheatstone, tetapi dengan dua lengan perbandingan yang tetap A dan B, dan sebuah

tahanan geser atau lengan standar. Dalam sebuah perangkat uji komersial yang khas rasio

perkalian dari lengan-lengan pembanding ini dikontrol oleh sebuah saklar tingkat (dial

switch) dan umumnya mempunyai daerah pengukuran dari 0,001 sampai 1000 dalam

kelipatan sepuluh yang biasanya terdiri dari empat tingkat kelipatan sepuluh dalam

hubungan seri.

Ketiga susunan rangkaian yang diperlukan untuk menemukan suatu kerusakan tanah,

di mana pada masing-masing perbandingan perkalian dari lengan A dan lengan B dibuat

tetap, dan jembatan dibuat setimbang ke defleksi nol galvanometer oleh tahanan geser

dalam lengan standar. Hasil yang dinginkan ditentukan berdasarkan analisa rangkaian




26

konvensional dan diperoleh bahwa x1 dan x2 yang menyatakan tahanan-tahanan bagian

kabel pada tiap sisi kawat yang rusak, yaitu :

121 R R B A

B X

(1-28)

dan

232 R R B A

B X

(1-29)

karena tahanan sebanding dengan panjang dan berbanding terbalik dengan luas

penampang, jarak kerusakan dapat segera ditentukan dengan menggunakan satu hasil

sebagai pembanding terhadap yang lain. Metoda ini akan menemukan cacat kerusakan

sampai batas 500 kaki (feet) dalam suatu kabel berpenampang 50 mm2. Bila sebuah

rangkaian terdiri dari konduktor dengan ukuran yang berbeda pada berbagai seksi

(penampang), tahanan tiap penampang harus diperhitungkan. Misalnya jika kabel udara

dihubungkan ke kabel tanah dari ukuran yang berlainan, selisih tahanan dari kedua

penampang bukan hanya harus diperhitungkan ukuran konduktor yang berbeda, tetapi juga

selisih temperatur antara kabel udara dan kabel bawah tanah tersebut.

Pengujian simpal Varley yang lebih sederhana namun kurang teliti dapat dilakukan

hanya dengan menggunakan susunan pengukuran dalam gambar 1.23(b), asalkan lengan-

lengan pembanding A dan B sama dan rasio perkalian adalah satu. Persamaan

kesetimbangan jembatan yang biasa memberikan :

22

12 2

X R

X X

B

A

(1-30)

karena lengan-lengan pembanding adalah sama yakni 1 B

A, maka :

2

21

R X (1-31)

yang selanjutnya mengarahkan ke lokasi kerusakan.

1.7 Pengukuran induktansi

Ada dua jenis induktansi, yaitu induktansi diri L dan induktansi bersama M. Kedua-

keduanya dapat diukur dengan rangkaian jembatan. Pada umumnya dalam pengukuran

induktansi menggunakan rangkaian jembatan arus bolak-balik. Jenis yang dapat digunakan

sangatlah banyak. Untuk memilih manakah yang lebih cocok, digunakan penunjuk faktor

mutu Q. Faktor mutu juga disebut faktor penyimpanan, yaitu relatif nilai reaktansi terhadap

tahanan induksi yang bersangkutan.

Pengukuran induktansi diri L dapat dilakukan dengan menggunakan rangkaian

jembatan arus bolak-balik, yaitu sebagai berikut :

a. Jembatan pembanding induktansi

b. Jembatan induktansi Maxwell

c. Jembatan induktansi-kapasitansi Maxwell

d. Jembatan Hay

e. Jembatan Anderson

f. Jembatan Owen.

Pengukuran induktansi bersama M dapat dilakukan dengan menggunakan rangkaian

jembatan arus bolak-balik, yaitu sebagai berikut :

a. Jembatan Heaviside






28

juga tidak sesuai untuk pengukuran kumparan dengan nilai Q yang sangat rendah (Q<1)

karena masalah pemusatan kesetimbangan. Sebagai contoh nilai Q yang sangat rendah

terdapat dalam tahanan induktif atau dalam kumparan frekuensi radio (RF) jika diukur pada

frkuensi rendah, sebagaimana dapat dilihat dari persamaan R x dan Lx, pengaturan

kesetimbangan induktif oleh R 3 akan mengganggu kesetimbangan resistif sebesar R 1 dan

menghasilkan efek yang disebut setimbang bergeser (sliding balance). Setimbang bergeser

menjelaskan interkasi antara pengontrolan-pengontrolan, sehingga bila kita

menyetimbangkan dengan R 1 dan kemudian dengan R 3 dan kembali lagi ke R 1, kita

mendapatkan titik setimbang yang baru. Titik setimbang nampaknya bergerak atau

bergeser menuju titik akhirnya melalui banyak pengaturan. Interaksi tidak terjadi dengan

menggunakan R 1 dan C1 sebagai pengatur kesetimbangan, tetapi sebuah kapasitor variabel

tidak selalu terpenuhi.

1.7.2 Pengukuran induktansi menggunakan jembatan Hay

Jembatan Hay dalam gambar 1.25, berbeda dengan jembatan Maxwell yaitu

mempunyai tahanan R 1 yang seri dengan kapsitor C1 sebagai pengganti tahanan paralel.Dengan segera kelihatan bahwa pada sudut-sudut fasa yang besar, R 1 akan mempunyai nilai

yang sangat rendah. Dengan demikian rangkaian Hay lebih menyenangkan untuk

pengukuran Q tinggi.

Gambar 1.25 Jembatan Hay untuk pengukuran induktansi

Persamaan-persamaan setimbang juga diturunkan dengan memasukkan nilai

impedansi lengan-lengan jembatan ke dalam persamaan umum kesetimbangan jembatan.

Pada rangkaian diperoleh bahwa :

1

11C

j R Z

; Z2 = R 2; Z3 = R 3; Zx = R x + jωLx

dengan memasukkan nilai-nilai ke tersebut ke dalam persamaan Z1Z4 = Z2Z3. maka :

32

1

1 R R L j RC j R x x

(1-37)

yang akan berubah menjadi :

321

11

1 R R R L jC

jR

C

L R R x

x x x

(1-38)

pemisahan bagian nyata dan bagian khayal menghasilkan :

32

1

1 R RC

L R R x

x (1-39)




29

dan 1

1

R LC

R x

x

(1-40)

kedua persamaan (4-39) dan (4-40) mengandung Lx dan R x, sehingga :

2

1

2

1

2321

2

1

2

1 RC R R RC R x

(1-41)

2

1

2

1

2

132

1 RC

C R R L x

(1-42)

kedua bentuk matematis untuk induktansi dan tahanan yang tidak diketahui ini

mengandung kecepatan sudut ω dan dari sini kelihatan bahwa frekuensi sumber teganganharus diketahui secara tepat, dan dengan mengingat penjumlahan pasangan sudut fasa yang

berhadapan harus sama, dan diperoleh bahwa sudut fasa induktif harus sama dengan sudut

fasa kapasitif karena sudut resistif adalah nol, sehingga tangen sudut fasa induktif adalah :

Q

R

L

R

X

x

x L L

tan (1-43)

dan tangen sudut fasa kapasitif adalah :

11

1tan

RC R

X C C

(1-44)

bila kedua sudut fasa tersebut sama, tangennya juga adalah sama dan dapat ditulis :

C L tantan atau

11

1

RC (1-45)

sehingga persamaan (4-42) berubah menjadi :

2

132

11

Q

C R R L x (1-46)

untuk nilai Q>10, suku (1/Q)2 akan menjadi lebih kecil dari 1/100 dan dapat diabaikan.

Karena persamaan (4-42) berubah menjadi bentuk yang diturunkan untuk jembatan

Maxwell, yaitu :

132 C R R L x

Jembatan Hay cocok untuk pengukuran induktor Q tinggi, terutama yang mempunyai

Q>10. Untuk nilai Q yang lebih kecil dari sepuluh, suku (1/Q)2 menjadi penting dan tidak

dapat diabaikan. Dalam hal ini jembatan Maxwell adalah lebih sesuai.

1.8 Pengukuran kapasitansi

Pengukuran kapasitansi, baik kapasitansi kapasitor maupun sistem yang mempunyai

pengaruh sebagai kapasitor. Ambil sebagai misal kabel yang menyerupai kapasitor, dengan

isolasi kabel tersebut sebagai mediumnya. Kegunaan mengukur seperti itu adalah pada

kelistrikan untuk mencari letak putusnya kabel di bawah tanah. Dengan mengetahui berapa

besar kapasitansi kabel, dapatlah ditentukan letak bagian yang terputus.

Selain mengukur kapasitansi, juga mengukur besarnya pelepasan daya kapasitor atau

keuletan bahan dielektrik. Alat yang digunakan untuk mengukur kapasitansi juga sejenis

rangkaian jembatan, yaitu sebagai berikut :

a. Jembatan pembanding kapasitansi

b. Jembatan Sauty

c. Jembatan Schering.




30

1.8.1 Pengukuran kapasitansi menggunakan jembatan pembanding kapasitansi

Pada dasarnya jembatan arus bolak-balik dapat digunakan untuk pengukuran

induktansi dan kapasitansi yang tidak diketahui dengan membandingkannya terhadap

sebuah induktansi atau kapasitansi yang diketahui. Sebuah jembatan pembanding

kapasitansi dasar ditunjukkan dalam gambar 1.26. Kedua lengan perbandingan adalahresistif dan dinyatakan oleh R 1 dan R 2. Lengan standar terdiri dari kapasitor C s seri dengan

tahanan R s, di mana Cs adalah kapasitor standar kualitas tinggi dan R s adalah tahanan

variabel. Cx menyatakan kapasitansi yang tidak diketahui dan R x adalah tahanan kebocoran

kapasitor.

Untuk persamaan setimbang, keempat lengan jembatan dinyatakan dalam bentuk

kompleks dan diperoleh :

11 R Z ; Z2 = R 2; Z3 =

s

sC

j R

; Z4 =

x

xC

j R

Gambar 1.26 Jembatan pembanding kapasitansi untuk pengukuran kapasitansi

Dengan mensubstitusikan ke persamaan umum untuk kesetimbangan jembatan, diperoleh:

s

s

x

xC

j R R

C

j R R

21 (1-47)

dan dapat diuraikan menjadi :

s

s

x

xC

j R R R

C

j R R R

2211 (1-48)

karena dua bilangan kompleks adalah sama bila bagian-bagian real dan imajiner adalah

sama, dengan menyamakan bagian-bagian real dari persamaan (1-48) diperoleh :

s x R R R R 21 atau

1

2

R

R

R R s x (1-49)

dan dengan menyamakan bagian-bagian imajiner, diperoleh :

s x C

jR

C

jR

21 atau2

1

R

RC C s x (1-50)

pada persamaan (1-49) dan (1-50) memberikan dua syarat setimbang yang harus dipenuhi

secara bersamaan, dan menunjukkan bahwa Cx dan R x yang tidak diketahui dinyatakan

dalam komponen jembatan yang diketahui. Agar memenuhi syarat setimbang dalam

konfigurasinya, jembatan harus mengandung dua elemen variabel. Dalam praktek kapasitor

Cs merupakan kapasitior standar presisi tinggi dengan nilai yang tetap dan tidak dapat

diatur.




31

1.8.2 Pengukuran kapasitansi menggunakan jembatan Schering

Jembatan Schering adalah salah satu jembatan arus bolak-balik yang paling penting,

dipakai secara luas untuk pengukuran kapasitor. Walaupun jembatan Schering digunakan

untuk pengukuran kapasitansi dalam pengertian yang umum, terutama sangat bermanfaat

guna mengukur sifat-sifat isolasi yakni pada sudut-sudut fasa yang mendekati 90o.

Gambar 1.27 Jembatan Schering untuk pengukuran kapasitansi

Susunan rangkaian dasar ditunjukkan dalam gambar 1.27, lengan 1 mengandung

suatu kombinasi paralel dari sebuah tahanan dan sebuah kapasitor, dan lengan standar

hanya berisi sebuah kapasitor. Biasanya kapasitor standar adalah kapasitor mika bermutu

tinggi dalam pemakaian pengukuran yang umum, atau sebuah kapasitor udara guna

pengukuran isolasi. Sebuah kapasitor mika bermutu tinggi mempunyai kerugian yang

sangat rendah (tidak ada tahanan) dan kerena itu mempunyai sudut fasa yang mendekati

90o. Sebuah kapasitor udara yang dirancang secara cermat memiliki nilai yang sangat stabil

dan medan listrik yang sangat kecil, bahan isolasi yang akan diuji dapat dengan mudah

dihindari dari setiap medan yang kuat.

Persyaratan setimbang menginginkan bahwa jumlah sudut fasa lengan 1 dan lengan

4 sama dengan jumlah sudut fasa lengan 2 dan lengan 3. Karena kapasitor standar beradadalam lengan 3, jumlah sudut fasa lengan 2 dan lengan 3 akan menjadi 0o+90o = 90o. Agar

menghasilkan sudut fasa 90o yang diperlukan untuk kesetimbangan, jumlah sudut fasa

lengan 1 dan lengan 4 harus sama dengan 90o. Karena dalam pekerjaan pengukuran yang

umum besaran yang tidak diketahui akan memiliki sudut fasa yang lebih kecil dari 90o,

maka lengan 1 perlu diberi suatu sudut kapasitif yang kecil dengan menghubungkan

kapasitor C1 paralel terhadap R 1.

Persamaan kesetimbangan diturunkan dengan cara yang biasa, dan dengan

memasukkan nilai-nilai impedansi dan admitansi yang memenuhi ke dalam persamaan

umum yang telah diperoleh, yaitu :

132 Y Z Z Z x

atau

1

13

2

1C j

RC

j R

C

j R

x

x

dan didapat :

13

2

3

12

RC

jR

C

C R

C

j R

x

x

(1-51)

dengan menyamakan bagian nyata dan bagian khayal diperoleh :

3

12C

C R R x (1-52)




32

2

13 R

RC C x (1-53)

untuk pengaturan kesetimbangan, kedua variabel yang dipilih adalah kapasitor C1 dan

tahanan R 2. Dalam pemilihan komponen variabel, di mana kualitas kapasitor dapatdidefinisikan sebagai berikut :

Faktor daya (power factor, PF) dari sebuah kombinasi seri RC didefinisikan sebagai

cosinus sudut fasa rangkaian. Dengan demikian faktor daya yang tidak diketahui sama

dengan PF = R x/Zx. Untuk sudut-sudut fasa yang sangat mendekati 90o, reaktansi hampir

sama dengan impedansi dan dapat mendekati faktor daya menjadi :

x x

x

x RC X

R PF (1-54)

Faktor disipasi (dissipation factor) dari sebuah rangkaian seri RC didefinisikan sebagai

cotangen sudut fasa, dan karena itu faktor disipasi adalah :

x x

x

x RC X

R D (1-55)

karena kualitas sebuah kumparan didefiniskan oleh Q = XL/R L, maka diperoleh bahwa

faktor disipasi D adalah kebalikan dari faktor kualitas Q, dan berarti D = 1/Q. Faktor

disipasi adalah kualitas sebuah kapasitor, yakni bagaimana dekatnya sudut fasa kapasitor

tersebut ke nilai idealnya 90o. Dengan memasukkan nilai Cx ke dalam persamaan (1-49)

dan R x ke persamaan (1-48) ke dalam bentuk faktor disipasi diperoleh :

11C R D (1-56)

Jika tahanan R 1 dalam jembatan Schering mempunyai suatu nilai yang tetap, piringan

(dial) kapasitor C1 dapat dikalibrasi langsung dalam faktor disipasi D, dan ini merupakanhal yang biasa dalam jembatan Schering. Perhatikan bahwa pada persamaan (1-52), suku

ω muncul dalam pernyataan faktor disipasi yang berarti bahwa kalibrasi piringan C1 hanya

berlaku untuk satu frekuensi tertentu pada mana piringan dikalibrasi. Frekuensi yang

berbeda dapat digunakan asalkan dilakukan suatu koreksi, yakni dengan mengalikan

pembacaan piringan C1 terhadap perbandingan dari kedua frekuensi tersebut.

1.9 Pengukuran elektronik dan diagnosis kesalahan

Prinsip dasar semua instrumentasi adalah bahwa instrumen tidak boleh bercampur

dengan sistem atau variabel yang tengah diukur. Supaya kondisi ideal ini tercapai,

ampermeter harus mempunyai tahanan yang sangat rendah atau dapat diabaikan dan

voltmeter harus mempunyai tahanan yang sangat tinggi atau tidak terbatas. Kriteria ini

dipenuhi oleh instrumen yang sesuai kepekaannya. Namun dampak hubungan mungkin

harus dipertimbangkan bila sebuah instrumen dipilih untuk mengukur variabel.

Pada pengukuran elektronik dan diagnosis kesalahan diperlukan beberapa

perlengkapan uji yang biasa digunakan dalam penservisan elektronik, yaitu sebagai berikut

:

1. Multimeter

2. Penguji (tester) insulasi

3. Osiloskop

4. Generator fungsi

5. Penguji transistor.




33

1.9.1 Penggunaan Multimeter

Multimeter analog (memakai meteran dengan kumparan bergerak) telah lama

digunakan, walaupun alat ini sangat sesuai untuk tujuan penservisan elektris, kepekaannya

kurang tinggi untuk membuat pengukuran yang tepat pada perlengkapan elektronik

modern, misalnya pada rangkaian semikonduktor berimpedansi tinggi dengan teganganrendah. Akan tetapi Multimeter AVO Model 8 biasa digunakan dalam beberapa lingkup

industri elektronika, seperti radio dan televisi. Dari pabrik perlengkapan menjelaskan

tegangan uji yang sudah diperhitungkan dalam pengaruh pembebanan pada instrumen.

Instrumen elektronik dikembangkan untuk mengatasi masalah yang disebabkan oleh

meteran analog. Alat ukur yang mula-mula diciptakan adalah voltmeter katup yang

memerlukan pemanasan sebelum dipakai dan memiliki kekurangan yang disebut drift .

Multimeter elektronik modern mempergunakan teknologi semikonduktor yang

menghasilkan instrumen dengan impedansi input tinggi, biasanya 10 MΩ. Instrumen iniselalu mempunyai display digital dengan LED atau LCD (display kristal cair). Oleh karena

itu, instrumen ini disebut Multimeter Digital atau DMM.

Sedikit sekali pantangan yang terdapat dalam pemakaian DMM karena teknologimaju, tetapi janganlah lupa melihat buku petunjuk dari pabrik sebelum melakukan

pengukuran, dan berhati-hatilah dalam bekerja dengan DMM yang lebih murah, bila :

1. Mengukur arus lebih dari 100 mA

2. Melakukan pengukuran arus dalam rangkaian dengan beban induktif

3. Melakukan pengukuran tegangan pada rangkaian berimpedansi tinggi, misalnya MOS

dan CMOS.

1.9.2 Pengujian Insulasi

Tahanan insulasi di antara komponen dalam rangkaian sering perlu diuji. Megger

penguji insulasi sangat banyak digunakan dalam rangkaian yang beroperasi dari suplai

kabel ac. Untuk membangkitkan tegangan tinggi, instrumen ini memakai generator yang

diputar dengan tangan, yang diberikan pada dua titik dalam rangkaian untuk diuji. Sebuah

dsiplay analog yang ukurannya disesuaikan untuk menunjukkan tahanan, memberikan

indikasi langsung tahanan insulasi.

Instrumen jenis ini hampir selalu menyebabkan banyak kerusakan jika dipakai pada

rangkaian semikonduktor modern, maka hal ini harus dihindari. Pengukuran tahanan satu-

satunya yang dapat dilakukan dalam rangkaian seperti ini dapat dicapai dengan ohmmeter

yang bekerja dengan baterai atau DMM yang mampu mengukur sampai 10 MΩ. Ingatlah bahwa hubungan salah satu ujung komponen yang sedang diuji dalam pengukuran tahanan

perlu diputuskan dari rangkaian karena pelangsiran komponen lain dalam rangkaian itu

akan mempengaruhi hasil penunjukkan.

1.9.3 Penggunaan Osiloskop

Osiloskop atau CRO adalah alat yang sangat berguna dalam elektronik karena

membuat variabel yang sedang diukur dapat dilihat. Instrumen ini juga mempunyai

impedansi input tinggi, biasanya lebih baik dari pada 1 MΩ, yang dapat digunakan untukmembuat rentang pengukuran yang lebar jika ukurannya disesuaikan dengan memadai.

Biasanya osiloskop sangat toleran, tetapi periksalah buku petunjuk dari pabrik untuk

hal-hal yang harus diperhatikan pada instrumen tertentu. Hal-hal di bawah ini pada

umumnya harus diperhatikan, yaitu :

1. Tegangan maksimum yang dapat diberikan dengan aman ke input Y osiloskop adalah

400 V. Banyak instrumen yang mempunyai batas lebih rendah. Berhati-hatilah !








36

Oleh karena itu, komponen yang salah dapat berupa kapasitas elektronik by-pass

emitter 10 μF. Gantikanlah kapasitor itu dan ulangilah pengukurannya. Kemudian

masukkan sinyal ac ke input rangkaian dan periksalah apakah gelombang output sesuai

dengan standar

3. Pengujian algoritma. Metode pengujian ini diberikan untuk instalasi berskala besar. Di

sini kesalahan tertentu dapat muncul berulang-ulang dan dapat diperoleh sekelompok

hasil statistik. Algoritma adalah bentuk diagnosis yang berdasarkan pengamatan pola-

pola tanda kesalahan. Dari pola-pola kesalahan itu dapat disusun diagram aliran (flow

chart), seperti ditunjukkan dalam gambar 1.30.

Gambar 1.30 Pengujian algoritma

1.9.7 Pengukuran fasa dan frekuensi

Pengukuran fasa dan frekuensi dapat dilakukan dengan menggunakan fasilitas yang

ada pada osiloskop dan generator fungsi, yaitu :

1. Fasa. Selisih fasa antara dua bentuk tegangan ac dapat diukur pada CRO. Basis waktu

dimatikan dan gelombang referensi masuk ke input X (sering ditemukan di bagian

belakang CRO). Gelombang yang akan diukur dimasukkan ke input Y seperti biasa.

Pola yang dihasilkan pada layar memperlihatkan selisih fasa, seperti yang terlihat

dalam gambar 1.31.




37

Gambar 1.31 Display CRO untuk pengukuran fasa

2. Frekuensi. Pengukuran frekuensi dengan memakai bentuk-bentuk Lissajous

merupakan metode pengukuran frekuensi yang tidak diketehui dengan cara

membandingkannya dengan frekuensi referensi yang tepat. Frekuensi referensi masuk

ke input X pada CRO dengan basis waktu dimatikan dan frekuensi yang tidak diketahui

itu dimasukkan ke input Y. Pola (disebut bentuk Lissajous) yang dihasilkan pada layar

menunjukkan ukuran frekuensi yang tidak diketahui tadi sesuai dengan frekuensi

referensi, seperti yang tampak dalam gambar 1.32.

Gambar 1.32 Bentuk-bentuk Lissajous untuk pengukuran frekuensi

3. Display reaksi frekuensi. Teknik ini memakai fasilitas penyapu layar yang ada pada

generator fungsi modern. Ketika penyapuan itu diseleksi, frekuensi gelombang output

secara kontinyu bervariasi di antara ukuran rentang frekuensi minimum dan maksimum

yang diseleksi.

