1 ub 1 Sensor dun Trunsduser Tujuan Pembelajaran Umum Setelahmempelaiaribabinidiharapkanmahasiswamemahamipengertiansensordan transduser dan penggunaannya dalam sistem kendali. Tujuan Pembelajaran Khusus Setelah mempelaiari topik per topik dalam bab ini, mahasiswa diharapkan : apat menyebutkan deIinisi dan perbedaan dari sensor, transduser dan alat ukur ampu menyebutkan persyaratan umum dalam memilih sensor dan transduser apat menerangkan beberapa ienis sensor dan transduser yang ada di industri engerti tentang klasiIikasi sensor dan transduser secara umum. Pendahuluan emaiuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang cepat terutamadibidangotomasiindustri.Perkembanganinitampakielasdiindustri pemabrikan,dimanasebelumnyabanyakpekeriaanmenggunakantanganmanusia, kemudianberalihmenggunakanmesin,berikutnyadenganelectro-mechanic(semi otomatis) dan sekarang sudah menggunakan robotic (full automatic) seperti penggunaan FlexibleManufacturingSvstems(FMS)danComputerizedIntegratedManufacture (CIM) dan sebagainya. odelapapunyangdigunakandalamsistemotomasipemabrikansangat tergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian menuniukansecanggihapapunsistemkendaliyangdipakaiakansangattergantungkepadasensor maupun transduser yang digunakan.. Sensordantransdusermerupakanperalatanataukomponenyangmempunyai perananpentingdalamsebuahsistempengaturanotomatis.etepatandankesesuaian dalammemilihsebuahsensorakansangatmenentukankineriadarisistempengaturan secara otomatis.Besaranmasukanpadakebanyakansistemkendali adalahbukanbesaranlistrik, sepertibesaranIisika,kimia,mekanisdansebagainya.Untukmemakaikanbesaran2 listrikpada sistempengukuran, atau sistemmanipulasi atau sistempengontrolan,maka biasanyabesaranyangbukanlistrikdiubah terlebihdahulumeniadisuatusinyallistrik melalui sebuah alat yang disebut transducer Sebelumlebihiauhkitamempelaiari sensordan transduser ada sebuah alatlagi yang selalu melengkapi dan mengiringi keberadaan sensor dan transduser dalam sebuah sistempengukuran,atausistemmanipulasi,maupunsistempengontrolanyaituyang disebut alat ukur. 1.1. Definisi-definisi Sharon, dkk (1982), mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berIungsi untukmendeteksigeiala-geialaatausinyal-sinyalyangberasaldariperubahansuatu energisepertienergilistrik,energiIisika,energikimia,energibiologi,energimekanik dan sebagainya..Contoh;Camerasebagaisensorpenglihatan,telingasebagaisensorpendengaran,kulit sebagaisensorperaba,L#(lightdependentresistance)sebagaisensorcahaya,dan lainnya. William.C,(1993),mengatakan9ransduseradalahsebuahala9yangbila digerakan oleh sua9u energi di dalam sebuah sis9em9ransmisi. akanmenyalurkan energi9ersebu9dalamben9ukyangsamaa9audalamben9ukyangberlainanke sis9em9ransmisiberiku9nya.Transmisienergiinibisaberupalis9rik.mekanik. kimia. op9ic (radiasi) a9au 9hermal (panas).Contoh;generatoradalahtransduseryangmerubahenergimekanikmeniadienergi listrik,motoradalahtransduseryangmerubahenergilistrikmeniadienergimekanik, dan sebagainya. William.C, (1993),mengatakanala9ukur adalah sesuatu alatyangberIungsi memberikan batasan nilai atau harga tertentu dari geiala-geiala atau sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi.Contoh:voltmeter,ampermeteruntuksinyallistrik;tachometer,speedometeruntuk kecepatan gerak mekanik, lux-meter untuk intensitas cahaya, dan sebagainya. 1.2. Peryara9an Umum Sensor dan Transduser 3 alammemilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan sistemyangakandisensormakaperludiperhatikanpersyaratanumumsensor berikut ini : ( Sharon, dkk, 1982) a. Linearitas Adabanyaksensoryangmenghasilkansinyalkeluaranyangberubah secarakontinyusebagaitanggapanterhadapmasukanyangberubahsecara kontinyu.Sebagaicontoh,sebuahsensorpanasdapatmenghasilkantegangan sesuaidenganpanasyangdirasakannya.alamkasussepertiini,biasanya dapatdiketahuisecaratepatbagaimanaperubahankeluarandibandingkan denganmasukannyaberupasebuahgraIik.Gambar1.1memperlihatkan hubungandariduabuahsensorpanasyangberbeda.Garisluruspadagambar 1.1(a).memperlihatkantanggapanlinier,sedangkanpadagambar1.1(b). adalah tanggapan non-linier. b. Sensitivitas Sensitivitasakanmenuniukanseberapaiauhkepekaansensorterhadap