Hal ini memungkinkan reaksi rangkaian atau amplifier tersusun pada suatu rentang

frekuensi. Gelombang output frekuensi penyapuan masuk ke input X pada CRO

dengan basis waktu dimatikan, dan gelombang tegangan output rangkaian atau




38

amplifier masuk ke input Y. Pola yang terlihat pada layar merupakan bayangan ganda

kurva reaksi frekuensi untuk rangkaian yang sedang diuji, seperti yang tampak dalam

gambar 1.33. Reaksi maksimum dapat ditentukan dengan mengatur dial frekeunsi pada

generator fungsi (membatasi rentang frekuensi yang disapu) sampai display tampak

seperti gambar 1.33(c) ketika frekuensi dapat dibaca dari dial.

Gambar 1.33 Bentuk gelombang reaksi frekuensi; (a) reaksi rangkaian, (b) display CRO, (c)display CRO dengan penyapuan terbatas

1.9.8 Diagnosis kesalahan

Sangat perlu ditekankan bahwa cara kerja rangkaian harus benar-benar dikuasai

sebelum kesalahan dapat didiagnosis. Bisanya diagnosis kesalahan dicapai dengan cara

mengukur tegangan pada titik-titik uji yang telah ditentukan dan membandingkannya

dengan pencatatan normal. Kemudian komponen yang salah dapat diketahui dengan suatu

analisis penunjukkan tegangan. Diagnosis kesalahan umum dan komponen, kesalahan

rangkaian transistor, dan diagnosis kesalahan amplifier tegangan transistor, yaitu sebagai

berikut :

1. Resistor. Hampir semua resistor yang digunakan dalam aplikasi elektronik terbuat dari

film karbon atau film oksida logam, sehingga kerusakan yang disebabkan oleh panas

atau tekanan mekanis dapat menyebabkan naiknya tahanan atau rangkaian terbuka.

Resistor variabel mungkin mengalami kerusakan mekanis di antara pengontak terminal(wiper) dan jalurnya (track), yang kadang-kadang menyebabkan terjadi kontak,

sehingga rangkaian menjadi terbuka atau tahanan naik. Ukuran resistor dapat diperiksa

dengan cepat dengan memakai ohmmeter atau multimeter (distel ke posisi ohm)

2. Kapasitor. Kapasitor elektronik banyak dipakai dalam aplikasi elektronik. Pembalikan

polaritas dapat menyebabkan dielektris berhenti bekerja karena dielektris itu terbentuk

oleh suatu film anodik. Pembalikan ke polaritas yang benar tidak selalu betul

memulihkan film itu dan kapasitor menjadi bocor, yaitu kapasitor dilangsir (shunted)

secara efektif oleh suatu tahanan dan kapasitor itu bekerja, tetapi tidak benar-benar

kehilangan hasil kerjanya. Besar ar us kebocoran biasanya sampai sekitar 4 μA. Jikadiperlukan ukuran yang lebih baik, dianjurkan untuk memakai kapasitor tantalum

padat. Namun berhati-hatilah dalam memastikan kebenaran polaritas yang digunakan.

Kapasitor berukuran rendah (pF sampai sekitar 4 ,7 μF) biasanya memakai dielektrik




39

padat. Pada umumnya timbul masalah yang disebabkan oleh patahnya kaki secara

mekanis

3. Induktor dan transformator. Biasanya kesalahan terbatas pada rangkaian putaran yang

singkat dan terbuka, yang sering ditimbulkan oleh panas berlebihan

4. Peralatan semikonduktor. Panas dan tegangan yang berlebihan merupakan penyebab

kegagalan yang utama

5. Transistor. Transistor dijelaskan oleh parameternya, salah satu di antaranya yang

ditandai oleh hfe adalah besar arus yang dapat dicapai, yaitu :

hfe = perubahan arus kolektor

perubahan arus basis

Untuk transistor serbaguna berbentuk rata dari silikon npn ZTX 300, ukuran hfe

biasanya sebesar 100. Dengan memasukkan ukuran ini ke dalam definisi di atas,

perubahan arus kolektor sama dengan 100 x perubahan arus basis. Ini berarti bahwa

bila arus basis diubah oleh 1 μA, arus kolektor berubah oleh 100 x 1 μA = 100 μA.Oleh karena itu, hukum emas pertama, suatu perubahan kecil dalam arus basis akan

menyebabkan perubahan besar dalam arus kolektor. Dan hukum emas kedua, kenaikan

arus basis menghasilkan kenaikan arus kolektor dan penurunan arus basismenyebabkan penurunan arus kolektor pula. Dua hukum ini merupakan prinsip kerja

transistor, yaitu perubahan kecil dalam arus basis mengakibatkan perubahan besar

dalam arus kolektor, dan arus kecil mengontrol arus besar

6. Amplifier tegangan transistor. Teknik diagnosis utama memakai pengukuran tegangan

untuk menentukan kesalahan komponen pada rangkaian tunggal. Tegangan diperiksa

dengan melihat lembaran spesifikasi menggunakan voltmeter 20 kΩ/V. Haruslahdiingat bahwa jika suatu alat semikonduktor menjadi rangkaian terbuka, resistor yang

terhubung seri, yang mensuplai daya ke alat itu tidak akan mempunyai tegangan.

Demikian pula halnya jika alat semikonduktor menjadi rangkaian singkat, tegangan

pada resistor yang terhubung seri akan naik. Papan elektronik telah diciptakan untuk

menambah pengetahuan dalam diagnosis kesalahan pada amplifier transistor dengan

rangkaian tunggal.

Rangkuman

Teknik

pengukuran

listrik

:

suatu teknik untuk mengetahui besaran-besaran listrik melalui

pengamatan fenomena fisis menggunakan alat ukur listrik / elektronik

terhadap besaran-besaran listrik tersebut melalui suatu pengukuran

listrik dengan metoda tertentu.

Metoda

pengukuran

listrik

: suatu metode tertentu untuk mengukur dan menghitung besaran-besaran

listrik dengan menggunakan alat ukur listrik / elektronik.

Pengukuran

besaran-

besaran li stri k

: suatu proses mengukur untuk menentukan besaran-besaran listrik

dengan menggunakan alat ukur listrik / elektronik yang akan

menghasilkan besaran-besaran listrik, seperti arus, tegangan, daya,

energi, tahanan, induktansi, kapasitansi, fasa, dan frekuensi.

Pengukuran

elektronik dan

diagnosis

kesalahan

:

suatu proses mengukur dan mendiagnosis kesalahan besaran-besaran

listrik seperti arus, tegangan, tahanan, induktansi, kapasitansi, fasa, dan

frekuensi dengan menggunakan alat ukur dan perlengkapan uji

elektronik, seperti multimeter, penguji (tester) insulasi, osiloskop,

generator fungsi, dan penguji transistor.










43

6. Lengan-lengan pembanding jembatan Wheatstone dalam gambar berikut ini adalah R 1

= 1000 Ω dan R 2 = 100 Ω, tahanan standar R 3 = 400 Ω, tahanan yang tidak diketahui R x = 41 Ω. Sebuah baterai 1,5 V dengan tahanan dalam yang diabaikan dihubungkan daria ke b. Tahanan dalam galvanometer adalah 50 Ω dan sensitivitas arus adalah 2 mm/μA.Tentukan:

a) Rangkaian pengganti jembatan di acu terhadap terminal-terminal galvanometer

b) Defleksi galvanometer yang disebabkan oleh ketidaksetimbangan rangkaian

7. Sebuah jembatan arus bolak-balik setimbang, yang diberi tanda ABCD sekeliling pojok-

pojoknya, mempunyai konstanta-konstanta berikut; lengan AB, R = 200 Ω paralelterhadap C = 0,047 μF; lengan BC, R = 1000 Ω seri dengan C = 0,47 μF; lengan CDtidak diketahui; lengan DA, C = 0,5 μF. Frekuensi osilator adalah 1000 Hz. Tentukankonstanta-konstanta lengan CD !

8. Sebuah jembatan arus bolak-balik setimbang ditandai dengan ABCD, mempunyai

konstanta-konstanta berikut; lengan AB, kapasitansi murni 0,01 μF; BC, tahanan murni2500 Ω, CD tidak diketahui; DA, kapasitansi 0,02 μF seri dengan sebuah tahanan 7500Ω. Jembatan setimbang pada frekuensi sedemikian sehingga ω = 50000 rad/s. a) Tentukan konstanta jembatan yang tidak diketahui pada lengan CD

b) Jika di samping konstanta-konstanta yang diberikan terdapat kapasitansi kebocoransebesar 100 pF pada lengan DA, tentukan nilai yang sebenarnya dari yang tidak

diketahui !

9. Jelaskan (lengkap dengan gambar) cara pengujian simpal Murray (Murray loop test)

yang digunakan untuk menemukan kerusakan pentanahan-pentanahan (ground) di

dalam kabel-kabel terbungkus ! 10. Jelaskan (lengkap dengan gambar) cara pengujian simpal Varley (Varley loop test) yang

digunakan untuk menemukan tanah, persimpangan atau hubungan-hubungan singkat

dalam sebuah kabel kawat banyak ! 11. Suatu cara pengujian simpal Varley (Varley loop test) digunakan untuk menemukan

lokasi terjadinya hubungan singkat pentanahan dalam sebuah kabel kawat banyak yang

dilakukan sebanyak 3 (tiga) kali uji sesuai dengan susunan rangkaian Jembatan

Wheatstone. Perbandingan perkalian lengan A dan B dari ketiga susunan rangkaiantersebut adalah tetap yaitu sebesar satu. Pengujian dilakukan menggunakan kabel udara

dengan pengaruh temperatur tertentu, di mana rangkaian jembatan dibuat setimbang

oleh tahanan geser dalam lengan standar dengan masing-masing tahanan sebesar R1 =

0,010 Ω, R2 = 0,028 Ω, dan R3 = 0,059 Ω. Spesifikasi kabel tanah yang diuji berpenampang 50 mm2, tahanan jenis konduktor 0,0175 Ωmm2/m, sedangkan jarak

pengujian kerusakan sejauh 150 meter. Tentukan:

a) Berapa besar tahanan penghantar dari titik pengujian ke titik kerusakan tanah ?

b) Berapa jarak kerusakan hubung singkat dari titik pengujian ?

12. Jelaskan yang dimaksud dengan pengukuran elektronik dan diagnosis kesalahan !

Berikan contoh aplikasinya !



Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-

1

BAB II

SISTEM INSTRUMENTASI


Selelah menyelesaikan mata kuliah diharapkan mahasiswa dapat memahami sistem

instrumentasi.


Standar Kompetensi

Menggunakan sistem instrumentasi dalam pemecahan masalah.

Kompetensi Dasar

Memahami sistem instrumentasi dalam penerapannya terhadap teknik pengukuran

dan sistem pengaturan

Menggunakan sistem instrumentasi dalam teknik pengukuran dan sistem pengaturan.

Indikator

Mahasiswa dapat :

Menjelaskan pengertian sistem instrumentasi dalam penerapannya terhadap teknik

pengukuran dan sistem pengaturan

Menjelaskan sistem pengukuran elektronik dalam sistem instrumentasi dan teknik

pengukuran listrik

Menjelaskan pengertian sistem telemetri dalam sistem instrumentasi dan sistem

pengaturan

Menjelaskan pengertian sistem pengukuran otomatis dalam sistem instrumentasi dan

sistem pengaturan

Menjelaskan sistem instrumentasi industri dalam teknik pengukuran listrik dan

sistem pengaturan

Menjelaskan pengertian transducer dalam teknik pengukuran listrik dan sistem

pengaturan

Menentukan dan memilih transducer yang digunakan dalam teknik pengukuran

listrik dan sistem pengaturan

Menjelaskan berbagai macam transducer dan aplikasinya dalam bidang industri dan

teknologi informasi.

2.1 Pendahuluan

Metode pengukuran pada umumnya dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu pengukuran langsung dan pengukuran tidak langsung. Pengukuran secara langsung sangat

penting dalam instrumentasi modern, misalnya dalam pengukuran suatu bagian mekanis

yang membutuhkan ukuran-ukuran yang tepat, di mana dalam pelaksanaan pengukuran

dilakukan dari mulai proses pembuatan dengan tujuan untuk mengahasilkan mutu yang

baik. Dalam metode pengukuran langsung, besaran yang diukur langsung dibandingkan

terhadap suatu standar yang telah diketahui karakteristiknya. Metode pengukuran langsung

umumnya dipergunakan dalam pengukuran besaran-besaran seperti panjang, massa dan

waktu.

Pengukuran langsung tidak selalu dapat dilakukan. Pengukuran ini dalam beberapa

hal tidak teliti, hal mana disebabkan oleh adanya faktor-faktor manusia dan kurangnya

kepekaan alat. Untuk mengatasi kekurangan tersebut, maka dalam beberapa hal diperlukan




2

suatu sistem pengukuran. Sistem pengukuran ini mempergunakan metode pengukuran

tidak langsung.

Merupakan hal yang cukup penting untuk mengetahui elemen yang terdapat dalam

suatu sistem pengukuran secara sistematis. Sistem pengukuran (instrumentasi)

didefinisikan sebagai “suatu alat atau sistem yang dirancang untuk menjaga hubunganfungsi antara sifat fisik variabel yang telah ditentukan dan harus mengandung cara serta

alat-alat komunikasi kepada seorang pengamat”.

Pada suatu sistem pengukuran secara sistematis, maka sebuah sistem pengukuran

(instrumentasi) umumnya terdiri dari tiga elemen utama, yaitu sebagai berikut :

Elemen pertama, sebagai sensor atau peralatan masukan. Elemen pertama ini

menerima besaran atau perubahan (variabel) atau sinyal yang akan diukur, misalnya

tekanan, suhu, level, aliran, kemudian mengubah sinyal tersebut menjadi bentuk yang

lebih dapat dipakai. Dalam prakteknya variabel yang diukur berubah bentuk menjadi

sinyal mekanik atau sinyal listrik.

Perubahan yang terjadi pada elemen yang pertama ini dilakukan oleh suatu alat yang

disebut transducer . Secara umum transducer dapat dikatakan sebagai suatu alat yangdapat mengubah suatu energi dari suatu bentuk menjadi bentuk lain. Suatu definisi

mengatakan “transducer adalah sebuah alat yang bila digerakkan oleh energi di dalamsebuah sistem transmisi, menyalurkan energi dalam bentuk yang sama atau dalam

bentuk yang berlainan ke sistem transmisi kedua”. Transmisi energi ini bisa listrik,

mekanik, kimia, optik (radiasi), panas (termal). Tetapi dalam sistem pengukuran

definsinya dapat dibatasi, yaitu “transducer adalah suatu alat yang mengubah suatu

kuantitas fisik menjadi suatu kuantitas mekanik atau listrik”. Elemen kedua, sebagai pengubah variabel atau peralatan pengolah. Elemen kedua ini

berfungsi sebagai penerima suatu perubahan yang dihasilkan oleh elemen pertama,

yang kemudian mengubahnya menjadi keluaran (output) yang diperlukan, misalnya

sinyal tersebut diperkuat, ditapis, dimodifikasi menjadi sebuah format yang cocok bagi

peralatan keluaran sebelum sinyal tersebut ditunjukkan atau dicatat. Elemen ketiga, sebagai penyaji data atau peralatan keluaran. Elemen ketiga ini

berfungsi sebagai peralatan keluaran untuk menunjuk atau mencatat (perekaman).

Jenis sistem bergantung pada apa yang akan diukur dan bagaimana hasil pengukuran

tersebut disajikan. Pernyataan hasil pengukuran yang dihasilkan oleh sistem

pengukuran dapat berupa data analog atau data digital.

Jika elemen ketiga tersebut berupa penunjukkan, maka alat ukur tersebut mempunyai

skala yang dikalibrasi dan jarum penunjuk. Harga penunjukkan ditunjukkan oleh jarum

penunjuk pada skala, sampai bagian skala yang dimungkinkan oleh alat ukur tersebut dan

dapat diterima oleh mata manusia, sebagai contoh AVO (Amper, Volt, Ohm - Meter) dan

macam-macam meter lainnya. Apabila elemen ketiga merupakan pencatat (perekam;

recorder), maka alat ukur memberikan data-data yang tercatat biasanya pada kertas pencatatuntuk peragaan visual atau bisa juga berupa sebuah alat pencatat pita magnetik untuk

penyimpanan data masukan secara sementara atau permanen, atau bisa berupa sebuah

komputer digital untuk manipulasi data atau pengontrolan proses.

Adapun blok diagram elemen-elemen sistem pengukuran secara umum seperti

ditunjukkan dalam gambar 2.1 berikut.

Gambar 2.1 Diagram Elemen Sistem Pengukuran Secara Umum

TRANSDUCERPENGKONDISI

SINYAL PERAGA

sinyal yang

diukur




3

Gabungan dari ketiga fungsi elemen tersebut hampir terdapat pada kebanyakan alat

ukur dan masing-masing sama pentingnya. Alat-alat ini lazim ditemukan dalam

instrumentasi industri. Beberapa contoh dari alat ukur yang mempunyai fungsi semacam

ini di antaranya adalah :

Suatu tungku pembakaran membutuhkan alat-alat ukur yang dapat menentukan perbandingan antara aliran bahan bakar dengan aliran udara untuk menghasilkan

pembakaran yang optimum

Suatu alat ukur beda tekanan menentukan beda tekanan antara dua tempat pada suatu

proses

Suatu alat ukur yang dapat berfungsi sebagai pengali, pembagi dan lain sebagainya.

Semua alat ukur mempunyai sifat-sifat seperti telah diuraikan di atas yakni

mengubah besaran yang telah diukur menjadi penunjukkan yang dilakukan oleh indikator

atau dicatat oleh pencatat. Proses konversi ini sangat penting dalam suatu alat ukur untuk

mengubah besaran yang diukur, seperti tekanan, level, suhu, aliran dan sebagainya menjadi

besaran yang lebih mudah untuk ditentukan misalnya pergeseran.

Berikut adalah sebuah contoh sederhana pemakaian Boudon tube untuk menjelaskansetiap fungsi yang ada dalam suatu alat ukur. Bourdon tube sendiri berfungsi sebahai

transducer yang mengubah besaran yang diukur menjadi gerakan mekanik (displacement

atau perpindahan). Pada bagian ujung Bourdon tersebut diperbesar untuk memberikan

gerakan yang relatif besar dari pusat roda gigi, dan akhirnya hasil pengukuran ditunjukkan

oleh elemen penunjuk yang terdiri dari jarum penunjuk dan piringan berskala. Piringan

berskala ini dikalibrasi dalam satuan tekanan, dengan demikian jarum penunjuk

memberikan harga tekanan yang dihasilkan oleh Bourdon tube.

Boudon tube berfungsi sebagai elemen pertama dan elemen kedua. Elemen pertama

merasakan adanya perubahan dari kuantitas yang diukur (tekanan), karena adanya

perubahan masukan yang berupa tekanan (dianggap tekanan naik), maka bentuk Bourdon

tube akan berubah membesar (tekanan diubah menjadi besaran gaya). Karena bagiantekanan tertutup dari Bourdon tube merupakan bagian yang bebas bergerak, maka

perubahan bentuk tadi merupakan gerakan keluar dari bagian ini. Dengan demikian dapat

dikatakan bahwa, tekanan diubah menjadi gerakan kecil (lihat gambar 2.2).

Gambar 2.2 Pengukur Tekanan Bourdon Tube

Bagian tertutup dari Bourdon tube dihubungkan dengan susunan roda gigi melalui

sambungan mekanik. Susunan roda gigi tersebut merupakan gerakan kecil ujung tertutup

dari Bourdon tube dan menyebabkan jarum penunjuk berputar membentuk sudut yang

besar, dengan demikian sambungan mekanik sebagai elemen pengirim data, sedangkan

roda gigi bertindak sebagai elemem pemanipulasi data. Elemen terakhir yang bertindak




4

sebagai penyaji data terdiri dari susunan penunjuk dan piring skala yang bilamana

dikalibrasi terhadap masukan tekanan yang diketahui akan dapat memberikan suatu

penunjukkan sinyal tekanan yang diberikan kepada Bourdon tube.

2.2 Sistem Pengukuran Elektronik

Suatu sistem instrumentasi juga mencakup sistem pengukuran elektronik yang dapat

diklasifikasikan sebagai berikut :

1. Berdasarkan jarak

a. Pengukuran jarak dekat; tidak ada perantara jarak

b. Pengukuran jarak jauh (telemetri)

2. Berdasarkan prinsip atau keterlibatan manusia

a. Pengukuran manual; dalam arti obyek

b. Pengukuran otomatis

3. Berdasarkan kelangsungan

a. Pengukuran langsung (real time); pada waktu, bukan pada obyek

b. Pengukuran tak langsung (analogi/simulasi).

2.3 Sistem Telemetri

Pengukuran berdasarkan jarak terdiri dari pengukuran jarak dekat, dan pengukuran

jarak jauh (telemetri). Pada pengukuran jarak dekat tidak ada perantara jarak antara alat

ukur dan obyek yang diukur. Pada pengukuran jarak jauh (telemetri), di mana jika elemen-

elemen suatu sistem pengukuran atau instrumen secara fisik letaknya terpisah, maka

diperlukan suatu elemen yang mentransmisikan besaran yang diukur dari suatu tempat ke

tempat lain. Sistem pengukuran jarak jauh (telemetri) dilakukan karena :

1. Secara fisik obyeknya jauh, misal obyek berada di bulan

2. Pengukuran pada obyek yang bergerak, misal pesawat udara, rudal

3. Pengukuran pada obyek yang berbahaya, misalnya pada reaktor, kawah gunung berapi4. Pengukuran terpadu pada jarak yang bervariasi (berbeda-beda).

Untuk dapat melakukan pengukuran tersebut, maka sistem harus mempunyai transfer

efisiensi dan power efisiensi yang maksimum. Perbedaan pengukuran jarak dekat dengan

jarak jauh terlihat pada bagian intermediate modifyieng stage. Dalam gambar 2.3 berikut

memperlihatkan fungsi-fungsi suatu sistem pengukuran secara umum, di mana sistem

pengukuran jarak jauh (telemetri) merupakan bagian dari perantaraan sistem input dan

output.

Adapun sistem pengukuran tersebut secara fungsional terdiri dari elemen-elemen

sebagai berikut :

(a) Primary sensing element , yaitu merupakan bagian input yang berfungsi menerima

besaran-besaran sinyal listrik ataupun besaran sinyal bukan listrik(b) Transducer , yaitu untuk pengubahan parameter fisis menjadi sinyal listrik yang dapat

diterima oleh sistem akuisisi

(c) Pengkondisi sinyal (signal conditioning), yaitu untuk memperkuat, memodifikasi, atau

memilih bagian tertentu dari sinyal tersebut. Sedangkan conversion, yaitu berfungsi

untuk mengubah sinyal analog menjadi suatu bentuk yang dapat diterima oleh

pengubah analog ke digital (A/D Converter)

(d) Data transmission and telemetry, yaitu untuk mengirimkan sinyal data secara jarak

jauh dengan melalui media kabel ataupun melalui proses modulasi gelombang radio

(e) Data processing, yaitu sebagai pemroses data yang dapat berupa suatu peralatan

pemroses data seperti peralatan komputer, sehingga data tersebut dapat ditampilkan

pada bagian output tertentu




5

(f) Data display, inverse transducer, and data recording, yaitu merupakan bagian output

dari sistem pengukuran yang berfungsi sebagai pemberi informasi dalam berbagai

bentuk kepada pengamat.

Gambar 2.3 Diagram Sistem Pengukuran Jarak Jauh (Telemetri) Secara Umum

2.4 Sistem Pengukuran Otomatis

Pada sistem pengukuran otomatis biasanya diperlukan pada pengukuran yang

berulang, pengukuran serempak, dan pada operasi yang komplek yang membutuhkan

tingkat ketrampilan yang tinggi. Tipe pengukuran otomatis akan memberikan gambaran

kemampuan sistem otomatis, yaitu sebagai berikut :

1. Akuisisi data (data aquisition); menyesuaikan data

2. Analisis data (data analysis); setelah diukur

3. Pemrograman dan kendali (uji otomatis).

Pada pengukuran otomatis sering timbul masalah yaitu adanya low level multi

channel pada sistem akuisisi data. Hal ini terjadi pada sistem serempak yang mempunyai

aras isyarat lemah. Pada isyarat beraras rendah terdapat masalah utama yaitu noise (derau).

Derau pada sistem intsrumentasi dibagi menjadi dua, yaitu common mode noise source

yang masuk pada input common komponen, dan natural mode noise source yang terjadi

pada komponen karena terjadinya getaran elektron sehingga panas dan mendengung.

Adapun untuk menanggulangi common mode noise rejection adalah sebagai berikut :

1. Dilakukan floating (pemisahan ground)

2. Dilakukan guarding (terkawal) dengan cara mengawal interferensi dari luar sistem

(sistem pengukuran terjaga)

3. Dilakukan shielding (tertameng).

primary sensing

elementtransducer

signal conditioning data transmission

and telemetrydata

processing

data display

inverse transducer

data recording

input

devices

intermediate

means

output

devices

input

outputs




6

2.5 Sistem Intrumentasi Industri

Lapangan rekayasa kontrol industri sangatlah luas, mencakup semua cabang ilmu

pengetahuan dan memanfaatkan semua bentuk energi, seperti mekanis, elektrik /

elektronik, hidrolik, dan pneumatik. Sistem kontrol juga telah disusun untuk berbagai

aplikasi industri, seperti tegangan, daya, temperatur, tingkatan / level, aliran, tekanan, posisi, kecepatan, dan sebagainya.

Prinsip kontrol dasar itu pada pokoknya sama, tanpa peduli bentuk energi manapun

yang dipakai dan variabel fisik manapun yang dikontrol. Sekarang banyak terdapat proses

industri yang menggunakan elektronika untuk menghasilkan dan “menyesuaikan” sinyal pengontrolan yang diperlukan. Hal ini disebabkan oleh kelebihan dalam bidang ukuran

fisik, kehandalan (reliability) dan biaya karena ditemukannya mikroelektronika.

Kontrol memiliki dua jenis sistem, yaitu sistem kontrol dengan putaran terbuka dan

sistem kontrol dengan putaran tertutup. Pada sistem kontrol terbuka merupakan bentuk

yang paling sederhana, murah dan sesuai untuk berbagai pemakaian. Dalam sistem kontrol

ini terdapat inisialisasi aksi, tetapi sistem ini tidak dapat mengubah aksi itu ketika bereaksi,

sehingga tidak ada umpan bail. Sirkit lampu dalam rumah adalah contoh umum kontrol ini.Di situ aksi inisialisasi merupakan operasi saklar. Tidak ada cara apapun untuk mengubah

posisi saklar, jika intensitas cahaya tidak mencukupi atau terlalu banyak. Sistem dengan

putaran terbuka mempunyai ciri menggunakan saklar, kontaktor, katup, dal lain-lain.

Operator (manusia) dapat mengawasi keadaan variabel terkontrol yang paling sering

muncul. Dalam hal ini, jika operator melakukan aksi, misalnya mengatur pengontrol, ia

bertindak sebagai jalur umpan balik dan sistem itu menjadi sistem dengan putaran tertutup

selama operator tadi menjalankan tugasnya.

Sistem kontrol dengan putaran terbuka dapat dikonversikan menjadi sistem

berputaran tertutup, bila operatornya berfungsi sebagai jalur umpan balik dan bekerja

mempertahankan variabel terkontrol pada kondisi yang diinginkan. Tujuan sistem kontrol

berputaran tertutup otomatis adalah menggantikan dan memperbaiki aksi operator dalam peranan ini. Biasanya hal ini dicapai dengan cara mengukur pemantauan keadaan kondisi

terkontrol yang paling sering ada dan mengkonversikannya ke dalam bentuk lain yang

mirip dengan aksi inisialisasi (sinyal input); kedua “sinyal” ini diperbandingkan dan perbedaan (kesalahan)-nya adalah sinyal yang kemudian dipakai untuk mengontrol sistem.

Jadi sistem kontrol berputaran tertutup otomatis dijalankan oleh kesalahan.

Pemantauan dan konversi sinyal biasanya dapat dicapai dengan sebuah alat, yaitu

transducer, yang mampu mengkonversikan sejenis variabel fisik ke dalam jenis lain.

Contohnya, suatu transducer listrik merupakan transducer yang mengkonversikan variabel

fisik (kecepatan, temperatur, dan lain-lain) ke dalam sinyal listrik.

Sinyal kesalahan yang dibentuk oleh perbandingan antara sinyal input dan sinyal

umpan balik pemantauan mungkin kecil, sehingga diperlukan amplifier untukmempertinggi sinyal pengontrolan. Diagram blok sistem kontrol tertutup diperlihatkan

dalam gambar 2.4 berikut.

Gambar 2.4 Diagram Sistem Kontrol dengan Putaran Tertutup

Input Elemen

Motor

Transducer

Pembanding Amplifier

(pengontrol)Kesalahan

+

-




7

Banyak terdapat sistem kontrol modern yang memakai transducer listrik untuk

memproduksi sinyal umpan balik pemantauan. Transducer listrik pada umumnya dibuat

untuk menangani segala jenis variabel fisik. Beberapa jenis transducer yang paling umum

adalah sebagai berikut :

1. Beban. Tegangan, kekuatan, tekanan. Pengukur tegangan

– perubahan tahanan R =

q/

2. Posisi. Pemindahan. Tahanan variabel (potensiometer), R

3. Kecepatan. Tachogenerator – generator dc atau ac., optik

4. Temperatur . Thermocouple – emf yang proporsional untuk berubah dalam temperatur.

Termistor – tahanan tergantung pada temperatur.

Terdapat berbagai macam transducer yang digunakan di dalam sistem instrumentasi

industri, yaitu antara lain sebagai berikut :

Thermokopel

Thermistor

Strain gauge

Piezo elektrik Sel photo konduksi

Sel photo dioda

Photo transistor

Sel photo voltaik

Opta elektronik pulse sensing

Transducer tahanan variable

Transducer induktif

Transducer kapasitif

Capacitive displacement transducer

Induktive displacement transducer

Magnetic displacemet transducer

Linear variable diffrential transformer detector

Dan lain-lain.

2.6 Transducer

Besaran masukan pada kebanyakan sistem instrumentasi adalah besaran bukan listrik

(non listrik). Untuk menggunakan metoda dan teknik listrik pada pengukuran, manipulasi

atau pengontrolan, maka besaran non listrik ini diubah menjadi suatu sinyal listrik oleh alat

yang disebut transducer. Suatu definisi mengatakan “transducer adalah sebuah alat yang bila digerakkan oleh energi di dalam sebuah transmisi, menyalurkan energi dalam bentuk

yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi kedua”.

Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optik (radiasi) atau thermal

(panas). Sebagai contoh, definsi transducer yang luas ini mencakup alat-alat yang

mengubah gaya atau perpindahan mekanis menjadi sinyal listrik. Alat-alat ini membentuk

kelompok transducer yang sangat besar dan sangat penting yang lazim ditemukan dalam

instrumentasi industri. Banyak parameter fisis lainnya (seperti panas, intensitas cahaya,

kelembaban) juga dapat diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan transducer.

Transducer-transducer ini memberikan suatu sinyal keluaran bila dirangsang oleh sebuah

masukan yang bukan mekanis. Sebuah termistror bereaksi terhadap variasi temperatur;

sebuah fotosel bereaksi terhadap perubahan intensitas cahaya; sebuah berkas elektron

terhadap efek-efek magnetik, dan lain-lain.




8

Gambar 2.5 Diagram Sifat-sifat Transducer

Transducer dikelompokkan berdasarkan pemakaiannya, metoda pengubahan energi,

sifat dasar dari sinyal keluaran, dan lain sebagainya. Semua pengelompokkan ini biasanya

memperlihatkan daerah yang saling melengkapi.

Sifat-sifat transducer :

1. Sifat statis

a. Accuracy (kebolehjadian)

Suatu hasil (output) mempunyai kebolehjadian salah (keluaran tidak sama dengan

masukan) karena pengaruh dari luar sistem (accidensial), yaitu sesuatu yang belum

atau tidak diketahui yang mempunyai sifat random (acak) dan bedistribusi normal

b. Resolusi

Perubahan masukan terkecil yang masih dapat memberikan perubahan pada

keluaran. Resolusi tergantung pada besar kebolehjadian dari sistem. Pada sistem

diskrit resolusi tergantung pada undak atau respon terhadap masukan sistem,

sedangkan pada sistem kontinyu resolusi sistem tergantung dari distribusi normal

c. Repeatability

Seberapa baik keluaran kembali ke suatu harga bila diberi masukan yang samad. Histeresis (irreversible)

Perbedaan harga keluaran untuk pengukuran masukan naik dengan masukan turun.

Efek histerisis terjadi pada magnetisasi

e. Linearity

Hubungan yang proporsional antara input dan output.

2. Sifat Dinamis

a. Rise time (waktu bangkit)

Waktu yang diperlukan untuk n perubahan keluaran dari 10% sampai dengan 90%

tanggapan penuh dari sistem dengan masukan berupa undak satuan

b. Dead time (waktu mati)

Selang waktu yang diperlukan antara masuknya input terhadap keluarannya output.

Dead time sering diartikan sebagai kecepatan perambatan isyaratc. Time constant

Tetapan waktu yang diperlukan keluaran untuk mencapai 63,2% harga akhir untuk

sistem orde 1

d. Dumping coefisient (dumping ratio)

Perbandingan antara redaman sistem terhadap redaman kritis

e. Resonant frequency (frekuensi resonansi)

Frekuensi di mana sistem akan turut bergetar

f. Percent overshoot

Simpangan tertinggi nisbi

g. Setting time

Waktu yang diperlukan keluaran untuk mencapai harga dengan tingkat kesalahan

tertentu

NuklirSINYAL

LISTRIKTRANSDUCER

Radiasi

Cahaya

Kimia

Mekanik

Magnetik




9

h. Frequency respons

Kemampuan sistem (transducer) untuk mengikuti perubahan dinamika input.

Macam-macam transducer :

1. Berdasar manfaat (ketrjanya)

a. Magnetik

b. Elektrik

c. Optik

d. Mekanik

e. Thermik

f. Chemik

2. Berdasar prinsip kerja

a. Optis

b. Magnetis

c. Elektris

d. Mekanis

e. Thermis

f. Chemis3. Berdasar peran (status)

a. Transducer primer; transducer utama

b. Transducer sekunder; transducer bantu

4. Berdasar kelas

a. Klas 1; bertindak sebagai detektor saja

b. Klas 2; bertindak sebagai detektor dan transducer tunggal

c. Klas 3; bertindak sebagai detektor dan transducer ganda

5. Berdasar aktifitas

a. Transducer aktif

b. Transducer pasif.

Elektrical transducers :

Transducer elektrik dibagi menjadi dua bagian, yaitu :1.

Variable control parameter type; dalam pengoperasian menggunakan tegangan

eksitasi eksternal

a. Potensiometer

b. Resistance strain gauges

c. Resistance temperetur transducer

d. Photoconductive cell

e. Photoemissive cell

f. Capacitance

g. Inductance

h. Mutual inductance

2. Self generating type

a. Elektromagnetik b. Thermoelektrik

c. Photoemissive

d. Piezo electrik type.

2.7 Pemilihan Transducer

Dalam sistem pengukuran, transducer merupakan elemen masukan yang fungsi

kritisnya adalah mengubah sebuah besaran fisis menjadi sinyal listrik yang sebanding.

Dengan demikian pemilihan transducer yang sesuai merupakan langkah pertama dan

mungkin yang paling penting dalam mendapatkan hasil-hasil yang teliti. Sejumlah

pertanyaan dasar perlu dijawab sebelum memilih sebuah transducer, sebagai contoh adalah

:








12

R s = R + R = R

l

l 211 (2-7)

Perubahan tahanan, R jika dibandingkan terhadap pertambahan panjang l selanjutnya

dapat dinyatakan dalam faktor gage K, di mana :

K = 21/

/

l l

R R (2-8)

Bilangan Poisson bagi kebanyakan logam terletak dalam rangkuman dari 0,25 sampai 0,35;

berarti fakor gage akan berada dalam orde 1,5 sampai 1,7.

Untuk penggunaan strain gage sangat dinginkan yang memiliki sensitivitas tinggi.

Sebuah faktor gage yang besar berarti suatu perubahan tahanan yang relatif besar, yang

dapat lebih mudah diukur dari pada suatu perubahan tahanan yang kecil. Pada kawat

constantan nilai K adalah sekitar 2, sedangkan Altoy 479 mempunyai nilai K sekitar 4.

Hukum Hooke memberikan hubungan antara tegangan geser dan regangan untuk

sebuah kurva tegangan geser-regangan (stress-starin curve) yang linear, dinyatakan dalam

modulus kekenyalan (elastisitas) dari bahan yang dipasang per satuan luas dan regangan

sebagai perpanjangan benda yang tergeser per satuan luas, yaitu :

= E

s (2-9)

di mana :

= regangan, l/l

s = tegangan geser, kg/cm2

E = modulus Young, kg/cm2.

2.8.1 Elemen pengindera metalik

Strain gage metalik dibentuk dari kawat tahanan tipis atau dietsa dari lembaran kawat

logam tipis. Umumnya, ukuran kawat gage adalah kecil, mengalami kebocoran paling

kecil, dan dapat digunakan pada pemakaian temperatur tinggi. Elemen-elemen foil sedikit

lebih besar dalam ukuran dan lebih stabil dari pada gages kawat. Dan dapat digunakan pada

kondisi temperatur yang ekstrim dan dalam pembebanan yang lama, serta mendisipasikan

panas yang diinduksi sendiri dengan mudah. Berbagai jenis bahan tahanan telah

dikembangkan untuk pemakaian gage kawat dan foil, yaitu sebagai berikut :

Constantan adalah paduan (alloy) tembaga nikel dengan koefisien temperatur yang

rendah. Biasanya constantan ditemukan dalam gage yang digunakan untuk pengukuran

strain dinamik, di mana perubahan level strain tidak melebihi 1500 cm/cm. Batas-

batas temperatur kerja adalah dari 10o C sampai 200o C

Nichrome V adalah paduan nikel-chrome yang digunakan untuk pengukuran strainstatik sampai temperatur 375o C. Dengan kompensasi temperatur, paduan ini dapat

digunakan untuk pengukuran statik sampai temperatur 650o C dan pengukuran dinamik

sampai 1000o C

Dynaloy adalah paduan nikel-besi dengan faktor gage yang rendah dan ketahanan yang

tinggi terhadap kelelahan. Bahan ini digunakan untuk pengukuran strain dinamik bila

sensitivitas temperatur yang tinggi dapat ditolerir. Rangkuman temperatur dari gage

dynaloy umumnya dibatasi oleh bahan-bahan pembawa dan semen perekat

Stabiloy adalah paduan nikel-chrome yang dimodifikasi dengan rangkuman

kompensasi yang lebar. Gage ini memiliki stabilitas yang sangat baik dari temperatur

cryogenic sampai sekitar 350o C dan ketahanan yang baik terhadap kelelahan.

Paduan platina-tungsten memberikan stabilitas yang sangat baik dan ketahanan yang

tinggi terhadap kelelahan pada temperatur tinggi. Gage ini disarankan untuk




13

pengukuran uji statik sampai 700o C dan pengukuran dinamik sampai 850o C. Karena

bahan ini memiliki koefisien temperatur yang relatif besar, maka untuk memperbaiki

kesalahan ini harus digunakan suatu bentuk kompensasi temperatur

Strain gage semikonduktor sering digunakan dalam transducer yang keluarannya

tinggi seperti halnya load-cell. Ukuran ini mempunyai sensitivitas yang sangat tinggi

dengan faktor gage dari 50 sampai 200. Namun, peka terhadap fluktuasi temperatur

dan sering menunjukkan sifat yang tidak linear.

Ukuran gage yang telah selesai dan cara dalam mana pola kawat atau foil disusun,

berubah menurut pemakaian. Beberapa “bonded gages” dapat berukuran sekecil 1/8 inci x

1/8 inci, walaupun umumnya agak lebih besar, dan dibuat di pabrik dengan ukuran

maksimal sebesar 1 inci panjang x ½ inci lebar. Dalam pemakaian yang lazim, strain gage

disemen ke struktur yang regangannya akan diukur. Masalah pemberian penyatuan (ikatan)

yang baik antara gage dan struktur adalah sangat sulit. Bahan pelekat harus menempelkan

gage dengan ketat terhadap struktur, namun dia harus memiliki elastisitas yang cukup untuk

memberikan regangan tanpa kehilangan sifat-sifat melekatnya. Bahan perekat juga harus

tahan terhadap temperatur, kelembaban dan kondisi.

2.8.2 Konfigurasi strain gage

Bentuk elemen pengindera dipilih menurut regangan yang akan diukur, satu sumbu

(unaksial), dua sumbu (biaksial), atau arah ganda (banyak). Pemakaian satu sumbu paling

sering menggunakan elemen-elemen pengindera yang panjang dan kecil seperti

ditunjukkan dalam gambar 2.6, untuk memaksimalkan bahan pengindera regangan dalam

arah yang diselidiki. Simpal-simpal ujung dibuat sedikit dan pendek, sehingga sensitivitas

terhadap regangan adalah rendah. Panjang gage dipilih menurut bidang regangan yang akan

diselidiki. Pada kebanyakan pengukuran regangan, gage yang panjangnya 6 mm

memberikan prestasi yang baik dan pemasangan yang mudah.

Gambar 2.6 Strain gage satu sumbu; (a) kawat, (b) foil

Pengukuran regangan secara simultan dalam arah lebih dari satu dapat dilakukan

dengan menempatkan gage elemen tunggal pada lokasi yang sesuai. Namun, untuk

menyederhanakan pekerjaan ini dan untuk menghasilkan ketelitian yang lebih besar,

tersedia gage elemen ganda atau gage resotte.

Resotte dua elemen yang diperlihatkan pada dalam gambar 2.7, sering digunakan

dalam transducer gaya. Gage dirangkaikan dalam sebuah rangkaian jembatan Wheatstone

guna memberikan keluaran yang paling besar. Untuk analisis tegangan geser, elemen-




14

elemen aksial dan melintang bisa memiliki tahanan yang berbeda yang dapat dipilih,

sehingga gabungan keluaran sebanding dengan tegangan geser, sedangkan keluaran dari

elemen aksial sendiri sebanding dengan regangan. Rosette tiga elemen sering digunakan

dalam menentukan arah dan besarnya regangan utama yang dihasilkan dari pembebanan

struktural yang kompleks. Jenis yang paling terkenal memiliki simpangan sudut sebesar

45o atau 60o antara elemen-elemen pengindera seperti ditunjukkan dalam gambar 2.8.

Rosette 60o digunakan bila arah regangan utama tidak diketehui. Rosette 45 o memberikan

rosolusi sudut yang lebih besar dan biasanya digunakan bila arah regangan utama diketahui.

Gambar 2.7 Rosette dua elemen (a) tumpukan foil 90o, (b) foil datar 90o, (c) foil geser 90o

Gambar 2.8 Rosette tiga elemen; (a) foil datar (plana) 60o, (b) tumpukan kawat 45o

2.8.3 Strain gage tanpa ikatan (unbonded strain gage)

Strain gage ini terdiri dari sebuah kerangka diam dan sebuah jangkar (armature) yang

ditopang pada pertengahan kerangka. Jangkar hanya dapat bergerak dalam satu arah.

Gerakannya dalam arah tersebut dibatasi oleh empat filamen kawat sensitif regangan,

dililitkan antara isolator-isolator kaku yang dipasang pada kerangka dan pada jangkar.

Panjang filamen-filamen adalah sama dan disusun seperti yang ditunjukkan dalam gambar

2.9 (a).

Bila sebuah gaya luar diberikan terhadap strain gage, jangkar bergerak dalam arah

yang diperlihatkan. Panjang elemen A dan D bertambah, sedangkan panjang elemen B dan

C berkurang. Perubahan tahanan dari keempat filamen sebanding dengan perubahan

panjang, dan perubahan ini dapat diukur dengan sebuah jembatan Wheatstone seperti




15

diperlihatkan dalam gambar 2.9 (b). Arus tak setimbang yang ditunjukkan oleh alat

pencatat arus, dikalibrasi agar menunjukkan besarnya perpindahan jangkar.

Gambar 2.9 Unbonded strain gage (a) prinsip konstruksi, (b) rangkaian jembatan Wheatstone

Transducer strain gage tipe tidak terikat ini dapat dibuat dalam berbagai jenis

konfigurasi tergantung pada pemakaian yang dikehendaki. Pemakaiannya yang utamaadalah sebagai transducer pergeseran (displacement transducer), sebuah pasak

penghubung dapat ditempelkan pada jangkar guna mengukur pergeseran secara langsung.

Unit dalam gambar 2.9 memungkinkan pergeseran jangkar sebesar 0,004 cm ke tiap sisi

dari posisi tengahnya. Dengan menggunakan konstruksi yang sama, unit ini akan berfungsi

sebagai dynamomter yang mampu mengukur gaya. Dengan tergantung pada jumlah lilitan

dan diameter kawat-kawat regangan, transducer akan mengukur gaya dari 40 gram

sampai 2 kg skala penuh.

2.9 Transducer Pergeseran (Displacement transducer)

Konsep pengukuran sebuah gaya terpasang menjadi pergeseran merupakan dasar bagi berbagai jenis transducer. Elemen mekanis yang digunakan untuk mengubah gaya

terpasang menjadi pergeseran disebut alat-alat penjumlah gaya (force summing devices).

Bagian-bagian dari alat ini pada umumnya adalah sebagai berikut :

a. Diafragma, rata atau bergelombang

b. Tiupan (bellows)

c. Tabung Bourdon, melingkar atau berbelit

d. Tabung / pipa lurus

e. Kantilever massa (mass cantilever), suspensi tunggal atau dobel

f. Torsi ujung berputar (pivot torque).

Adapun contoh alat-alat penjumlah gaya diperlihatklan dalam gambar 2.10.

Umumnya transducer tekanan menggunakan salah satu dari empat jenis pertama dari




16

bagian-bagian alat penjumlah gaya (a), (b), (c) dan (d), sedangkan kategori (e) dan (f) akan

ditemukan dalam alat pengukur percepatan (asselerometer) dan pengukuran getaran

(vibrasi).

Pergeseran yang ditimbulkan oleh tindakan alat penjumlah gaya diubah menjadi

perubahan suatu parameter elektris. Prinsip-prinsip listrik yang paling lazim digunakandalam pengukuran pergeseran adalah :

a. Kapasitif

b. Induktif

c. Transformator selisih (diffrential transformer)

d. Ionisasi

e. Osilasi

f. Fotolistrik

g. Piezo elektris

h. Potensiometerik

i. Kecepatan.

Gambar 2.10 Alat-alat penjumlah gaya

2.9.1 Transducer kapasitifKapasitansi dari sebuah kapasitor pelat paralel diberikan oleh :

G =d

kA0

(farad) (2-10)

di mana :

A = luas masing-masing pelat, m3

d = jarak kedua pelat, m

0 = 9,85 x 10-12, F/m

k = konstanta dielektrik.






18

Kumparan dapat digunakan sebagai komponen sebuah osilator LC yang kemudian

frekuensinya berubah terhadap gaya yang diberikan. Jenis transducer ini dipakai secara luas

dalam sistem telemetri, bersama sebuah kumparan tunggal yang memodulasi frekuensi

sebuah osilator lokal.

Kesalahan-kesalahan histerisis dari transducer seluruhnya hampir dibatasi olehkomponen-komponen mekanis. Jika sebagai elemen dari penjumlah gaya digunakan

sebuah diafragma seperti diperlihatkan dalam gambar 2.12(a), yang bisa membentuk

bagian dari rangkaian magnetik.

Transducer induktif memberi respons terhadap pengukuran statik dan dinamik,

memiliki resolusi yang kontinyu beserta keluaran yang cukup tinggi. Kekurangannya

adalah bahwa respons frekuensi (variasi gaya yang dimasukkan) dibatasi oleh konstruksi

anggota penjumlah gaya. Di samping itu, medan magnet luar dapat mengakibatkan

penunjukan yang salah.

2.9.3 Transducer selisih yang berubah-ubah

Transducer transformator selisih mengukur gaya dinyatakan dalam pergeseran inti

ferromagnetik dari sebuah transformator. Konstruksi dasar dari sebuah transformator

selisih yang berubah secara linear (linear variable diffrential transformer, LVDT),

ditunjukkan dalam gambar 2.13. Transformator ini terdiri dari kumparan primer dan

kumparan sekunder yang ditempatkan pada kedua sisi kumparan primer. Kumparan

sekunder mempunyai jumlah gulungan yang sama tetapi dihubungkan seri secara

berlawanan, sehingga gaya gerak listrik (ggl) yang diindusir di dalam kumparan sekunder

tersebut saling berlawanan. Posisi dari inti yang dapat bergerak menentukan hubungan

fluksi antara kumparan primer yang dieksitasi oleh ac dan masing-masing dari kedua

kumparan sekunder.

Gambar 2.13 LVDT; (a) Komponen-komponen penting, (b) Posisi-posisi relat if dari inti yangmembangkitkan tegangan keluaran. Karakteristik linear menentukan gerakan inti yang terbatas

yang khasnya adalah 5 mm dari posisi nol




19

Inti (core) yang terletak pada posisi tengah sebagai referensi, ggl yang diindusir di

dalam kumparan sekunder adalah sama, dan karena saling berlawanan satu sama lain,

tegangan keluaran akan sama dengan 0 Volt. Bila gaya yang diberikan dari luar

menggerakkan inti ke posisi sebelah kiri, fluksi magnetik yang menembus kumparan di

sebelah kiri lebih besar dari pada ggl induksi dari kumparan di sebelah kanan. Jadi besarnya

tegangan keluar sama dengan selisih antara kedua tegangan sekunder, dan sefasa dengan

tegangan kumparan di sebelah kiri. Dengan cara sama, bila inti didorong agar bergerak ke

sebelah kanan, fluksi yang menembus kumparan di sebelah kanan lebih banyak dari pada

fluksi kumparan di sebelah kiri, dan dalam hal ini tegangan keluaran sefasa dengan ggl dari

kumparan sebelah kanan, sedang besarnya juga sama dengan selisih antara kedua ggl yang

diindusir. Gambar 2.13(b) memperlihatkan tegangan keluaran LVDT sebagai fungsi dari

posisi inti.

Gambar 2.14 Pengukuran pergeseran dengan menggunakan dua transformator selisihdi dalam sebuah sistem loop tertutup

Keluaran transformator selisih dapat bekerja sebagai sebuah komponen di dalam

sebuah sistem servo gaya imbang (force balancing servo), seperti diperlihatkan dalam

gambar 2.14. Terminal keluaran dari sebuah transformator masukan dan transformator

imbang dihubungkan seri secara berlawanan. Penjumlahan aljabar dari kedua tegangan

diumpankan ke sebuah penguat yang mengemudikan sebuah motor dua fasa. Bila kedua

transformator berada pada posisi referensinya, penjumlahan tegangan-tegangan keluar

adalah nol dan tidak ada tegangan yang diserahkan ke servo motor. Bila inti dari

transformator masukan dijauhkan dari posisi referensinya oleh sebuah masukan pergeseran

yang diberikan dari luar, sebuah tegangan keluaran diberikan ke penguat, dan motor

berputar. Poros motor digandeng secara mekanis ke inti transformator imbang. Karenakeluaran transformator imbang ini melawan keluaran transformator masukan, motor terus

berputar sampai keluaran kedua transformator tersebut sama. Indikator pada poros motor

dikalibrasi agar menunjukkan pergeseran transformator imbang dan secara tidak langsung

menunjukkan pergeseran dari transformator masukan.

Sebuah variasi dari transformator selisih dengan inti bergerak diperlihatkan dalam

gambar 2.15. Di sini kumparan primer dililitkan pada kaki tengah dari inti berbentuk E dan

kumparan sekunder dililitkan pada kaki luar dari inti berbentuk E tersebut. Jangkar diputar

terhadap sebuah titik putar (pivot) di bagian atas kaki tengah inti oleh gaya yang diberikan

dari luar. Bila jangkar tersebut digeser dari kedudukan setimbang atau posisi referensinya,

reluktansi rangkaian magnetik melalui satu kumparan sekunder berkurang, sedang secara

bersamaan reluktansi rangkaian magnetik melalui kumparan sekunder yang lain




20

bertambah. Besarnya ggl induksi dalam gulungan sekunder yang sama pada posisi referensi

jangkar, sekarang menjadi lain sebagai akibat dari pemberian pergeseran. Ggl induksi ini

juga berlawanan satu sama lain, dan transformator bekerja dalam cara yang sama seperti

transformator inti bergerak (lihat gambar 2.13).

Gambar 2.15 Transformator selisih dengan inti berbentuk E dan jangkar bertitik putar

Transformator selisih menghasilkan resolusi kontinyu dan memperlihatkan histeresis

yang rendah. Pergeseran yang relatif besar diperlukan, sehingga instrumen sensitif terhadap

getaran. Instrumen pencatat harus diplih agar beroperasi pada sinyal ac, atau harus

menggunakan sebuah jaringan demodulator jika dinginkan suatu keluaran dc.

2.9.4 Transducer osilasi

Kelompok transducer ini menggunakan elemen penjumlah gaya untuk mengubah

kapasitansi atau induktansi dalam sebuah rangkaian osilator LC. Dalam gambar 2.16,

menunjukkan elemen-elemen dasar dari sebuah osilator LC yang frekuensinya dipengaruhi

oleh suatu perubahan dalam induktansi kumparan. Kestabilan osilator harus baik sekali

guna mendeteksi perubahan-perubahan frekuensi osilator yang disebabkan oleh gaya yang

diberikan dari luar.

Gambar 2.16 Elemen-elemen dasar dari sebuah transducer osilasi

Transducer ini mengukur kedua fenomena statik dan dinamik, sangat menyenangkan

untuk digunakan dalam pemakaian telemetri. Keterbatasan rangkuman frekuensi,

kestabilan thermal yang jelek, dan ketelitian yang rendah, membatasi penggunaannya pada

pemakaian ketelitian rendah.




21

2.9.5 Transducer fotolistrik

Transducer fotolistrik memanfaatkan sifat-sifat sel emisi cahaya atau tabung cahaya

(phototube). Tabung cahaya merupakan sebuah alat pemancar energi yang mengontrol

pancaran (emisi) elektronnya bila dihadapkan ke cahaya yang datang. Konstruksi sebuah

tabung cahaya diperlihatkan dalam gambar 2.17(a) dan simbolnya dalam diagram dalamgambar 2.17(b). Elemen setengah lingkaran yang besar adalah katoda yang sensitif cahaya

dan kawat tipis yang menuju pusat tabung adalah anoda. Kedua elemen ini ditempatkan di

dalam sebuah pembungkus (envelope) gelas yang telah dihampakan. Bila antara anoda dan

katoda diberikan suatu tegangan konstan, arus di dalam rangkaian berbanding langsung

dengan banyaknya cahaya atau intensitas cahaya yang jatuh pada katoda. Kurva dalam

gambar 2.17(c) menunjukkan karakteristik khas dari anoda sebuah tabung cahaya vakum

(vacuum) tinggi.

Perhatikan bahwa untuk tegangan di atas sekitar 20 V arus keluaran hampir tidak

tergantung pada tegangan anoda yang masuk, tetapi sama sekali tergantung pada

banyaknya cahaya yang masuk. Arus melalui tabung adalah kecil sekali, biasanya dalam

rangkuman beberapa mikroAmper. Dengan demikian, dalam kebanyakan hal tabungcahaya dihubungkan ke sebuah penguat guna menghasilkan suatu keluaran yang

bermanfaat.

Gambar 2.17 Tabung cahaya dan karakteristik keluarannya

Transducer fotolistrik dalam gambar 2.18, menggunakan sebuah tabung cahaya dan

sebuah sumber cahaya yang dipisahkan oleh sebuah jendela kecil yang celahnya dikontrol

oleh elemen penjumlah gaya dari transducer tekanan. Pergeseran elemen penjumlah gaya




22

memodulasi besaran cahaya yang masuk ke elemen yang sensitif cahaya. Berdasarkan

kurva-kurva dalam gambar 2.17(c), perubahan intensitas cahaya mengubah sifat-sifat emisi

cahaya pada suatu laju yang mendekati linear terhadap pergeseran. Transducer ini dapat

menggunakan salah satu dari sebuah sumber cahaya yang stabil atau suatu cahaya yang

dimodulasi oleh arus bolak-balik.

Gambar 2.18 Elemen-elemen dari sebuah transducer fotolistrik

Keuntangan transducer jenis ini adalah efisiensinya yang tinggi, dan kesesuaiannya

untuk mengukur kondisi statik dan dinamik. Alat ini bisa memiliki stabilitas jangka panjang

yang jelek, tidak memberi respons terhadap variasi cahaya berfrekuensi tinggi, dan

memerlukan pergeseran yang besar bagi elemen penjumlah gaya.

2.9.6 Transducer piezoelektrik

Bahan-bahan kristal yang tidak simetri seperti kuartz, garam Rochelle, dan bariumtitanit, akan menghasilkan suatu ggl bila diregang. Sifat ini diterapkan dalam transducer

piezoelektrik, di mana sebuah kristal ditempatkan di antara sebuah alas pejal dan elemen

penjumlah gaya, seperti diperlihatkan dalam gambar 2.19. Sebuah gaya yang dimasukkan

dari luar, memasuki transducer melalui titik singgahnya, menimbulkan tekanan terhadap

bagian atas kristal. Ini menghasilkan sebuah ggl pada kristal, yang sebanding dengan

besarnya tekanan yang diberikan (dimasukkan).

Gambar 2.19 Elemen-elemen dari sebuah transducer fotolistrik

Karena transducer ini memiliki respons frekuensi yang sangat baik, pemakaian

utamany adalah dalam asselerometer frekuensi tinggi. Pada pemakaian tersebut tegangan

keluaran khas adalah dalam orde 1 s/d 30 mv setiap g percepatan. Alat ini tidak memerlukan




23

sumber daya luar, dan dengan demikian membangkitkan tegangan sendiri. Kekurangan

utama dari transducer ini adalah, bahwa tidak dapat mengukur kondisi-kondisi statik.

Tegangan keluaran juga dipengaruhi oleh variasi temperatur dari kristal.

2.9.7 Transducer potensiometerik

Transducer potensiometerik adalah sebuah alat elektromekanik yang mengandung

elemen tahanan yang dihubungkan oleh sebuah kontak geser yang dapat bergerak. Gerakan

kontak geser menghasilkan suatu perubahan tahanan yang bisa linear, logaritmis,

eksponensial, dan sebagainya, tergantung pada cara bagaimana kawat tahanan tersebut

digulungkan. Dalam beberapa hal, untuk melengkapi elemen tahanan digunakan tumpukan

karbon, lapisan platina, dan teknik-teknik lain. Elemen-elemen dasar dari transducer

potensiometerik diberikan seperti dalam gambar 2.20.

Prinsip potensiometerik digunakan secara luas meskipun memiliki keterbatasan.

Efisiensinya sangat tinggi dan memberikan suatu keluaran yang cukup untuk

memperbolehkan operasi pengontrolan tanpa penguatan selanjutnya. Alat ini bisa dieksitasi

dari ac ataupun dc, dan dengan demikian dapat melayani cakupan pemakaian yang luas.Umurnya terbatas karena adanya gesekan mekanis dari kontak geser terhadap elemen

tahanan, dan derau bisa ditimbulkan jika elemen menjadi aus. Pergeseran-pergeseran yang

besar biasanya diperlukan untuk menggerakkan kontak geser sepanjang permukaan kerja

dari potensiometer.

Gambar 2.20 Prinsip transducer potensiometrik

2.9.8 Transducer kecepatanPada dasarnya transducer kecepatan terdiri dari sebuah kumparan putar yang

digantung di dalam medan magnet sebuah magnet permanen seperti diperlihatkan dalam

gambar 2.21.

Sebuah tegangan dibangkitkan oleh perputaran kumparan di dalam medan tersebut.

Keluaran sebanding dengan kecepatan kumparan, dan dengan demikian pengukuran jenis

ini umumnya digunakan untuk kecepatan yang ditimbulkan dalam bentuk linear, sinus atau

sembarang (random). Redaman diperoleh secara elektris, berarti menjamin stabilitas yang

tinggi dalam kondisi temperatur yang berbeda.




24

Gambar 2.21 Elemen-elemen sebuah transducer kecepaan

2.10 Pengukuran Temperatur

2.10.1 Termometer tahanan

Detektor temperatur tahanan (resistance temperature detector, RTD) atau

termometer tahanan, menggunakan elemen sensitif dari kawat platina, tembaga atau nikel

murni yang memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk masing-masing temperatur di

dalam rangkumannya. Hubungan antara temperatur dan tahanan konduktor dalam

rangkuman temperatur sekitar 0oC dapat ditentukan dari persamaan berikut :

R t = R ref (1 + t) (2-11)

di mana :

R t = tahanan konduktor pada temperatur t, oC

R ref = tahanan pada temperatur referensi, biasanya oC

= koefisien temperatur tahanan

t = selisih antara temperatur kerja dengan temperatur referensi.

Hampir semua konduktor logam memiliki koefisien tahanan temperatur yang positif,

sehingg bertambah terhadap kenaikan temperatur. Beberapa bahan seperti karbon dan

germanium memiliki koefisien tahanan temperatur yang negatif, menandakan bahwa

tahanan tersebut berkurang pertambahan temperatur. Dalam sebuah elemen pengindera

temperatur diinginkan nilai yang tinggi, sehingga suatu perubahan tahanan yang besar

hanya terjadi pada perubahan temperatur yang relatif kecil. Perubahan tahanan ini (R)

dapat diukur dengan sebuah jembatan Wheatstone, yang dapat dikalibrasi agar

menunjukkan temperatur yang menyebabkan perubahan tahanan.

Dalam gambar 2.22 memperlihatkan variasi tahanan terhadap temperatur untuk

berbagai bahan yang lazim digunakan. Grafik menunjukkan bahwa tahanan platina dan

tembaga bertambah hampir linear terhadap temperatur.




25

Gambar 2.22 Tahanan relatif (R t / R ref ) terhadap temperatur untuk beberapa logam

Elemen pengindera dari sebuah termometer tahanan dipilih berdasarkan pemakaian

yang diinginkan. Tabel 2.1 menyajikan karakteristik dari tiga bahan tahanan yang lazim

dipakai. Kawat platina kebanyakan digunakan untuk pemakaian laboratorium dan untuk

pengukuran ketelitian tinggi pada industri. Kawat nikel dan tembaga lebih murah dan lebih

mudah dibuat dari pada elemen kawat platina, dan sering digunakan di industri untuk

pemakaian rangkuman rendah.

Tabel 2.1 Elemen-elemen termometer tahanan

JenisRangkuman

TemperaturKetelitian Keuntungan Kekurangan

Platina -300oF sampai

+ 1500oF 1oF murah

stabilitas tinggi

rangkuman kerja

lebar

waktu respons

yang relatif

lambat (15 s)

tidak selinear

tembaga

Tembaga -325oF sampai

+ 250oF 0,5oF linearitas tinggi

ketelitian dalam

rangkumantemperatur

sekeliling

rangkuman

temperatur

terbatas (250oF)

Nikel -32oF sampai

+ 150oF 0,5oF umur panjang

sensitivitas

tinggi

koefisien

temperatur tinggi

lebih linear dari

pada tembaga

rangkuman

temperatur

terbatas (150oF)

Umumnya termometer tahanan adalah berbentuk jarum penduga untuk dicelupkan

ke dalam medium yang temperaturnya akan diukur atau dikontrol. Elemen pengindera jenis

jarum penduga dibuat dengan melapisi sebuah pipa (tabung) platina atau perak yang kecil






27

arus. Dengan membuat saklar fungsi pada posisi “FS”,tahanan pengatur skala penuhdiubah-ubah sampai indikator membaca skala penuh. Kemudian saklar fungsi dipasang

pada posisi “MEAS”, menghubungkan termometer tahanan R t di dalam rangkaian. Bila

karakteristik temperatur tahanan dari elemen termometer adalah linear, penunjukkan

galvanometer dapat diinterpolasi secara linear antara nilai-nilai temperatur referensi yang

distel dan temperatur skala penuh.

Gambar 2.24 Rangkaian jembatan dengan sebuah termometer tahanan sebagai salah satu elemen

Jembatan Wheatstone memiliki kekurangan tertentu bila digunakan untuk mengukur

variasi tahanan dari termometer tahanan. Kekurangan tersebut adalah efek tahanan kontak

dari sambungan terhadap terminal-terminal jembatan, pemanasan elemen-elemen oleh arus

yang tidak seimbang, dan pemanasan kawat-kawat penghubung antara termometer dan

jembatan. Untuk menghilangkan kesulitan ini, maka sedikit modifikasi terhadap jembatan

Wheatstone, seperti halnya jembatan kawat geser dobel. Metoda termometer tahanan

adalah teliti, sehingga merupakan salah satu metoda standar untuk pengukuran temperatur

dalam rangkuman -183oC sampai 630oC.

2.10.2 Termokopel

Sebuah termokopel terdiri dari sepasang kawat logam yang tidak sama dihubungkan

secara bersama pada satu ujung (ujung pengindera atau ujung panas) dan berakhir pada

ujung lain (titik referensi atau ujung dingin) yang dipertahankan pada suatu temperatur

konstan yang diketahui (temperatur referensi). Bila antara ujung pengindera dan titik

referensi terdapat perbedaan temperatur, suatu ggl yang menyebabkan arus di dalam

rangkaian akan dihasilkan. Bila titik referensi ditutup oleh sebuah alat ukur atau instrumen

pencatat, seperti ditunjukkan dalam gambar 2.25, penunjukan alat ukur tersebut akan

sebanding dengan selisih temperatur antara ujung panas dengan titik referensi. Efek

termolistrik yang diakibatkan oleh potensial-potensial kontak pada titik-titik sambung ini

dikenal sebagai efek Seebeck, menurut nama ahli fisika Jerman, Thomas Seebeck.

Gambar 2.25 Rangkaian dasar termokopel




28

Besarnya ggl termal tergantung pada bahan kawat yang digunakan dan pada selisih

temperatur antara titik-titik sambung. Gambar 2.26 memperlihatkan ggl termal untuk

beberapa bahan termokopel yang lazim. Nilai yang diperlihatkan didasarkan pada

temperatur referensi sebesar 32oF.

Gambar 2.26 Tegangan keluaran termokopel sebagai fungsi temperatur untuk berbagai bahan termokopel

Untuk menjamin umur yang panjang dalam lingkungan operasinya, termokopel

dilindungi di dalam sebuah tabung logam pelindung atau lobang yang ujungnya terbuka

atau tertutup. Guna mencegah pengotoran termokopel bila yang digunakan adalah logam-

logam mulia (platina dan paduannya), tabung proteksi dilembam secara kimia dan

dihampakan dengan ketat. Karena termokopel biasanya berada pada lokasi yang jauh dari

instrumen pencatat, sambungan-sambungan dibuat dengan menggunakan kawat-kaewat perpanjangan (extention wires) khusus yang disebut kawat-kawat kompensasi. Ketelitian

pengukuran maksimal dijamin bila kawat kompensasi adalah dari bahan yang sama dengan

kawat termokopel.

Termokopel tersedia dari pabrik bersama sertifikat kalibrasi NBS atau bersama

sertifikat uji yang didasarkan pada perbandingan presisi terhadap termokopel yang

disahkan oleh NBS.

Pengukuran temperatur yang paling sederhana dengan menggunakan sebuah

termokopel adalah menghubungkan langsung sebuah miliVoltmeter sensitif ke ujung

dingin. Defleksi alat pencatat hampir berbanding langsung dengan beda temperatur antara

ujung panas dengan titik referensi. Instrumen sederhana ini memiliki kekurangan serius,

terutama karena termokopel hanya dapat menyalurkan daya yang sangat terbatas untukmenggerakkan mekanisme alat pencatat.




29

Gambar 2.27 Potensiometer imbang otomatis dengan menggunakan sebuah fotosel untukmemberikan penempatan potensiometer dalam dua arah

Metoda paling umum untuk pengukuran temperatur dengan menggunakan

termokopel mencakup pemakaian sebuah potensiometer. Berbagai jenis potensiometer

otomatik telah dikembangkan untuk pencatatan temperatur secara otomatik pada card alat

pencatat dan untuk mengontrol proses secara otomatik. Sebuah sistem yang umum

menggunakan alat fotolistrik seperti diperlihatkan pada diagram skema yang

disederhanakan dalam gambar 2.27. Fotosel mengontrol posisi kontak geser dari sebuah

potensiometer kawat geser. Keuntungan sistem ini adalah bahwa galvanometer tidak

terpengaruh oleh suatu beban fisis sebab dia hanya digunakan untuk mengarahkan cahaya

ke sebuah fotosel. Fotosel menerima cahayanya melalui pantulan dari cermin galvanometer

yang posisi sudutnya adalah ukuran dari ketidakseimbangan tegangan di dalam rangkaian

potensiometer. Fotosel merupakan bagian dari rangkaian masukan bagi penguat, dan

tahanannya mengontrol tegangan masukan ke penguat. Penguat mengemudikan sebuah

motor reversibel (dapat dibalik) yang mengontrol gerekan kontak geser. Bila mula-mula

potensiometer adalah setimbang misalnya pada temperatur referensi, akan terdapat

sejumlah cahaya terpantul ke fotosel. Jika cahaya yang menabrak fotosel berubah karenasuatu perubahan temperatur pada titik sambung termokopel, tahanan fotosel berubah dan

mempengaruhi tahanan ke penguat, kemudian penguat mengemudikan motor reversibel

dalam suatu arah yang cenderung untuk memulihkan kesetimbangan dalam rangkaian

potensiometer.




30

Gambar 2.28 Potensiometer imbang otomatis dengan menggunakan sebuah konverter untukmengubah sinyal dc yang salah menjadi ac untuk penguatan dan pemakaian

Suatu metoda standar yang sangat baik menyangkut sinyal-sinyal kesalahan dc yang

kecil ditunjukkan dalam gambar 2.28. Termokopel ditempatkan di dalam sebuah rangkaian

potensiometer. Tegangan tidak setimbang di dalam potensiometer yang disebabkan oleh

variasi temperatur pada ujung panas termokopel, dimasukkan ke sebuah pengubah

(konverter). Bila daya dimasukkan untuk mengemudikan kumparan konverter (biasanya 60

Hz atau 400 Hz), jangkar magnetik bergetar selaras (sinkron) dengan frekuensi tegangan

kumparan. Secara bergantian jangkar ini menghubungkan ujung-ujung yang berlawanan

dari kumparan primer transformator ke tegangan yang tidak setimbang. Tegangan tidak

setimbang yang berdenyut di dalam kumparan primer transformator dialihkan ke kumparansekunder, di mana diperkuat oleh sebuah penguat ac dan dimasukkan ke motor imbang

(balancing motor). Polaritas sinyal yang salah yang berasal dari rangkaian potensiometer

menentukan apakah pulsa yang menuju transformator adalah dari satu polaritas atau dari

polaritas yang berlawanan. Polaritas dari sinyal yang salah yang diperkuat, menentukan

arah perputaran motor imbang diacu terhadap tegangan sesaat jala-jala. Secara mekanis

motor digandengkan ke kontak geser potensiometer dan mengemudikannya dalam suatu

arah guna memulihkan kesetimbangan.

2.10.3 Termistor

Termistor atau tahanan termal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai

tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif. Dalam beberapa hal, tahanan sebuah termistor pada temperatur ruang bisa berkurang sebanyak 6

% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan

temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran pengontrolan dan

kompensasi temperatur secara presisi. Dengan demikian termistor digunakan secara luas

pada pemakaian tersebut, terutama dalam rangkuman temperatur rendah dari -100oC

sampai 300oC.

Termistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan, seperti

mangan, nikel, koibalt, tembaga, besi, dan uranium. Rangkuman tahanannya adalah dari

0,5 sampai 75 dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran. Ukuran paling kecil

adalah berbentuk manik-manik (beads) dengan diameter sebesar 0,15 mm sampai 1,25 mm.

Manik-manik ini dapat disegel di dalam ujung batang gelas padat untuk membentuk jarum




31

penduga (probe) yang sedikit lebih mudah memasangnya dari pada manik-manik. Bentuk

piringan (disk) atau cincin (washer) dibuat menjadi bentuk silender datar dengan diameter

2,5 mm sampai 25 mm dengan memadatkan bahan termistor pada temperatur tinggi.

Cincin-cincin dapat ditumpukkan dan ditempatkan secara seri (berderet) atau paralel guna

memperbesar disipasi daya.

Tiga karakteristik penting dari termistor membuatnya sangat bermanfaat untuk

pengukuran dan pengontrolan, yaitu karakteristik temperatur tahanan, karakteristik

tegangan arus, dan karakteristik arus waktu. Kurva ketiga karakteristik seperti

diperlihatkan dalam gambar 2.29.

Karakteristik temperatur tahanan dalam gambar 2.29(a) menunjukkan bahwa

termistor mempunyai koefisien tahanan tempaeatur negatif yang tinggi sehingga

membuatnya menjadi sebuah transducer temperatur yang ideal. Variasi tahanan terhadap

temperatur dari kedua bahan industri dibandingkan terhadap karakteristik untuk platina

(bahan termometer tahanan yang dipakai secara luas), antara temperatur -100oC dan

+400oC, tahanan bahan termistor tipe A berubah dari 107 sampai 1 -cm, sedangkan

tahanan platina hanya berubah sebesar faktor sekitar 10 sepanjang rangkuman temperaturyang sama.

Gambar 2.29 Kurva karakteristik termistor






33

Perubahan tahanan termistor yang relatif besar setiap perubahan temperatur dalam

derajat yang disebut sensitivitas, menjadikannya sebuah pilihan yang jelas sebagai

transducer temperatur. Sebuah temperatur khas tipe industri dengan tahanan 2000 pada

25oC dan koefisien temperatur sebesar 2,9 % / oC, akan memiliki suatu perubahan tahanan

sebesar 78 setiap

o

C perubahan temperatur. Bila termistor ini dihubungkan di dalamsebuah rangkaian seri sederhana yang terdiri dari baterai dan mikroampermeter, setiap

variasi dalam temperatur menyebabkan perubahan dalam tahanan termistor dan perubahan

yang berkaitan pada arus rangkaian. Alat ukur dapat dikalibrasi langsung dalam temperatur

dan mampu memisahkan variasi temperatur sebesar 0,1oC. Sensitivitas yang lebih tinggi

diperoleh dengan menggunakan rangkaian jembatan gambar 2.30. Sebagai contoh,

termistor 4 k akan segera menunjukkan suatu perubahan temperatur sekecil 0,005 oC.

Sensitivitas yang tinggi ini bersama-sama dengan tahanan termistor yang relatif tinggi yang

bisa dipilih (misalnya 100 k ), membuat termistor ideal untuk pengukuran atau

pengontrolan jarak jauh (remote), sebab perubahan dalam tahanan kontak atau saluran

transmisi karena efek temperatur sekeliling diabaikan.

Gambar 2.31 Rangkaian termistor untuk pengontrolan temperatur

Sebuah rangkaian pengontrol temperatur sederhana dapat dibuat dengan mengganti

mikroampermeter dalam rangkaian jembatan dalam gambar 2.30 menjadi sebuah rele. Ini

diperlihatkan dalam rangkaian khas termistor pengontrol temperatur dalam gambar 2.31,

di mana sebuah termistor 4 k tersambung di dalam sebuah jembatan yang dieksitasi oleh

arus bolak-balik. Tegangan tidak setimbang diumpankan ke sebuah penguat ac yang

keluarannya dikemudikan sebuah rele. Kontak-kontak rele digunakan untuk mengontrol

arus di dalam rangkaian yang membangkitkan panas. Rangkaian pengontrol ini dapat

beroperasi sampai ketepatan sebesar 0,0001oF.

Sistem kontrol termistor memiliki sifat sensitif, stabil, dan bekerja cepat, dan

memerlukan rangkaian yang relatif sederhana. Keluaran tegangan dari rangkaian jembatan

termistor standar pada 25oC akan mendekati 18 mV/oC dengan menggunakan sebuah

termistor 4000 dalam konfigurasi gambar 5.30. Karena termistor memiliki koefisien

tahanan temperatur yang negatif berlawanan dengan koefisien positif dari kebanyakan

konduktor listrik dan semi konduktor, termistor digunakan secara luas untuk

mengkompensir efek temperatur terhadap komponen dan prestasi rangkaian. Termistor

berbentuk piringan (disk) sering digunakan bila temperatur maksimal tidak melebihi 125oC.

Sebuah termistor yang dipilih secara tepat yang dipasang menghadap atau di dekat sebuah

elemen rangkaian seperti halnya kumparan alat ukur dari bahan tembaga dan mengalami

perubahan temperatur sekeliling yang sama, dapat dihubungkan sedemikian rupa sehingga

tahanan total rangkaian adalah konstan sepanjang suatu rangkuman temperatur yang lebar.




34

Ini diperlihatkan pada kurva gambar 2.32, yang menjelaskan efek dari sebuah jaringan

kompensasi.

Alat kompenasi terdiri dari sebuah termistor yang paralel dengan sebuah tahanan.

Koefisien temperatur negatif dari kombinasi ini sama dengan koefisien positif kumparan

alat ukur dari bahan tembaga. Tahanan kumparan sebesar 5000 pada 25oc yang berubahdari kira-kira 4500 pada 0oC sampai 5700 pada 60oC, menyatakan suatu perubahan

sekitar 12%. Dengan satu jaringan kompensasi termistor, variasi ini dapat diturunkan

menjadi sekitar 15 atau ¼ %. Dengan jaringan kompensasi dobel atau tripel, variasi

malah dapat diturunkan lebih lanjut.

Gambar 2.32 Kompensasi temperatur konduktor tembaga dengan menggunakan

jaringan termistor

Pada pengukuran daya hantar termal, dua termistor dihubungkan dalam lengan-

lengan yang berdekatan dari jembatan Wheatstone, seperti diperlihatkan dalam gambar

2.33. Tegangan sumber bagi (suplai) bagi jembatan adalah cukup tinggi untuk menaikkan

kedua termistor tersebut di atas temperatur sekelilingnya, sampai sekitar 150 oC. Sebuah

termistor dipasang pada permukaan yang diam guna memberikan kompensasi temperatur,

sedang termistor lainnya ditempatkan di dalam medium yang akan diukur. Setiap

perubahan dalam daya hantar termal medium ini akan mengubah laju pada mana panas

didisipasi dari termistor pengindera, yang berarti mengubah temperaturnya. Ini

menghasilkan ketidaksetimbangan jembatan yang dapat dikalibrasi dalam satuan-satuan

yang sesuai.

Dalam pemakaian lainnya, dua termistor ditempatkan dalam rongga-ronga terpisah

di dalam sebuah balok kuningan. Dengan udara di dalam kedua rongga tersebut, jembatan

setimbang. Bila udara di dalam satu rongga diganti dengan dioksida karbon murni yang

memiliki daya hantar yang lebih rendah dari pada udara, jembatan akan menjadi tidak

setimbang karena termistor menjadi lebih panas dan tahanannya berkurang. Besarnya

ketidaksetimbangan ini menyatakan 100% CO2 di dalam alat analisis (analyzer), 50% CO2

baru memberikan separuh pembacaan alat ukur, dan instrumen bisa dikalibrasi dengan

sebuah skala linear untuk membaca persentase CO2 di dalam udara. Kalibrasi yang serupa

dapat dilakukan untuk setiap campuran dua gas lainnya.




35

Gambar 2.33 Pengukuran daya hantar termal

Jika jembatan yang sama menggunakan satu termistor tertutup dalam rongga di

dalam balok kuningan dan termistor lainnyaa dipasang di dalam sebuah pipa kecil, dapat

digunakan sebagai alat pengukur aliran (flowmeter). Bila tidak ada udara yang mengalir

melalui pipa, jembatan boleh jadi setimbang. Bila udara mengalir melalui pipa, termistor

menjadi dingin, dan tahanannya bertambah yang membuat jembatan tidak setimbang.

Banyaknya pendinginan sebanding dengan laju aliran udara, sehingga alat pencatat dapat

dikalibrasi dalam aliran di dalam pipa. Instrumen-instrumen sedemikian ini telah dibuat

untuk mengukur laju aliran sampai serendah 0,001 cm3 setiap menit.

2.11 Alat-alat Sensitif Cahaya

Elemen-elemen sensitif cahaya merupakan alat terandalkan untuk mendeteksi energi

pancaran atau cahaya. Alat-alat tersebut melebihi sensitivitas mata manusia terhadap semua

warna spektrum dan juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra merah

(infrared).

Penggunaan praktis alat sensitif cahaya ditemukan dalam berbagai pemakaian teknik,sebagai berikut :

a. Tabung cahaya atau fototabung vakum (vacuum type phototubes), paling

menguntungkan digunakan dalam pemakaian yang memerlukan pengamatan pulsa

cahaya yang waktunya relatif singkat, atau cahaya yang dimodulasi pada frekuensi

yang relatif tinggi

b. Tabung cahaya gas (gas type phototubes), digunakan dalam industri gambar hidup

sebagai pengindera suara pada film

c. Tabung cahaya pengali atau pemfotodarap (multiplier phototubes), dengan

kemampuan penguatan yang sangat hebat, sangat banyak digunakan pada pengukuran

fotoelektrik dan alat-alat kontrol dan juga sebagai alat cacah kelipan (scintillation

counter)

d. Sel-sel fotokonduktif (photoconductive cells), juga disebut tahanan cahaya

(photoresistor) atau tahanan yang tergantung pada cahaya (light dependent resistor,

LDR), dipakai luas dalam industri dan penerapan pengontrolan di laboratorium

e. Sel-sel fototegangan (photovoltatic cells), adalah alat semikonduktor untuk mengubah

energi radiasi menjadi daya listrik. Contoh yang sangat baik adalah sel matahari (solar

cell) yang digunakan dalam teknik ruang angkasa.

2.11.1 Tabung cahaya vakum

Tabung cahaya telah dijelaskan pada sub bab 2.9.5, di mana pemakaian tabung

cahaya diperlihatkan sebagai sebuah transducer tekanan. Katoda cahaya (photocathode)

memancarkan elektron bila dirangsang dengan pancaran yang datang. Katoda cahaya yang paling penting digunakan di dalam tabung cahaya vakum adalah permukaan cesium-




36

antimony, yang ditandai dengan sensitivitas yang tinggi di dalam spektrum visibel. Jenis

gelas yang digunakan di dalam penutup gelas terutama menentukan sensitivitas alat pada

panjang gelombang yang lain. Biasanya gelas menghentikan transmisi radiasi dalam daerah

ultraviolet.

Karakteristik khas antara tegangan dan arus diperlihatkan dalam gambar 2.34(a). Bilategangan yang cukup diberikan antara katoda cahaya dan anoda, arus yang terkumpul

secara keseluruhan hampir tergantung pada jumlah cahaya yang masuk. Tabung cahaya

vakum ditandai oleh suatu respons arus cahaya yang linear sepanjang suatu rangkuman

yang lebar begitu besar, sehingga tabung-tabung ini sering digunakan sebagai standar

dalam pengukuran pembandingan cahaya. Gambar 2.34(b) memperlihatkan hubungan

linear antara arus dan cahaya.

Gambar 2.34 Karakteristik tabung cahaya vakum

2.11.2 Tabung cahaya berisi gas

Tabung cahaya berisi gas`memiliki konstruksi umum yang sama seperti tabung

cahaya vakum, kecuali bahwa penutup berisi gas lamban (biasanya argon) pada suatu

tekanan yang sangat rendah. Elektron dipancarkan dari katoda melalui kekuatan

fotoelektrik dan mempercepatnya melalui gas dengan memberikan tegangan pada anoda,

Jika energi elektron melebihi potensial ionisasi gas (15,7 V untuk argon), tumbukan sebuah

elektron dan molekul gas dapat menyebabkan ionisasi, yakni pembentukan sebuah ion

positif dan sebuah elektron sekunder. Jika selanjutnya tegangan diperbesar melebihi

tegangan ionisasi, arus yang dikumpulkan oleh anoda bertambah karena jumlah tumbukan

antara elektron cahaya (foto elektron) dan molekul gas lebih banyak. Jika tegangan anoda

dinaikkan ke suatu nilai yang sangat tinggi, arus menjadi tidak terkontrol, maka semua

molekul gas terionisasi dan tabung memiliki suatu lucutan kilap (glow discharge). Keadaan

ini harus dicegah karena dapat merusak tabung untuk seterusnya. Karakteristik khas antara

arus dan tegangan untuk berbagai level cahaya diperlihatkan dalam gambar 2.35.




37

Gambar 2.35 Karakteristik keluaran dari sebuah tabung cahaya berisi gas

2.11.3 Pemfotodarap (photomultiplier)

Untuk mendeteksi level-level cahaya yang sangat rendah, dalam kebanyakan

pemakaian diperlukan penguatan khusus bagi arus cahaya. Pemfotodarap atau alat

menggandakan cahaya (photomultiplier), menggunakan emisi sekunder untuk memberikan

penguatan arus di atas faktor 106 dan berarti menjadi sebuah detektor yang sangat

bermanfaat bagi level cahaya yang rendah.

Gambar 2.36 Pemfotodarap linear dengan konfigurasi Matheson, menunjukkan garis-garis

berpotensial sama dan pengumpamaan trayektor ke dalam sebuah sangkar dioda linear

Dalam sebuah pemfotodarap, elektron yang dipancarkan oleh fotokatoda diarahkan

secara elektrostatik ke sebuah permukaan pancar sekunder yang disebut dynoda. Jika pada

dynoda ini diberikan tegangan kerja yang sesuai, tiga sampai enam elektron sekunder

dipancarkan untuk setiap elektron primer yang menumbuk dynoda. Elektron sekunder ini

dipusatkan (difokuskan) ke sebuah dynoda kedua di mana proses berulang. Dengan

demikian, pancaran katoda semula digandakan beberapa kali. Gambar 2.36

memperlihatkan sebuah pemfotodarap beserta sepuluh dynoda. Dynoda terakhir (ke 10)

disusul oleh anoda yang mengumpulkan elektron dan dalam kebanyakan pemakaian

bekerja sebagai elektron keluaran sinyal.




38

Pemfotodarap linear (juga dikenal sebagai tabung Matheson) , memiliki struktur

sangat pemusat (pemfokus) yang dirancang secara khusus dengan permukaan efektif yang

besar untuk pengumpulan elektron cahaya pada dynoda pertama. Tabung Matheson ini

menggunakan sebuah katoda lengkung dan cincin-cincin annular untuk pemusatan elektro-

elektron cahaya (foto-elektron) secara elektrostatik. Konstruksi ini memperlihatkan

pengumpulan foto-elektron yang sangat efektif dan juga waktu peralihan yang sangat

pendek (respons frekuensi tinggi).

Penguatan pemfotodarap tergantung pada jumlah dan sifat-sifat bahan dynoda.

Untuk sebuah tabung khas dengan sepuluh dynoda, penguatan ini akan berada dalam orde

106 dengan pemberian tegangan sebesar 100 V setiap tingkatan (dalam hal ini akan

diperlukan sumber tegangan 1000 V). Respons spektral dapat dikontrol oleh bahan katoda

dan dynoda. Keluaran pemfotodarap adalah linear, serupa dengan tabung cahaya vakum.

Medan-medan magnetik mempengaruhi penguatan pemfotodarap, sebab sebagian

elektron mungkin dibelokkan dari lintasan normalnya di antara tingkatan-tingkatan, dan

dengan demikian tidak pernah mencapai sebuah dynoda atau akhirnya anoda. Dalam

pemakaian alat cacah kelipan efek ini bisa mengganggu, dan untuk ini pelindung magnetiklogam-mu sering dipasang sekeliling pemfotodarap.

2.11.4 Sel-sel fotokonduktif

Sel-sel fotokonduktif adalah elemen-elemen yang daya hantarnya merupakan fungsi

dari radiasi elektromagnetik yang masuk. Banyak bahan bersifat fotokonduktif sampai

tingkat tertentu, akan tetapi yang terpenting secara komersial adalah kadmium sulfida

(cadmium sulfide), germanium dan silikon. Respons spektral dari sel sulfida kadmium

hampir sesuai dengan mata manusia, dan dengan demikian sel ini sering digunakan dalam

pemakaian di mana penglihatan manusia merupakan suatu faktor, seperti halnya

pengontrolan cahaya jalan atau pengontrol selaput pelangi otomatik pada alat-alat potret

(kamera).

Elemen-elemen dasar dari sebuah sel adalah substrat (suatu bahan yang dikerjakan

melalui peragian atau enzim); keramik, lapisan bahan fotokonduktif, elektroda metalik

untuk menghubungkan alat ke sebuah rangkaian, dan sebuah penutup tahan uap air. Sebuah

pandangan terpotong lancip dari sebuah sel fotokonduktif diperlihatkan dalam gambar

2.37.

Gambar 2.37 Pandangan lancip dari sebuah sel fotokonduktif




39

Gambar 2.38 Rangkaian kontrol dari fotosel 12 V

Suatu pemakaian khas dari sebuah rangkaian praktis fotosel untuk mengontrol on-offditunjukkan dalam gambar 2.38. Tahanan R 2, R 3, dan R 4 dipilih sehingga catu emitter ke

basis Q2 cukup positif untuk mengizinkan Q2 konduksi. Sebagai akibatnya rele di dalam

rangkaian kolektor Q2 akan bekerja. Bila digunakan konfigurasi A sebagai rangkaian

kontrol, rele bekerja bila cahaya pada fotosel berada di bawah suatu level yang telah

ditentukan. Bila fotosel diterangi, catu emitter ke basis dari Q1 menjadi cukup positif untuk

mengizinkan Q1 konduksi. Potensial kolektornya menjadi kurang positif, mengurangi catu

pada Q2 dan Q2 terputus mematikan rele. Bila yang digunakan adalah konfigurasi B, rele

akan bekerja bila cahaya yang masuk pada fotosel berada di atas suatu level telah

ditentukan sebelumnya.

Foto sel semikonduktor digunakan dalam beberapa pemakaian. Karakteristik volt-

amper dari sebuah bahan p-n bisa nampak berupa garis tebal dalam gambar 2.39, tetapi bila

cahaya diberikan pada sel, kurva bergeser ke bawah seperti diperlihatkan oleh garis patah.

Gambar 2.39 Karakteritik arus tegangan dari sebuah dioda foto

Dalam pemakaian fotokonduktif sel dicatu dalam arah balik. Bila sel tersebut

disinari, arus balik bertambah dan suatu tegangan keluaran dapat dibangkitkan melalui

sebuah tahanan keluaran. Selanjutnya tegangan keluaran ini sebanding dengan jumlah

cahaya yang masuk. Orde khas besarnya pertambahan arus keluaran adalah sekitar 0,7 A

untuk setiap pertambahan penerangan sebesar 1 fc (kali-lilin; foot-candle). Pertambahan




40

arus cahaya ini adalah linear terhadap pertambahan penerangan. Konstanta waktu fotosel

dari bahan p-n yang relatif cepat, membuat alat ini sangat bermanfaat untuk frekuensi

eksitasi optik sekalipun di atas daerah audio.

2.11.5 Sel-sel foto tegangan

Sel-sel foto tegangan (photovoltatic cell) dapat digunakan dalam sejumlah

pemakaian. Sel matahari (solar cell) silikon mengubah tenaga pancaran matahari menjadi

daya listrik. Sel matahari terdiri dari sebuah irisan tipis dari silikon tipe p kristal tunggal

sampai 2 cm2, kedalam sebuah lapisan bahan tipe n yang sangat tipis (0,5 mikron)

disebarkan. Efisiensi pengubahan tergantung pada kandungan spektral dan intensitas

penerangan.

Alat-alat fototegangan silikon unit ganda dapat digunakan untuk mengindera cahaya

dalam pemakaian seperti pembacaan kartu-kartu berlobang dalam industri pengolahan

data. Sel-sel germanium berlapis emas dengan karakteristik respons spektral yang

terkontrol bertindak sebagai alat-alat fototegangan dalam daerah spektrum infra merah dandapat digunakan sebagai detektor infra merah.

2.12 Pengukuran Magnetik

2.12.1 Galvanometer balistik

Defleksi sebuah galvanometer balistik berbanding langsung dengan muatan listrik

yang mengalir melalui kumparannya. Karena muatan dan fluksi dihubungkan oleh sebuah

konstanta kesebandingan, defleksi galvanometer merupakan ukuran fluksi, sehingga :

= K (weber) (2-12)

di mana : = fluksi magnetik, dalam weber

K = konstanta kesebandingan

= defleksi sudut galvanometer, dalam radian

Gambar 2.40 Rangkaian yang menggunakan galvanometer balistik untuk menentukan kurva

histeresis sebuah sampel magnetik

Untuk memeriksa sifat-sifat bahan magnetik, biasanya satu pengukuran fluksi

tunggal tidak cukup. Susunan pengukuran dalam gambar 2.40, memperbolehkan penentuan

loop histeresis dari sebuah sampel cincin bahan magnetik dengan mengukur fluksi dengan




41

sebuah galvanometer balistik pada nilai gaya magnetisasi berlawanan. Kumparan kalibrasi

digunakan untuk menentukan sensitivitas galvanometer K dari persamaan (2-9). Loop

histeresis, atau kurva BH, digambarkan dengan mengukur B dengan galvanometer untuk

nilai H yang berbeda. H diukur dalam AT/m. Arus melalui kumparan primer pada sampel

cincin dikontrol oleh tahanan geser R1. Karena jumlah lilitan primer dan keliling sampel

rata-rata diketahui, H dapat disetel oleh R1 pada setiap nilai yang diinginkan.

Loop histeresis diukur dengan cara berikut : Saklar S2 mula-mula ditutup dan arus di

dalam kumparan primer disetel oleh R1 ke suatu nilai maksimal H yang diinginkan. Saklar

S1 dibalik beberapa kali sehingga sampel berada dalam keadaan berputar dan defleksi

galvanometer balistik terbaca. Nilai rata-rata dari pengulangan pengukuran memberikan

nilai untuk kerapatan fluksi maksimal B. Sekarang saklar S2 dibuka yang membuat R 2

paralel dengan rangkaian arus dan menurunkan gaya magnetisasi dalam jumlah yang kecil.

Pengurangan dalam kerapatan fluksi B, diperoleh dari defleksi galvanometer dan nilai H

yang baru diperoleh dari pembacaan alat ukur. Beberapa pengukuran dilakukan dengan

mamanipulasi pembalikan saklar S1, sehingga nilai rata-rata B diperoleh. Sekarang saklar

S2 ditutup dan sampel dikembalikan ke posisi mula-mula dari magnetisasi maksimal.

Sekarang tahanan geser R 2 diatur sedikit untuk mengurangi arus magnetisasi total, dan

suatu susunan pengukuran dilakukan, dimulai dari titik awal dari H paling besar.

2.12.2 Alat ukur fluksi dan alat ukur gauss

Alat ukur fluksi (fluxmeter) menggunakan mekanisme kumparan putar khusus yang

tidak mempunyai magnet dalam dan potongan kutub. Alat ini ditempatkan di dalam medan

magnet yang tidak diketahui dan arus lewat melalui alat ukur. Defleksi dari alat ukur fluksi

tergantung pada besarnya arus dan kekuatan medan magnet yang tidak diketahui. Besarnya

arus dapat dikontrol dengan sebuah tahanan geser dan dibaca pada sebuah alat ukur untuk

defleksi standar pada alat ukur fluksi berbanding langsung dengan kuat medan magnet, dan

pembacaan arus merupakan indikasi langsung dari kuat medan magnet.Alat ukur gauss (gaussmeter) bekerja dengan prinsip yang berbeda. Torsi yang

dikeluarkan oleh induksi magnetik terhadap sebuah magnet kecil disetimbangkan oleh torsi

pemulih dari sebuah pegas spiral. Magnet kecil ini dibawa ke dalam pengaruh medan

magnet yang tidak diketahui dan diputar untuk penunjukan maksimal sebuah jarum

penunjuk yang tersambung ke pegas spiral pemulih. Skala instrumen dikalibrasi agar

langsung membaca kuat medan magnet dalam gauss ataupun weber.

2.12.3 Transducer magnetik

Bismuth dan logam-mu memiliki sifat mengubah tahanan atau impedansinya jika

ditempatkan di dalam sebuah medan magnet melintang. Bersama sebuah jembatan

Wheatstone konvensional, efek ini dapat digunakan untuk mengukur kerapatan fluksi.Metoda ini diperlihatkan dalam gambar 2.41, di mana dua kawat logam-mu ditempatkan

dalam medan magnet yang tidak diketahui, Impedansi kawat adalah fungsi dari kekuatan

medan magnet dan diukur dengan sebuah jembatan ac. Trnasducer ini menghasilkan suatu

ggl yang sesuai untuk masukan ke sebuah sistem instrumentasi dan mampu mengukur kuat

medan dalam orde miligauss.




42

Gambar 2.41 Jembatan bolak-balik logam-mu (mu-metal) untuk mengukur medan

magnet arus kecil

Sedikit variasi pada rangkaian gambar 2.41 tersebut, menggunakan dua spiral

bismuth dalam lengan jembatan yang saling berhadapan. Tahanan bismuth berubahterhadap kekuatan medan magnet, dan perubahan ini diukur dengan sebuah jembatan dc.

Gambar 2.42 Rangkaian untuk mengukur fluksi magnet dengan menggunakan efek Hall dari

sebuah kristal germanium

Transducer efek Hall menggunakan sebuah bilah (strip) dari bahan semikonduktor

yang disingkapkan ke medan magnet yang tidak diketahui. Bila sebuah bilah bahan

konduktor atau semikonduktor membawa arus dalam suatu medan magnet melintang,

antara sisi-sisi bilah semikonduktor tersebut dihasilkan suatu ggl yang berlawanan seperti

diperlihatkan dalam gambar 2.42. Kawat sambung 1 dan 2 menghantarkan arus melaluisebuah bilah germanium. Kawat sambung 3 dan 4 berada pada potensial yang sama bila

tidak ada medan magnet melintang yang lewat melalui bilah. Bila melalui bilah terdapat

suatu fluksi magnet, tegangan antara kawat sambung 3 dan 4 sebanding dengan perkalian

arus dan kuat medan. Sejumlah bahan memiliki efek Hall, akan tetapi dalam banyak hal

begitu kecil sehingga tidak memiliki nilai praktis. Germanium dapat dibuat di pabrik

dengan koefisien Hall yang sangat tinggi, dan jarum penduga germanium untuk mengukur

fluksi magnet digunakan untuk kerapatan-kerapatan fluksi yang kecil.




43

Rangkuman

Sistem

instrumentasi

: suatu alat atau sistem yang dirancang untuk menjaga hubungan fungsi

antara sifat fisik variabel yang telah ditentukan dan harus mengandung

cara serta alat-alat komunikasi kepada seorang pengamat.

sistem instrumentasi meliputi sistem pengukuran elektronik, sistem

telemetri, sistem pengukuran otomatis, dan sistem instrumentasi industri.

Elemen sistem

pengukuran

: bagian suatu sistem pengukuran yang secara sistematis terdiri dari tiga

elemen utama, yaitu sensor atau peralatan masukan (transducer),

pengubah variabel atau peralatan pengolah (pengkondisi sinyal), dan

penyaji data atau peralatan keluaran (peraga).

Transducer :

suatu alat yang dapat mengubah suatu energi dari suatu bentuk menjadi

bentuk lain.

sebuah alat yang bila digerakkan oleh energi di dalam sebuah sistem

transmisi, menyalurkan energi dalam bentuk yang sama atau dalam

bentuk yang berlainan ke sistem transmisi kedua. Transmisi energi ini

bisa listrik, mekanik, kimia, optik (radiasi), panas (termal).

suatu alat yang mengubah suatu kuantitas fisik menjadi suatu kuantitas

mekanik atau listrik.

Latihan Soal dan Jawab :

1. Jelaskan yang dimaksud dengan metoda pengukuran !

Jawaban :

Metode pengukuran pada umumnya dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu pengukuran

langsung dan pengukuran tidak langsung. Pengukuran secara langsung sangat penting

dalam instrumentasi modern, misalnya dalam pengukuran suatu bagian mekanis yang

membutuhkan ukuran-ukuran yang tepat, di mana dalam pelaksanaan pengukuran

dilakukan dari mulai proses pembuatan dengan tujuan untuk mengahasilkan mutu yang

baik. Dalam metode pengukuran langsung, besaran yang diukur langsung dibandingkan

terhadap suatu standar yang telah diketahui karakteristiknya. Metode pengukuran langsung

umumnya dipergunakan dalam pengukuran besaran-besaran seperti panjang, massa dan

waktu.Pengukuran langsung tidak selalu dapat dilakukan. Pengukuran ini dalam beberapa hal

tidak teliti, hal mana disebabkan oleh adanya faktor-faktor manusia dan kurangnya

kepekaan alat. Untuk mengatasi kekurangan tersebut, maka dalam beberapa hal diperlukan

suatu sistem pengukuran. Sistem pengukuran ini mempergunakan metode pengukuran

tidak langsung.

2. Apakah yang dimaksud dengan Sistem Pengukuran ?

Jawaban :

Sistem pengukuran (instrumentasi) didefinisikan sebagai “suatu alat atau sistem yangdirancang untuk menjaga hubungan fungsi antara sifat fisik variabel yang telah ditentukan

dan harus mengandung cara serta alat-alat komunikasi kepada seorang pengamat”.




44

3. Gambarkan diagram blok sistem pengukuran secara umum ! Dan jelaskan elemen

sistem pengukuran serta fungsi-fungsinya !

Jawaban :

Diagram blok sistem pengukuran secara umum, sebagai berikut :

(a) Transducer , yaitu untuk pengubahan parameter fisis menjadi sinyal listrik yang dapat


(b) Pengkondisi sinyal (signal conditioning), yaitu untuk memperkuat, memodifikasi, atau




(c) Peraga, yaitu merupakan bagian output dari sistem pengukuran yang berfungsi sebagai pemberi informasi dalam berbagai bentuk kepada pengamat.

Sebuah sistem instrumentasi umumnya terdiri dari tiga elemen utama, yaitu :

Elemen pertama : sebagai sensor atau peralatan masukan; yaitu berfungsi menerima

besaran atau perubahan (variabel) atau sinyal yang akan diukur, misalnya tekanan,

suhu, level, aliran, kemudian mengubah sinyal tersebut menjadi bentuk yang lebih

dapat dipakai. Dalam prakteknya variabel yang diukur berubah bentuk menjadi sinyal

mekanik atau sinyal listrik.

Elemen kedua : sebagai pengubah variabel atau peralatan pengolah; yaitu berfungsi

sebagai penerima suatu perubahan yang dihasilkan oleh elemen pertama, yang

kemudian mengubahnya menjadi keluaran (output) yang diperlukan, misalnya sinyal

tersebut diperkuat, ditapis, dimodifikasi menjadi sebuah format yang cocok bagi peralatan keluaran sebelum sinyal tersebut ditunjukkan atau dicatat.

Elemen ketiga : sebagai penyaji data atau peralatan keluaran; yaitu berfungsi sebagai

peralatan keluaran untuk menunjuk atau mencatat (perekaman). Jenis sistem

bergantung pada apa yang akan diukur dan bagaimana hasil pengukuran tersebut

disajikan. Pernyataan hasil pengukuran yang dihasilkan oleh sistem pengukuran dapat

berupa data analog atau data digital.

4. Jelaskan fungsi-fungsi sistem pengukuran jarak jauh (telemetri) secara umum !

Jawaban :

Sistem pengukuran tersebut secara fungsional terdiri dari elemen-elemen sebagai berikut :

(a) Primary sensing element , yaitu merupakan bagian input yang berfungsi menerima besaran-besaran sinyal listrik ataupun besaran sinyal bukan listrik

(b) Transducer , yaitu untuk pengubahan parameter fisis menjadi sinyal listrik yang dapat


(c) Pengkondisi sinyal (signal conditioning), yaitu untuk memperkuat, memodifikasi, atau




(d) Data transmission and telemetry, yaitu untuk mengirimkan sinyal data secara jarak

jauh dengan melalui media kabel ataupun melalui proses modulasi gelombang radio

(e) Data processing, yaitu sebagai pemroses data yang dapat berupa suatu peralatan

pemroses data seperti peralatan komputer, sehingga data tersebut dapat ditampilkan

pada bagian output tertentu

TRANSDUCER PENGKONDISISINYAL

PERAGAsinyal yang

diukur






46

-jXC2 =1

)4(31

R

jX R R C =

3

123

33

10.10

)10.47.10.2002

110.25(10.500

j

=3

33

10.10

)3769,1693110.25(10.500 j =3

03

10.10

)108,348988,30193(10.500

= 15097000108,34

Apabila dianggap C2 adalah kapasitor murni, maka – jXC2 = 1509700090

C2 = 5271,01509700.10.2002

1

2

13

2

C fX

pF

Jika pergeseran 0,159 cm, sedangkan sensitivitas CDT = 0,5 pF/cm, maka :

C2’ = 0,5271 + (0,159 x 0,5 ) = 0,5271 + 0,0795 = 0,6066 pF.

XC2‘ = 724,1311860

10.6066,0.10.2002

1

'2

1123

2

fC

Ω

Eth =

12724,131186010.500

10.500

3769,1693110.2510.10

10.103

3

33

3

j j

= 12724,131186010.500

10.500

3769,1693110.35

10.103

3

3

3

j j

= 12724,131186010.500

10.500

3769,1693110.35

10.103

3

3

3

j j

= 1233275,01268,01120,02315,0 j j

= 1222075,01047,0 j = 126254,642443,0 0

= 2,93160

6254,64

Zth =

724,131186010.500

90724,1311860.10.500

3769,1693110.2510.10

108,348988,30193.10.103

03

33

03

j j

=

1363,69439,1403915

9010.5,6

8155,252202,38880

108,34301938988 011

0

0

= 8637,207494,4672142925,87765

= 6914,1663966183,4365790465,11208175,7684 j j

= 7379,1675164358,444264 j = 474797,5847 6597,20

Id =310.100 Zth

Eth = 3

0

10.1007379,1675164358,4442646254,649316,2

j

=7379,1675164358,544264

6254,649316,2 0

j

=

0

0

1076,178271,569460

6254,649316,2

=06 5178,4710.1480,5

Jadi besar tegangan yang ditunjukkan oleh VOM :

= Id x 100.103 =36 10.100.10.1480,5 0

5178,47

= 5148,0 05178,47 Volt.




47

Soal-soal :

1. Jelaskan yang dimaksud dengan metoda pengukuran !

2. Apakah yang dimaksud dengan Sistem Pengukuran ?

3. Gambarkan diagram blok sistem pengukuran secara umum ! Dan jelaskan elemen

sistem pengukuran serta fungsi-fungsinya !4. Gambarkan diagram blok sistem pengukuran jarak jauh (telemetri) secara umum ! Dan

jelaskan fungsi-fungsinyanya !

5. Jelaskan masing-masing jenis transducer pengubah ke besaran mekanis dan transducer

pengubah ke besaran listrik yang digunakan untuk mengukur besaran-besaran fisis

seperti tekanan, laju pengaliran, ketinggian/level, dan suhu !

6. Sebutkan empat jenis transducer tekanan elektris ! Dan jelaskan satu pemakaian untuk

masing-masing jenis !

7. Jelaskan perbedaan antara fotoemisif, fotokonduktif, dan sel fototegangan ! Dan

sebutkan satu pemakaian untuk masing-masing sel !

8. Jelaskan fungsi dan penggunaan dari beberapa transducer berikut :

a) Thermistor

b) Strain gaugec) Capacitive displacement transducer

d) Linear variable diffrential transformer detector.

9. Sebuah strain gage tahanan dengan factor gage sebesar 2,4 dipasang pada sebuah balok

baja yang modulus elastisitasnya adalah 2 x 106 kg/cm2. Strain gage memiliki tahanan

tanpa teregang sebesar 120 Ω yang bertambah menjadi 120,1 Ω bila balok dipengaruhi

oleh tekanan geser. Tentukan tekanan geser (stress) pada titik di mana strain gage

terpasang !

10. Tahanan tanpa teregang dari masing-masing keempat elemen strain gage tanpa ikatan

(unbonded strain gage) dalam gambar berikut adalah 120 Ω. Starin gage mempunyai

faktor gage sebesar 3, dan mengalami regangan (Δl/l) sebesar 0,0001. Tegangan baterai

sebesar 10 volt.

a. Jika indikator adalah sebuah voltmeter berimpedansi tinggi, tentukan pembacaan

voltmeter

b. Apabila detektor menggunakan sebuah galvanometer 200 Ω yang sensitivitasarusnya 0,5 mm/μA. Tentukan penunjukkan galvanometer dalam milimeter !

11. LVDT (Linear Variable Diffrential Transformator) dalam gambar berikut

menghasilkan keluaran sebesar 2 Vrms untuk suatu pergeseran 50 x 10-6 cm.

a. Tentukan sensitivitas LVDT dalam μV/mm. b. Apabila keluaran 2 V dari LVDT dibaca pada sebuah voltmeter 5 V yang

mempunyai skala dengan 100 bagian (divisi). Skala ini dapat dibaca sampai 0,2

bagian. Tentukan resolusi instrumen yang dinyatakan dalam pergeseran dalam inci !




48

12. Suatu pengukuran posisi (perpindahan) menggunakan Capacitive Displacement

Transducer (CDT) yang terpasang pada suatu rangkaian jembatan seperti gambar beikut dengan spesifikasi sebagai berikut :

Lengan AB : R 1 = 10 k Ω

Lengan BC : R 3 variabel 0 - 500 k Ω

Lengan CD : C2 variabel 0,5 – 150 pF; sensitivitas CDT 0,5 pF/cm

Lengan DA : Z4 = 25 k Ω seri dengan C1 = 47 pF

Detektor (terhubung pada titik A dan C) : Digital VOM parallel dengan tahanan R 2 =

100 k Ω

Signal Generator (terhubung pada titik B dan D) : 200 kHz, 12 Vac.

Apabila CDT digunakan untuk pengukuran objek perpindahan sejauh 0,477 cm, maka

tentukan besar tegangan yang ditunjukkan oleh Digital VOM tersebut !

13. Suatu sistem pengukuran gaya berat diaplikasikan pada pengujian kendaraan bermotor

(axle load test) berbasis komputer. Sistem axle load test terdiri atas transducer load cellmodel T66; kemampuan ukur maksimum 3.000 kg; beban lebih 150%; tegangan suplai

10 Volt, penguat Op-amp tipe LM1458, ADC tipe ADC0804; 5 Volt; data 8 bit,

Interface PPI 8255; 24 bit I/O; 3 port 8 bit; I port A, PC (Personal Computer)

menggunakan pemrograman visual dan berbasis objek. Adapun proses pengujian

dilakukan dengan memberikan beban pada load cell pada harga tertentu sebanyak 31

kali berurutan, dan kenaikan pengukuran sebesar 10 kg dengan beban tertinggi sebesar

300 kg. Nilai yang ditampilkan dilayar komputer menunjukkan besarnya harga terdekat

dari objek yang diukur. Tampilan hasil pengukuran pada komputer dirancang dalam

bentuk windows dan data disimpan dalam suatu database. Tentukan :

a) Diagram blok dari sistem peralatan uji tersebut !

b) Berikan contoh database yang dibutuhkan !

c) Berapa lebar langkah masing-masing data dalam mV ?

VOM

R2=100 k 200 kHz,12 Vac

R4=25 k

C2=0,5-150 pF

R1=10 k

R3=500 k

C1=47pF




49

d) Berapa ketelitian dalam kg per level ?

e) Berapa persen ketelitian pada langkah pengukuran ke-17, jika tampilan

pengukuran sebesar 156,8640 kg ?

14. Suatu sistem pengukuran gaya berat (axle load) berbasis komputer diaplikasikan pada

Jembatan Timbang (weigh bridge) kendaraan bermotor bermuatan bahan baku TBS(Tandan Buah Segar) pada Pabrik Kelapa Sawit berskala kecil kapasitas 3 ton tbs/jam.

Sistem axle load terdiri atas transducer load cell model T66; kemampuan ukur

maksimum 50 ton, rated output 2 mV/V ± 0,25%, combined error < ± 0,05%, beban

lebih yang aman 150%. Tahanan masukan 380 Ω, tahanan keluaran 350 Ω; tegangan

suplai 10 Volt, penguat Op-amp tipe LM1458, ADC; 5 Volt; data 16 bit, Interface PPI

8255; 24 bit I/O; 3 port 16 bit; I port A, PC (Personal Computer) menggunakan

pemrograman visual dan berbasis objek. Adapun proses pengukuran dilakukan dengan

memberikan beban pada load cell melalui penimbangan kendaraan sebanyak dua kali,

yaitu saat kendaraan masuk dan keluar pada masing-masing harga pengukuran tertentu,

di mana kenaikan pengukuran sebesar 5 kg dengan beban tertinggi sebesar 10 ton. Nilai

yang ditampilkan di layar komputer menunjukkan besarnya harga terdekat dari objek

yang diukur. Tampilan hasil pengukuran pada komputer dirancang dalam bentukwindows dan data disimpan dalam suatu database. Tentukan:

a) Gambar diagram blok sistem peralatan dan pengukuran tersebut !

b) Berapa batas tegangan output ?

c) Berapa lebar langkah data ?

d) Berapa ketelitian berat ?

e) Jika pengukuran berat kendaraan saat masuk berada pada langkah ke 1.201 dan

pengukuran berat kendaraan saat keluar berada pada langkah ke 1.001, maka

berapa besaran tampilan harga pengukuran berat TBS ? Dan berapa persen

ketelitian pengukuran tersebut ?



Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-

1

BAB III

SISTEM AKUISISI DATA ANALOG DAN DIGITAL


Selelah menyelesaikan mata kuliah diharapkan mahasiswa dapat memahami sistem akuisisi

data analog dan digital.


Standar Kompetensi

Menggunakan sistem akuisisi data analog dan digital dalam pemecahan masalah.

Kompetensi Dasar

Memahami sistem akuisisi data analog dan digital dalam penerapannya terhadap

sistem instrumentasi, sistem pengaturan, dan sistem informasi

Menggunakan sistem akuisisi data analog dan digital dalam sistem instrumentasi,

sistem pengaturan, dan sistem informasi.

Indikator

Mahasiswa dapat :

Menjelaskan pengertian sistem akuisisi data analog dan digital dalam penerapannya

terhadap sistem instrumentasi, sistem pengaturan, dan sistem informasi

Menjelaskan prinsip dan metoda pengubahan sinyal digital ke analog dan

pengubahan sinyal analog ke digital

Menjelaskan cara pengubahan sinyal digital ke analog

Menjelaskan cara pengubahan sinyal analog ke digital

Menjelaskan multipleksing digital ke analog

Menjelaskan multipleksing analog ke digital.

3.1 Pendahuluan

Sistem akuisisi data digunakan untuk mengukur dan mencatat sinyal yang pada

dasarnya diperoleh dalam dua cara, yaitu (a) sinyal yang berasal dari pengukuran langsung

besaran-besaran listrik; ini bisa mencakup tegangan dc dan ac, frekuensi, atau tahanan; dan

secara khas ditemukan dalam pemakaian seperti pengujian komponen elektronik,

penyelidikan lingkungan dan analisis kualitas; (b) sinyal yang berasal dari transducer,

seperti strain gauge dan termokopel.

Sistem instrumentasi dapat dikelompokkan dalam dua kelas utama, yaitu sistem

analog dan sistem digital. Sistem analog menyangkut informasi pengukuran dalam bentukanalog, dan dapat didefinisikan sebagai suatu fungsi kontinyu seperti halnya kurva

tegangan terhadap waktu, atau pergeseran karena tekanan. Sedangkan sistem digital

menangani informasi dalam bentuk digital, dan didefiniskan sebagai suatu pulsa diskrit dan

tidak kontinyu yang hubungannya terhadap waktu berisi informasi mengenai kebesaran

atau sifat dasar dari besaran tersebut.

Sistem akuisisi data analog secara khas terdiri dari sebagian atau semua elemen, yaitu

sebagai berikut :




memilih bagian tertentu dari sinyal tersebut




2

(c) Alat peraga visual, untuk memonitor sinyal masukan secara kontinyu. Alat ini bisa

mencakup CRO satu saluran atau saluran banyak, CRO penyimpan, alat-alat pencatat

pada panel, peragaan numerik dan sebagainya

(d) Instrumen pencatat grafik, untuk mendapatkan pencatatan data masukan secara

permanen. Instrumen ini mencakup unit-unit pencatat tipe jarum (stylus) dan tinta guna

memberikan pencatatan kontinyu pada card kertas, sistem pencatatan secara optik,

seperti misalnya unit pencatat galvanometer cermin, dan unit pencatat ultra violet

(e) Instrumen pita magnetik, untuk mendapatkan data masukan, mempertahankan bentuk

listrik semula, dan memproduksinya di kemudian hari untuk analisis yang lebih

terperinci.

Sistem akuisisi data digital bisa mencakup sebagian atau semua elemen seperti yang

ditunjukkan dalam gambar 3.1 di bawah ini. Operasi dasar fungsional di dalam sebuah

sistem digital mencakup penanganan sinyal-sinyal analog, melakukan pengukuran,

pengubahan dan penanganan data digital, dan pemrograman internal dan kontrol. Fungsi

masing-masing elemen adalah sebagai berikut :

(a) Transducer. Mengubah parameter fisis menjadi sinyal listrik yang dapat diterima oleh

sistem akuisisi. Beberapa parameter khas mencakup temperatur, tekanan, percepatan, pergeseran bobot, dan kecepatan. Besaran-besaran listrik seperti tegangan, tahanan,

atau frekuensi, dapat juga diukur langsung

(b) Pengkondisi sinyal (signal conditioning). Umumnya mencakup rangkaian penunjang

bagi transducer. Rangkaian ini dapat memberikan daya eksitasi, rangkaian imbang, dan

elemen kalibrasi. Contoh pengkondisi sinyal adalah kesetimbangan jembatan strain

gage dan unit pencatu daya

(c) Pemayar (scanner) atau multiplekser (multiplexer). Menerima banyak masukan analog

dan secara berurutan menghubungkannya ke satu alat pencatat

(d) Pengubah sinyal (signal converter). Mengubah sinyal analog menjadi suatu bentuk

yang dapat diterima oleh pengubah analog ke digital. Contoh pengubah sinyal adalah

penguat untuk memperkuat tegangan level rendah yang dibangkitkan oleh termokopel

atau strain gage

(e) Pengubah analog ke digital (A/D Converter). Mengubah tegangan analog menjadi

bentuk digital yang sepadan. Keluaran pengubah analog ke digital dapat diperagakan

secara visual dan juga tersedia sebagai keluaran-keluaran tegangan dalam tangga

diskrit untuk pengolahan selanjutnya atau untuk pencatatan pada sebuah unit pencatat

digital

(f) Perlengkapan pembantu. Bagian ini berisi instrumen-instrumen untuk pekerjaan-

pekerjaan pemrograman sistem dan pengolahan data digital. Fungsi khas perlengkapan

ini mencakup linearisasi dan pembandingan batas. Pekerjaan ini dapat dilakukan oleh

instrumen individual atau oleh komputer digital

(g) Unit pencatat digital (digital recorder). Mencatat informasi digital pada kartu

berlubang, pita kertas berlubang, pita magnetik, kertas mesin tik digital, compact disk,atau gabungan sistem-sistem tersebut. Unit pencatat digital dapat didahului oleh sebuah

unit penggandeng yang mengubah informasi digital menjadi bentuk yang sesuai untuk

dimasukkan ke unit pencatat digital yang dipilih secara khusus.

Gambar 3.1 Diagram Elemen-elemen Sistem Akuisisi Data Digital

TransducerSignal

Conditioning

Scanner

orMulti lexer

SignalConverter

DigitalRecorder

A/D

Converter

PerlengkapanPembantu dan

Pemrograman Sistem




3

Sistem akuisisi data digunakan dalam banyak pemakaian berbagai bidang industri

dan ilmu pengetahuan, dan terus bertambah, seperti biomedikal, ruang angkasa, dan

industri-industri telemetri. Apakah jenis sistem akuisisi analog atau digital, sebagian besar

bergantung pada pemakaian pencatatan data masukan yang dinginkan. Umumnya sistem

data analog digunakan bila diperlukan lebar bidang yang luas atau bila ketelitian yang lebih

rendah dapat ditolerir. Sistem digital digunakan bila proses fisis yang akan dimonitor

berubah secara perlahan (lebar bidang sempit) dan bila diperlukan ketelitian tinggi serta

biaya yang rendah untuk setiap saluran. Sistem digital mencakup, menurut kerumitannya,

sistem pengukuran dan pencatatan tegangan dc satu saluran sampai ke sistem saluran ganda

otomatik yang rumit untuk mengukur sejumlah besar parameter masukan, membandingkan

terhadap penyetelan sebelumnya (preset) dan melakukan komputasi serta keputusan

terhadap sinyal masukan. Umunya sistem akuisisi data digital lebih rumit daripada sistem

analog dan keduanya dinyatakan dalam instrumentasi yang terlibat dan volume serta

kerumitan data masukan yang dapat ditanganinya.

Sistem akuisisi data sering menggunakan unit pencatat pita magnetik. Sistem-sistem

digital ini memerlukan pengubah (konverter) guna mengubah tegangan analog menjadi

besaran diskrit atau angka-angka. Sebaliknya informasi digital bisa diubah kembalimenjadi bentuk analog seperti halnya tagangan atau arus; yang kemudian dapat digunakan

sebagai suatu besaran umpan balik untuk mengontrol suatu proses industri.

3.2 Pengubahan Digital ke Analog

Prinsip pengubahan bilangan digital ke analog dapat dijelaskan melalui jaringan

tahanan pasif sederhana, seperti ditunjukkan dalam gambar 3.2 berikut. Misalkan sebuah

sistem logika, di mana biner 0 dinyatakan oleh sebuah level tegangan 0 V dan biner 1 oleh

tegangan +E V. Bilangan biner, dinyatakan oleh kombinasi level-level tegangan yang

saling berhubungan, dimasukkan ke terminal-terminal masukan pembagi resistif dengan

menghubungkan bit yang paling kurang berarti (least significant bit, LSB) ke terminal bertanda D. Ke empat tahanan masukan diberi bobot sehingga bit 1 (LSB) mempunyai

tahanan masukan sebesar R, bit 2 mempunyai tahanan R/2, bit 3 mempunyai tahanan R/4

dan seterusnya. Nilai tahanan beban R L sangat besar dibandingkan dengan tahanan-tahanan

masukan. Tegangan keluaran Eo akan berupa suatu tegangan dc antara 0 V dan +E V,

tergantung pada nilai bilangan biner yang dinyatakan oleh ke empat masukan.

Gambar 3.2 Pengubah dasar digital ke analog menggunakan jaringan pembagi resistif




4

Bilangan biner 0001 yang dimasukkan ke terminal masukan pengubah memberikan

0 V pada masukan A, B, dan C, sedangkan +E pada masukan D. Tahanan-tahanan masukan

bertindak sebagai pembagi tegangan yang dihubungkan antara 0 dan +E V, dan terdiri R D

yang seri dengan kombinasi paralel R A, R B, R C. Dengan demikian tegangan keluaran Eo

sama dengan 1/15 E V. Jika masukan sama dengan bilangan biner 0010, tegangan Eo akan

menjadi 2/15 E V, dan jika masukan adalah 0011, tegangan keluaran akan menjadi 3/15 E

V. Pertambahan satu bit pada masukan pengubah menyebabkan pertambahan tegangan

keluaran sebesar 1/15 E V. Bila masukan mencapai bilangan maksimalnya yakni 1111,

tegangan keluaran penuh sebesar E V diperoleh. Dengan demikian sinyal masukan digital

diubah dalam tangga diskrit sebesar 1/15 E V menjadi tegangan keluaran analog.

Ketelitian pengubahan tergantung pada ketelitian tahanan dan level tegangan dari

masukan-masukan biner. Biasanya tahanan ini adalah tahanan yang dipilih secara cermat,

dan level tegangan masukan biner dikontrol oleh sebuah sebuah tegangan referensi guna

memperbesar arus yang dibutuhkan tanpa mempengaruhi level masukan dc.

Dalam sebuah rangkaian praktis, jaringan resistif yang kadang-kadang disebut modul

pengubah digital ke analog (digital to analog conversion, DAC), tersambung ke sebuahregister flip-flop yang menyimpan bilangan digital. Karena pembagi hanyalah sebuah

sebuah jaringan pasif, tegangan masukan digital (level on dan off) menentukan tegangan

keluaran. Level tegangan digital biasanya tidak setepat yang dibutuhkan dalam sebuah

sistem analog, penguat level dapat ditempatkan di antara register flip-flop jaringan

pembagi.

Pengubah D/A yang praktis, seperti ditunjukkan dalam gambar 3.3. Komponen dasar

dikenal sebagai register flip-flop, modul DAC yang mencakup penguat level, dan sebuah

sumber tegangan referensi. Sinyal digital dimasukkan ke dalam register oleh sebuah pulsa

singgah (biasanya sebuah pulsa lonceng) dan secara otomatis diubah oleh jaringan pembagi

DAC menjadi tegangan analog yang sesuai.

Gambar 3.3 Pengubah digital ke analog

Untuk menyelesaikan pengubahan setelah memasukkan sinyal-sinyal digital ke

dalam register selalu dibutuhkan sejumlah waktu. Waktu penyelesaian (setting time) ini

tergantung pada jumlah flip-flop yang mengubah keadaan ke dalam register dan juga pada

beda tegangan antara tegangan keluaran mula-mula dan tegangan keluaran yang baru.

Sebagai contoh, bila masukan digital berubah dari bilangan biner 0111 menjadi bilangan

biner baru 1000, semua flip-flop mengubah keadaannya. Namun tegangan keluaran hanya




5

berubah sebesar 1/15 E V. Gejala-gejala peralihan (transien) bisa terjadi pada keluaran

analog sebab variasi antara waktu-waktu transisi dari flip-flop yang berbeda dan arus

transien dapat dialirkan dari sumber referensi. Biasanya waktu transien ini adalah sangat

singkat (khasnya dalam orde 2 detik) dan dapat diabaikan karena beban-beban tidak dapat

memberi respons dalam batas-batas waktu ini.

3.3 Pengubahan Analog ke Digital

Pengubahan analog ke digital sedikit lebih rumit dari pada pengubahan digital ke

analog, dan sejumlah metoda yang berbeda dapat digunakan. Ada empat metoda

pengubahan secara umum, dan yang paling banyak digunakan adalah pengubah A/D jenis

pencacah pendekatan berturut-turut (successive approximation counter) sebab memberikan

prestasi yang paling baik untuk suatu rangkuman pemakaian yang luas dengan biaya yang

ekonomis.

Rangkaian pembanding (comparator) membentuk dasar dari semua pengubah A/D.

Rangkaian ini membandingkan suatu tegangan yang tidak diketahui terhadap sebuahtegangan referensi dan menunjukan yang mana dari kedua tegangan tersebut lebih besar.

Pada dasarnya sebuah rangkaian pembanding adalah penguat selisih tingkat ganda

berpenguatan tinggi, di mana keadaan keluaran ditentukan oleh polaritas relatif dari ke dua

sinyal masukan. Misalnya, sinyal masukan A lebih besar dari pada sinyal masukan B,

tegangan keluaran adalah paling besar dan rangkaian pembanding menghasilkan keluaran

(on). Jika sinyal masukan A lebih kecil dari pada sinyal masukan B, tegangan keluaran

adalah paling kecil dan rangkaian pembanding tidak menghasilkan keluaran (off). Karena

penguat ini mempunyai penguat yang sangat tinggi, dalam keadaan saturasi (jenuh) ataupun

dihentikan (cut off) pada level-level masukan selisih yang relatif rendah, sehingga

bertindak sebagai alat biner.

3.3.1 Pengubah A/D jenis simultan

Sebuah pengubah A/D sederhana namun efektif dapat dibentuk dengan

menggunakan beberapa rangkaian pembanding, seperti diperlihatkan dalam gambar 3.4.

Di mana tiga rangkaian pembanding digunakan. Masing-masing ketiga pembanding

mempunyai suatu tegangan masukan referensi, diperoleh dari sebuah sumber tegangan

referensi yang presesi. Sebuah pembagi tegangan resistif yang terdiri dari empat tahanan

presesi yang sama dihubungkan ke sumber referensi dan memberikan tegangan keluaran

sebesar ¾ V, ½ V, dan ¼ V, di mana V adalah tegangan keluaran referensi. Terminal

masukan lainnya, dari masing-masing pembanding dikemudikan oleh tegangan analog

yang tidak diketahui.

Gambar 3.4 Pengubah analog ke digital simultan




6

Pada contoh tersebut, pembanding adalah on (memberikan suatu keluaran) jika

tegangan analog lebih besar dari pada tegangan referensi. Jika tidak ada pembanding yang

menghasilkan keluaran, maka masukan analog harus lebih kecil dari ¼ V. Jika pembanding

C1 menghasilkan keluaran, sedangkan kedua C2 dan C3 tidak menghasilkan keluaran,

tegangan analog harus berada di antara ¼ V dan ½ V. Dengan cara sama, jika C 1 dan C2

keduanya menghasilkan keluaran, sedangkan C3 tidak, maka tegangan analog harus di

antara ½ V dan ¾ V. Jika semua pembanding menghasilkan keluaran, maka tegangan

analog harus lebih besar dari pada ¾ V. Secara keseluruhan, empat kondisi keluaran yang

berbeda dapat terjadi, yaitu dari tidak ada pembanding yang menghasilkan keluaran sampai

semuanya menghasilkan keluaran. Dengan demikian tegangan masukan analog dapat

dipisahkan dalam empat langkah yang sama. Pada tabel di sebelah kanan dalam gambar

tersebut diperlihatkan, bahwa tujuh pembanding akan menghasilkan tiga bit informasi

biner, demikian pula untuk lima belas pembanding akan menghasilkan empat bit, dan

seterusnya.

Keuntungan sistem pengubahan A/D jenis simultan adalah kesederhanaan dan

kecepatan operasinya, terutama bila diperlukan resolusi rendah. Untuk sistem resolusi

tinggi (jumlah bit yang lebih besar), metoda ini memerlukan begitu banyak pembanding,sehingga sistem menjadi besar sekali dan sangat mahal.

3.3.2 Pengubah A/D jenis pencacah

Jika tegangan referensi terhadap mana masukan analog yang akan dibandingkan

berubah-ubah, jumlah pembanding dapat dikurangi menjadi hanya satu. Jika misalnya,

tegangan referensi adalah suatu tegangan yang bertambah secara linear (sebuah tegangan

tanjak) yang tersambung secara kontinyu ke masukan pembanding, perpotongan dari

tegangan referensi dan tegangan yang tidak diketahui dapat ditentukan dalam waktu yang

berlalu sejak tegangan tanjak dimulai. Namun referensi variabel yang dikontrol secara

digital telah ada dalam bentuk pengubah D/A sederhana (lihat gambar 3.3). Pengubah D/Aini dapat digunakan untuk mengubah sebuah bilangan digital di dalam register DAC-nya

menjadi sebuah tegangan analog yang dapat dibandingkan terhadap masukan analog yang

tidak diketehui oleh sebuah rangkaian pembanding. Jika kedua tegangan tersebut tidak

sama, bilangan digital di dalam register DAC dimodifikasi dan keluarannya sekali lagi

dibandingkan.

Pengubah A/D yang umum dalam gambar 3.5, secara aktual adalah sebuah sistem

umpan balik loop tertutup, di mana komponen-komponen utama adalah DAC, pembanding,

dan sebagian rangkaian pengontrol logika.

Gambar 3.5 Pengubah A/D menggunakan sebuah DAC




7

Berbagai metoda dapat digunakan untuk mengontrol pengubahan yang terjadi dalam

pengubah D/A. Salah satu cara yang paling sederhana adalah memulai DAC pada nol dan

mencacah jumlah pulsa masukan yang dibutuhkan untuk memberikan suatu tegangan

keluaran yang sama dengan masukan analog.

Pengubah A/D jenis pencacah dalam gambar 3.6, berisi sebuah bagian pengubah D/Ayang terdiri dari jaringan pembagi resistif (DAC), sumber referensi, dan sebuah pencacah

enam tingkat yang menggantikan register DAC dari gambar 3.5. Pembanding juga

menerima masukan analog yang tidak diketahui untuk dibandingkan dengan tegangan

keluaran DAC yang dibangkitkan. Rangkaian pengontrol berisi sebuah generator pulsa atau

lonceng, sebuah gerbang sinyal yang mengemudikan pulsa-pulsa lonceng ke pencacah dan

sebuah flip-flop pengontrol untuk memulai dan menghentikan pengubahan.

Jika sebuah sinyal pemulai diberikan, semua flip-flop pencacah dikosongkan dan

flip-flop untuk memulai dan menghentikan (start-stop flip-flop) adalah nol (reset). Flip-

flop ini melengkapi sebuah level gerbang (logika positif) ke gerbang sinyal,

memperbolehkan pulsa-pulsa lonceng untuk dimasukkan ke register pencacah. Pulsa-pulsa

lonceng ini dirambatkan melalui pencacah, dan keluaran pembagi tegangan DAC bertambah secara bertahap menuju puncak tegangan referensi. Bila keluaran pembagi

tegangan sama sama dengan masukan analog, pembanding berubah, memberikan suatu

sinyal keluaran ke flip-flop untuk memulai dan menghentikan. Flip-flop ini menjadi set dan

keluarannya turun menjadi nol, memblokir pulsa-pulsa lonceng pada gerbang sinyal. Pada

saat ini pencacah menyimpan jumlah pulsa-pulsa lonceng yang diperlukan untuk

menaikkan tegangan referensi ke level tegangan masukan analog. Jadi isi dari pencacah

adalah padanan biner dari masukan analog.

Gambar 3.6 Diagram logika dari sebuah pengubah A/D jenis pencacah

Waktu pengubahan diukur dari saat suatu permintaan diajukan sampai ke saat

tersedianya sebuah keluaran digital. Untuk pengubah A/D jenis pencacah, waktu

pengubahan tergantung pada besarnya tegangan analog. Ketidaktentuan pengukuran waktu

ini disebut waktu celah (aperture time) yang kadang-kadang disebut juga waktu jendele

atau waktu cuplik (sample time). Celah terjadi pada akhir pengubahan, seperti diperlihatkan

dalam gambar 3.7.

Metoda untuk mengurangi waktu pengubahan adalah membagi pencacah menjadi

bagian-bagian. Sebagai contoh, sebuah pengubah 10 bit dapat dibagi dalam dua bagian

masing-masing 5 bit. Pada permulaan pengubahan, semua bagian pencacah yang paling

kurang berarti distel kembali ke satu dan pencacahan hanya hanya disisipkan ke dalam




8

bagian yang paling berarti. Bila pembanding menunjukkan pada level masukan analog telah

dilampaui, bagian pencacah yang paling kurang berarti dikosongkan, menurunkan keluaran

DAC. Kemudian pulsa disisipkan ke dalam bagian yang paling kurang berarti sampai

tercapai nilai yang tepat. Jumlah maksimal langkah-langkah yang diperlukan untuk

menyelesaikansatu pengubahan adalah 25 untuk pencacah yang paling berarti, dan 25 untuk

pencacah yang paling kurang berarti, memberikan jumlah total 26 langkah, berbeda dengan

pencacah standar sebanyak 210. Teknik membagi-bagi pencacah sering digunakan dalam

voltmeter digital, di mana keluaran akan dalam notasi desimal. Jadi masing-masing bagian

dari pencacah menyatakan sebuah angka yang terbagi-bagi.

Gambar 3.7 Diagram bentuk gelombang dari masukan analog, keluaran pembagi

tegangan, dan titik potong pembacaan

3.3.3 Pengubah A/D jenis kontinyu (continuous A/D converter)

Kekurangan utama dari pengubah pencacah adalah bahwa seluruh proses

membandingkan mulai dari awal setiap kali suatu perpotongan telah dideteksi oleh

pembanding. Ini berarti berarti resolusi dan kecepatan adalah rendah. Sedikit modifikasi

terhadap metoda pencacah melibatkan penggantian pencacah sederhana dengan sebuah

pencacah reversible atau pencacah turun-naik. Ini memberikan pengubah secara kontinyu

mengikuti tegangan masukan analog ke manapun arahnya dalam mana tegangan ini

berubah. Sekali pengubah mulai bekerja, padanan digital dari tegangan masukan dapat

dicuplik setiap waktu, sehingga memungkinkan penunjukan yang sangat cepat.

Diagram balok logika yang disederhanakan dalam gambar 3.8, memperlihatkan

pengubah kontinyu. Ilustrasi ini berisi empat bagian dasar, yaitu (a) pencacah turun naik

(up-down counter), (b) pengubah D/A, (c) pembanding, (d) sinkronisasi dan logika

pengontrol.

Pencacah biner biasa mencacah dalam arah maju (naik), bila masukan pemicu dari

biner berturut-turut dihubungkan ke keluaran 1 dari biner sebelumnya. Pencacahan akan

diteruskan dalam arah yang berlawanan (turun) jika penggandengan dilakukan secara

bersamaan untuk menghasilkan sebuah pencacah turun-naik. Dalam gambar 3.8 tersebut

digunakan gerbang AND tambahan di dalam rangkaian pemicu dari biner untuk

memastikan bahwa pencacahan tersebut hanya dikumpulkan pada saat yang diinginkan,

sinkronisasi pencacahan dan membandingkannya.

Bagian pengubah D/A identik dengan pembagi resistif dasar (lihat gambar 3.2),

sumber tegangan referensi memberikan tegangan presesi yang diperlukan guna

pengubahan yang akurat. Keluaran 0 dari biner dihubungkan langsung dengan DAC, tetapi

harus dipahami bahwa pengubahan level yang tepat terjadi antara biner-biner dan terminal

masukan DAC.




9

Pembanding juga membandingkan tegangan masukan analog terhadap tegangan

keluaran DAC, memberikan dua kemungkinan level tegangan keluaran. Bila tegangan

masukan analog lebih besar dari pada tegangan umpan balik (keluaran DAC), terminal

keluaran pembanding yang sesuai dihubungkan ke masukan set dari flip-flop naik melalui

sebuah elemen gerbang. Dengan cara sama, bila tegangan masukan lebih besar dari pada

tegangan umpan balik, pembanding memberikan suatu tegangan keluaran pada terminal

lainnya yang kemudian dihubungkan melalui sebuah gerbang ke terminal set dari flip-flop

turun. Pengalihan aktual dari sinyal keluaran pembanding ke flip-flop naik dan flip-flop

turun bersama-sama di OR-kan secara eksklusif guna memastikan bahwa pencacahan tidak

terjadi bila kedua flip-flop tersebut set sebagai suatu tindakan pengamanan.

Gambar 3.8 Diagram balok logika yang disederhanakan dari pengubah A/D jeniskontinyu

Pada permulaan siklus pengukuran, bila semua flip-flop dikosongkan, lonceng

membangkitkan sebuah pulsa yang mencuplik keluaran pembanding. Jika masukan analog

lebih besar dari pada tegangan umpan balik, flip-flop naik adalah set. Selanjutnya pulsa

lonceng yang tertunda diizinkan memicu biner pertama, sementara pada waktu yang sama

diisyaratkan gerbang pemicu kembali ke keadaan awalnya dan juga memicu biner

berikutnya. Jadi pencacahan telah maju sebanyak satu pencacahan dan keluaran DAC yang

sehubungan digunakan untuk membandingkan terhadap masukan analog. Prosedur ini

berulang sampai tegangan umpan balik sama dengan masukan analog, pada waktu mana

keluaran pembanding adalah nol dan pencacahan terhenti.




10

Jika masukan analog berubah ke suatu nilai yang lebih rendah, pulsa lonceng

berikutnya mendeteksinya pada keluaran pembanding dan membuat flip-flop turun menjadi

set. Sekarang pulsa lonceng yang ditunda diizinkan memasuki pencacah biner pada

masukan pemicu pada biner pertama, tetapi pencacahan dibawa dari tingkat ke tingkat pada

bagian keluaran 0 biner dari gambar 3.8, sehingga kandungan pencacah turun sebesar satu.

Kemudian tegangan DAC juga turun sebanyak yang sesuai dan pembandingan berikutnya

menentukan apakah flip-flop naik atau flip-flop turun akan menjadi set. Berarti pencacah

mengikuti tegangan masukan analog secara kontinyu.

Gambar 3.9 Diagram-diagram bentuk gelombang menjelaskan kegiatan pengubah A/D

jenis kontinyu

Diagram bentuk gelombang dalam gambar 3.9, menjelaskan tindakan pengubah

(converter) kontinyu. Celah (aperture) adalah waktu untuk langkah terakhir. Anggapan

yang diberlakukan adalah bahwa tegangan masukan analog tidak berubah lebih dari 1

LSB (pertambahan terkecil dari DAC) antara langkah-langkah pengubahan. Untuk

memenuhi persayaratan ini, laju maksimal perubahan tegangan masukan tidak bolehmelebihi laju maksimal perubahan pengubah.

3.3.4 Pengubah A/D jenis pendekatan berturut-turut

Pengubah A/D jenis pendekatan berturut-turut (successive approximation A/D

converter) membandingkan masukan analog terhadap sebuah tegangan referensi DAC

yang berulang-ulang dibagi menjadi dua bagian. Proses ini dijelaskan dalam gambar 3.10,

di mana sebuah bilangan biner empat angka (1000) yang menyatakan tegangan penuh

sumber referensi, dibagi menjadi dua bagian (bilangan biner 100) menyatakan ½ V.

Perbandingan antara tegangan referensi ½ V ini terhadap masukan analog dilakukan. Jika

hasil perbandingan menunjukkan bahwa pendekatan pertama ini terlalu kecil (½ V adalah




11

lebih kecil dari pada masukan analog), maka pembandingan berikutnya akan dilakukan

terhadap ¾ V (bilangan biner 110). Jika perbandingan menunjukkan bahwa perkiraan

pertama terlalu besar (½ V lebih besar dari pada masukan analog), maka pembandingan

berikutnya dilakukan terhadap ¼ V (bilangan biner 010). Setelah empat pendekatan

berturut-turut, bilangan digital dipisahkan. Sebuah bilangan enam angka akan dipisahkan

dalam enam pendekatan berturut-turut. Metoda ini lebih menguntungkan dibandingkan

dengan enam puluh empat (26) perbandingan yang diperlukan oleh sebuah pengubah jenis

pencacah yang biasa.

Gambar 3.10 Operasi pengubah A/D jenis perkiraan berturut-turut

Metoda pendekatan berturut-turut sedikit lebih rumit dari pada metoda-metoda

sebelumnya karena memerlukan sebuah register pengontrol khusus untuk membuka pulsa-

pulsa ke bit pertama, kemudian ke bit kedua dan seterusnya.

Diagram balok yang umum pada dalam gambar 3.11 memperlihatkan pengubah jenis

pendekatan berturut-turut yang dasar. Pengubah ini menggunakan sebuah register

pengontrol digital yang mampu membukakan masukan 1 dan masukan 0, sebuah pengubah

digital ke analog beserta sumber daya referensi; sebuah rangkaian pembanding, sebuah

loop pengontrol waktu, dan register distribusi. Register distribusi menyerupai sebuah

pencacah melingkar (ring counter) dengan sebuah angka 1 yang bersikulasi di dalamnya

guna menentukan langkah mana yang berlangsung.

Pada permulaan siklus pengubahan, kedua register pengontrol dan registerdistribusi dibuat set dengan angka 1 di dalam bit yang paling berarti (most significant bit,

MSB) dan 0 di dalam semua bit yang kurang berarti. Dengan demikian register distribusi

mencatat bahwa sikus telah dimulai dan proses adalah dalam fasa membaca 1000 ....,

menyebabkan suatu tegangan keluaran pada bagian pengubah digital ke analog sebesar

sebesar setengah dari tegangan referensi. Pada saat yang sama, sebuah pulsa memasuki

susunan pengatur waktu keterlambatan. Sementara pengubah D/A dan pembanding telah

diam, pulsa yang terlambat ini dimasukkan ke gerbang bersama keluaran pembanding. Bila

bit yang paling berarti berikutnya dibuat set di dalam register pengontrol melalui tindakan

pengatur waktu, bit paling berarti bisa tetap dalam keadaan 1 ataupun kembali ke keadaan

0, tergantung pada keluaran pembanding. Angka tunggal 1 di dalam register distribusi

digeser ke posisi berikutnya dan mengawasi jumlah perbandingan yang dilakukan.

Prosedur ini berulang mengikuti diagram gambar 3.10, sampai pendekatan akhir telah




12

dikoreksi dan register distribusi menunjukkan akhir pengubahan. Di dalam sistem ini

sinkronisasi tidak dibutuhkan karena pembanding hanya mengontrol satu flip-flop pada

satu waktu.

Gambar 3.11 Diagram balok yang disederhanakan untuk pengubah A/D jenis pendekatan

berturut-turut

Gambar 3.12 Diagram-diagram bentuk gelombang menjelaskan bekerjanya pengubah

A/D jenis pendekatan berturut-turut

Pada pengubah jenis pendekatan berturut-turut, keluaran digital berhubungan dengan

suatu nilai yang telah dimiliki oleh masukan analog selama pengubahan. Jadi waktu celah

sama dengan waktu pengubahan total. Hal ini dijelaskan dalam rekonstruksi bentuk

gelombang seperti diperlihatkan dalam gambar 3.12. Waktu celah dari pengubah ini dapat

dikurangi dengan menggunakan teknik redundansi atau sebuah rangkaian cuplik dan tahan

(sample and hold circuit).






14

disaklarkan ke dalam loop umpan balik, sedang tahanan masukan R i dan tahanan umpan

balik R f disaklarkan ke tanah. Karena masukan penguat tetap dalam batas beberapa V

terhadap tanah (kecuali selama pensaklaran), impedansi masukan dalam kedua mudus

cuplik dan tahan adalah 10 k .

3.4 Multiplexing

Pengertian dari multipleksing (multiplexing) di dalam sistem akuisisi data analog dan

digital adalah suatu proses penggabungan beberapa pengukuran untuk ditransmisikan

melalui lintasan sinyal yang sama.

Alat ini sering diperlukan atau diinginkan untuk menggabungkan atau memultipleksi

sejumlah sinyal analog menjadi satu saluran digital atau sebaliknya sebuah saluran digital

tunggal menjadi sejumlah saluran analog. Kedua tegangan digital maupun analog dapat

dimultipleksi.

3.4.1 Multipleksing digital ke analog

Dalam pengubahan digital ke analog suatu pemakaian multipleksing yang paling

umum ditemukan dalam teknologi komputer, di mana informasi digital datang secara

berurutan dari komputer, didistribusikan ke sejumlah alat analog seperti halnya CRO, unit

pencatat pena, unit pencatat pita analog, dan sebagainya. Ada dua cara untuk melakukan

multipleksing, yaitu metoda pertama adalah menggunakan pengubah D/A yang terpisah

untuk masing-masing saluran seperti diperlihatkan dalam gambar 3.15. Metoda kedua

adalah menggunakan satu pengubah D/A bersama-sama dengan satu perangkat saklar

multipleksing analog dan rangkaian-rangkaian cuplik dan tahan untuk masing-masing

saluran analog seperti ditunjukkan dalam gambar 3.16.

Dalam sistem dalam gambar 3.15, informasi digital dimasukkan secara bersamaanke semua saluran dan pemilihan saluran dilakukan dengan membukakan pulsa-pulsa

lonceng ke saluran yang sesuai. Untuk setiap saluran dibutuhkan satu pengubah D/A

sehingga biaya investasi sedikit lebih tinggi dari pada sistem kedua, akan tetapi

keuntungannya adalah bahwa informasi analog tersedia pada keluaran DAC untuk jangka

waktu yang tidak terbatas (selama ini register flip-flop DAC dibukakan ke DAC).

Gambar 3.15 Multiplekser D/A menggunakan beberapa pengubah

Metoda kedua yang diperlihatkan dalam gambar 3.16, hanya menggunakan satu

pengubah D/A dan dengan demikian biaya investasi lebih rendah. Akan tetapi pemakaian




15

rangkaian cuplik dan tahan yang banyak ini memerlukan pembaharuan sinyal pada

rangkaian cuplik dan tahan secara periodik (kapasitor tidak menyimpan muatannya secara

tidak terbatas).

Gambar 3.16 Multiplekser D/A menggunakan satu pengubah dan beberapa rangkaiancuplik dan tahan

3.4.2 Multipleksing analog ke digital

Dalam pengubahan analog ke digital lebih menguntungkan untuk memultipleksi

masukan analog dari pada memultipleksi keluaran digital. Sebuah sistem yang

diperlihatkan dalam gambar 3.17, di mana saklar-saklar, baik semikonduktor ataupun rele,

digunakan untuk menghubungkan masukan-maukan analog ke sebuah bus bersama

(common bus; satu kumpulan data, alamat, saluran-saluran pengontrol yang tersedia bagi

semua masukan analog). Kemudian bus ini menuju ke sebuah pengubah A/D tunggal yang

digunakan untuk semua saluran.

Gambar 3.17 Sistem pengubahan A/D termultipleksi




16

Gambar 3.18 Pengubah A/D jenis pencacah bersama masukan termultipleksi

Masukan analog disaklarkan secara berurutan ke bus oleh rangkaian pengontrol

selektor. Jika diperlukan cuplikan-cuplikan dari semua saluran, sebuah rangkaian cuplik

dan tahan dapat digunakan di depan tiap-tiap saklar multiplekser. Dalam cara ini semua

saluran akan dicuplik secara bersamaan dan kemudian disaklarkan ke pengubah secara

berurutan.

Mungkin juga memultipleksi dengan menggunakan sebuah pembanding terpisah

untuk tiap-tiap saluran analog. Sistem ini diperlihatkan dalam gambar 3.18, di mana

digunakan bersama sebuah pengubah A/D jenis pencacah. Masukan tiap-tiap pembanding

dihubungkan ke keluaran DAC. Masukan lain ke tiap-tiap pembanding dihubungkan ke

saluran-saluran masukan analog yang terpisah. Untuk mengoperasikan pencacah dan

mencuplik pembanding-pembanding ini diperlukan sinkronisasi dan rangkaian pengontrol.

Pada permulaan proses permultipleksian, pencacah dikosongkan dan pulsa-pulsa cacahandimasukkan ke pencacah. Pengubah D/A mengubah keluaran pencacah dan memberikan

tegangan keluaran analog yang diumpankan ke semua pembanding. Bila salah satu dari

pembanding menunjukkan bahwa keluaran D/A lebih besar dari pada tegangan masukan

pada saluran tersebut, isi pencacah dibaca. Bila pembanding yang tepat dikenali, maka

pencacahan dimulai lagi sampai sinyal berikutnya diterima, dan isi pencacah dibaca lagi.

Rangkuman

Sistem

akuisisi data

analog dan

digital

: sistem akuisisi data digunakan untuk mengukur dan mencatat sinyal yang

pada dasarnya diperoleh dalam dua cara, yaitu (a) sinyal yang berasal dari pengukuran langsung besaran-besaran listrik; mencakup tegangan dc dan

ac, frekuensi, atau tahanan; dan secara khas ditemukan dalam pemakaian

seperti pengujian komponen elektronik, penyelidikan lingkungan dan

analisis kualitas; (b) sinyal yang berasal dari transducer, seperti strain

gauge dan termokopel.suatu proses perolehan data analog dan digital

melalui pengubah analog ke digital, dan pengubah digital ke analog.

sistem akuisisi data analog dan digital merupakan bagian yang dapat

diterapkan pada suatu sistem instrumentasi yang memiliki fungsi tele

signalling, tele control, tele measurement, sistem analisa data, dan sistem

penyajian data.




17

Multipleksing

sistem

akuisisi data

analog dan

digital

: suatu proses penggabungan beberapa pengukuran untuk ditransmisikan

melalui lintasan sinyal yang sama.

alat untuk menggabungkan atau memultipleksi sejumlah sinyal analog

menjadi satu saluran digital atau sebaliknya sebuah saluran digital tunggal

menjadi sejumlah saluran analog, kedua tegangan digital maupun analogdapat dimultipleksi.

Latihan Soal dan Jawab :

1. Apakah pengertian sistem akuisisi data dalam sistem instrumentasi !

Jawaban :

Sistem akuisisi data digunakan untuk mengukur dan mencatat sinyal yang pada dasarnya

diperoleh dalam dua cara, yaitu (a) sinyal yang berasal dari pengukuran langsung besaran-

besaran listrik; ini bisa mencakup tegangan dc dan ac, frekuensi, atau tahanan; dan secara

khas ditemukan dalam pemakaian seperti pengujian komponen elektronik, penyelidikanlingkungan dan analisis kualitas; (b) sinyal yang berasal dari transducer, seperti strain

gauge dan termokopel.

2. Jelaskan fungsi-fungsi dari sistem akuisisi data analog !

Jawaban :

Sistem akuisisi data analog memiliki fungsi masing-masing elemen sebagai berikut :




memilih bagian tertentu dari sinyal tersebut

(c) Alat peraga visual, untuk memonitor sinyal masukan secara kontinyu. Alat ini bisamencakup CRO satu saluran atau saluran banyak, CRO penyimpan, alat-alat pencatat

pada panel, peragaan numerik dan sebagainya

(d) Instrumen pencatat grafik, untuk mendapatkan pencatatan data masukan secara

permanen. Instrumen ini mencakup unit-unit pencatat tipe jarum (stylus) dan tinta guna

memberikan pencatatan kontinyu pada card kertas, sistem pencatatan secara optik,

seperti misalnya unit pencatat galvanometer cermin, dan unit pencatat ultra violet

(e) Instrumen pita magnetik, untuk mendapatkan data masukan, mempertahankan bentuk

listrik semula, dan memproduksinya di kemudian hari untuk analisis yang lebih

terperinci.

3. Jelaskan fungsi-fungsi sistem akuisisi data digital !

Jawaban :

Sistem akuisisi data digital memiliki fungsi masing-masing elemen sebagai berikut :

(a) Transducer. Mengubah parameter fisis menjadi sinyal listrik yang dapat diterima oleh

sistem akuisisi. Beberapa parameter khas mencakup temperatur, tekanan, percepatan,

pergeseran bobot, dan kecepatan. Besaran-besaran listrik seperti tegangan, tahanan,

atau frekuensi, dapat juga diukur langsung

(b) Pengkondisi sinyal (signal conditioning). Umumnya mencakup rangkaian penunjang

bagi transducer. Rangkaian ini dapat memberikan daya eksitasi, rangkaian imbang, dan

elemen kalibrasi. Contoh pengkondisi sinyal adalah kesetimbangan jembatan strain

gage dan unit pencatu daya

(c) Pemayar (scanner) atau multiplekser (multiplexer). Menerima banyak masukan analog

dan secara berurutan menghubungkannya ke satu alat pencatat






19

Soal-soal :

1. Apakah pengertian sistem akuisisi data dalam sistem instrumentasi !

2. Jelaskan fungsi-fungsi dari sistem akuisisi data analog !

3. Gambarkan diagram blok sistem akuisisi data digital ! Dan jelaskan fungsi-

fungsinya !4. Jelaskan pengetian multipleksing sistem akuisisi data analog dan digital ! Berikan

contoh aplikasinya !

5. Suatu sistem tenaga listrik 3 fasa, 380/220 Volt, 500 KVA dikelola melalui Energy

Management System (EMS) dengan memanfaatkan sistem SCADA (Supervisory

Control And Data Acquisition). Peralatan utama yang digunakan adalah Current

Transformer (CT) 3 x 800/5 A; 50/5 A, Potential Transformer (PT) 3 x 240/5 V, Signal

Converter, Power Transducer, ADC 0808; 16 bit, PPI 8255; 24 bit I/O; 3 port 8 bit;

port A; B; C, PC (Personal Computer), Driver, Aktuator dan lampu pilot indikator,

serta Printer. Tentukan :

a) Diagram blok dari konfigurasi sistem peralatan tersebut !

b) Jelaskan fungsi-fungsi EMS sesuai dengan implementasi sistem SCADA !

c) Berapa besar kapasitas total daya yang terpakai, apabila hasil pengukuran tegangandan arus untuk masing-masing fasa R, S, dan T berturut-turut menampilkan 220 V,

219 V, 217 V, dan 242 A, 260 A, 252 A ?

6. Suatu sistem tenaga listrik pada Unit Penyaluran dan Pengaturan Beban (UP2B) di

Gardu Induk (GI) Tengkawang Sistem Kelistrikan PT. PLN (Persero) Wilayah

Kalimantan Timur mensuplai tenaga listrik ke beban melalui feeder menggunakan

Jaringan Tegangan Menengah 20 KV, 3 fasa, empat kawat, 630 A. Sistem tenaga listrik

tersebut dikelola melalui Energy Management System (EMS) dengan memanfaatkan

sistem SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Sistem peralatan yang

digunakan adalah Current Transformer (CT) 3 x 400/1 A, Potential Transformer (PT)

3 x (20/√3)/(0,1/√3) KV, Signal Converter , Power Transducer (KWH meter), ADC; 5

Volt; data 16 bit, PPI 8255; 24 bit I/O; 3 port 16 bit; port A; B; C, PC (Personal

Computer), Driver , Aktuator, lampu pilot indikator, dan Printer . Tentukan:

a) Gambar diagram blok sistem peralatan dan pengukuran tersebut !

b) Jika besaran pengukuran daya keluaran (Po(b)) pada sisi beban untuk fasa R

menampilkan 3.248,6160 KW, maka berapa besaran sebenarnya daya keluaran

(Po(pt)) pada sisi power transducer ?



Modul Ajar Instrumentasi Daftar Pustaka P-

1

DAFTAR PUSTAKA

A.C. Sarivastava., Teknik Instrumentasi, Universitas Indonesia, Jakarta, 1987

Barry G. Woollard., Terjemahan : H. Kristono, Elektronika Praktis, Cetakan kelima, PT.

Pradnya Paramita, Jakarta, 2003

J.A. Haslam, G.R. Summers, D. William., Engineering Instrumentation and Control ,

Edward Arnold, Great Britain., England, 1997

Noor Cholis Basyaruddin, Ir., Peukur dan Pengukuran., Pusat Pengembangan Pendidikan

Politeknik, Bandung, 1995

Purwanto., Juliza Hidayati., Anizar., Intrumentasi dan Alat Ukur , Edisi Pertama, Graha

Ilmu, Yogyakarta, 2008

Roger W. Prewit., Stephen W. Fardo, Intrumentation : Transducers, Experimentation, &

Application, Howard W. Sams & Co., Inc., Indianapolis, Indiana, 1979

Soedjana Sapiie, Dr., Osamu Nishino, Dr., Pengukuran Dan Alat-alat Ukur Listrik , PT.

Pradnya Paramita, Jakarta, 1994

William David Cooper., Terjemahan : Ir. Sahat Pakpahan, Instrumentasi Elektronik Dan

Teknik Pengukuran, Edisi Ke-2, Erlangga, Jakarta, 1991

World Precision Intruments, Quality Research Tools, International Edition, Victoria

Australia, 2002.



Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-

1

LAMPIRAN




2

Lampiran-1. Sistem Satuan dan Standar Pengukuran




3






5




6



Modul Ajar InstrumentasiLampiran L- 7

Lampiran-2. Spesifikasi Alat-alat Ukur Listrik




8

Lampiran-3. Penggunaan Alat Ukur Listrik

Gambar AUL-1.

Multimeter Analog

K d VI cos = k m nm

2

n =

cos2VI

k

k

mm

d

Gambar AUL-2.

Prinsip KWH meter tipe induksi




9

Lampiran-4. Penggunaan Alat Ukur Elektronik

Gambar AUE-1.

Multimeter Digital

Gambar AUE-2.

Osiloskop




10

Gambar AUE-3.

Generator Fungsi

Gambar AUE-4.

KWH meter digital




11

Desain KWH meter digital:

Gambar AUE-5.

Diagram Alur Kerja KWH meter Digital

Gambar AUE-6.

Desain Display KWH meter Digital

Gambar AUE-7. Flowchart Display KWH meter Digital




12

Desain Analog to Digital Converter (ADC):

Gambar AUE-8.

Analog to Digital Converter (ADC)

Desain Microcontroller:

Gambar AUE-9.

Microcontroller






14

Gambar AUEO-4. VOLTS/DIV controls to 1 V/DIV and the TIME/DIV control to 0.2

s/DIV

Gambar AUEO-5.

VOLTS/DIV 1 is set at 1 V/DIV and that the adjacent controls are set correctly




15

Gambar AUEO-6.

A connection to the input of channel 1, CH 1, of the oscilloscope

can be made using a special connector called a BNC plug

Gambar AUEO-7.

Adjust VOLTS/DIV and TIME/DIV

until you obtain a clear picture of the 2 V signal




16

Gambar AUEO-8.

Check on the effect of Y-POS 1 and X-POS

Connecting a function generator:

Gambar AUEO-9.

The diagram shows the appearance of a Thandar TG101 function generator

Gambar AUEO-10.

Most often the 600 Ω output is used. This can be connected to the CH 1 input of theoscilloscope using a BNC-BNC lead




17

Gambar AUEO-11.

The rotating FREQUENCY control and the RANGE switch;

The output level switch is normally set to 0 dB

How does an oscilloscope work?

Gambar AUEO-11.

An outline explanation of how an oscilloscope works can be given

using the block diagram



Other oscilloscope controls:

Gambar AUEO-12.

X-Y control: normally in the OUT position; TV-separation; rigger controls

Gambar AUEO 13

Documents

Buku II Diktat Instrumentasi_D3