kuantitasyangdiukur.Sensitivitasseringiugadinyatakandenganbilangan yangmenuniukan'perubahankeluarandibandingkanunitperubahanmasukan.Beberepasensorpanasdapatmemilikikepekaanyangdinyatakan dengan'satuvoltperderaiat,yangberartiperubahansatuderaiatpada masukanakanmenghasilkanperubahansatuvoltpadakeluarannya.Sensor panas lainnya dapat saia memiliki kepekaan 'dua volt per deraiat, yang berarti 100 Temperatur (masukan) 1 100 Temperatur (masukan) 1 0 0 Tegangan (keluaran) (a) Tangapan linier(b) Tangapan non linier Gambar 1.1.Keluaran dari transduser panas ( Sharon dkk, 1982), Tegangan (keluaran) 4 memilikikepakaanduakalidarisensoryangpertama.Linieritassensoriuga mempengaruhisensitivitasdarisensor.Apabilatanggapannyalinier,maka sensitivitasnyaiugaakansamauntukiangkauanpengukurankeseluruhan. Sensor dengan tanggapan paga gambar 1.1(b) akan lebih peka pada temperatur yang tinggi dari pada temperatur yang rendah. c. Tanggapan Waktu Tanggapan waktu pada sensor menuniukan seberapa cepat tanggapannya terhadapperubahanmasukan.Sebagaicontoh,instrumendengantanggapan Irekuensiyangielekadalahsebuahtermometermerkuri.asukannyaadalah temperaturdankeluarannyaadalahposisimerkuri.isalkanperubahan temperaturteriadisedikitdemisedikitdankontinyuterhadapwaktu,seperti tampak pada gambar 1.2(a).Frekuensiadalahiumlahsiklusdalamsatudetikdandiberikandalamsatuan hertz(Hz).1hertzberarti1siklusperdetik,1kilohertzberarti1000siklus perdetik|.PadaIrekuensirendah,yaitupadasaattemperaturberubahsecara lambat, termometer akanmengikutiperubahan tersebutdengan'setia. Tetapi apabilaperubahantemperatursangatcepatlihatgambar1.2(b)makatidak diharapkanakanmelihatperubahanbesarpadatermometermerkuri,karenaia bersiIat lamban dan hanya akan menuniukan temperatur rata-rata. AdabermacamcarauntukmenyatakantanggapanIrekuensisebuahsensor. isalnya'satumilivoltpada500hertz.TanggapanIrekuensidapatpula dinyatakandengan 'decibel(db),yaituuntukmembandingkandayakeluaran pada Irekuensi tertentu dengan daya keluaran pada Irekuensi reIerensi.#ata-rata Waktu Temperatur 1 siklus 50 40 30 50 40 30 (a) Perubahan lambat(b) Perubahan cepat Gambar 1.2Temperatur berubah secara kontinvu (. Sharon, dkk, 1982)5 YayanI.B,(1998),mengatakanketentuanlainyangperludiperhatikan dalam memilih sensor yang tepatadalah dengan mengaiukan beberapa pertanyaan berikut ini: a. Apakah ukuran Iisik sensor cukupmemenuhi untuk dipasang pada tempat yang diperlukan?b. Apakah ia cukup akurat? c. Apakah ia bekeria pada iangkauan yang sesuai? d. Apakah ia akan mempengaruhi kuantitas yang sedang diukur?. Sebagaicontoh,bilasebuahsensorpanasyangbesardicelupkankedalam iumlahairairyangkecil,malahmenimbulkaneIekmemanaskanairtersebut, bukan menyensornya.e. Apakah ia tidak mudah rusak dalam pemakaiannya?.I. Apakah ia dapat menyesuaikan diri dengan lingkungannya?g. Apakah biayanya terlalu mahal? 1.3. enis Sensor dan Transduser Perkembangansensordan transduser sangatcepatsesuaikemaiuanteknologi otomasi,semakinkompleksuatusistemotomasidibangunmakasemakinbanyak ienis sensor yang digunakan.#obotikadalahsebagaicontohpenerapansistemotomasiyangkompleks,disinisensoryangdigunakandapatdikatagorikanmeniadiduaienissensoryaitu:( Sharon, dkk, 1982)a. Internal sensor, yaitu sensor yang dipasang di dalam bodi robot. Sensorinternaldiperlukanuntukmengamatiposisi,kecepatan,danakselerasiberbagaisambunganmekanikpadarobot,danmerupakanbagiandari mekanisme servo. b. xternal sensor, yaitu sensor yang dipasang diluar bodi robot. Sensor eksternal diperlukan karena dua macam alasan yaitu: 1) Untuk keamanan dan 2) Untuk penuntun. Yangdimaksuduntukkeamananadalahtermasukkeamananrobot,yaitu perlindungan terhadap robot dari kerusakan yang ditimbulkannya sendiri, serta 6 keamananuntukperalatan,komponen,danorang-orangdilingkungandimana robottersebutdigunakan.Berikutiniadalahduacontohsederhanauntuk mengilustrasikan kasus diatas. Contoh pertama: andaikan sebuah robot bergerak keposisinya yang baru dan iamenemuisuatuhalangan,yangdapatberupamesinlainmisalnya.Apabila robottidakmemilikisensoryangmampumendeteksihalangantersebut,baik sebelum atau setelah teriadi kontak, maka akibatnya akan teriadi kerusakan. Contoh kedua: sensor untuk keamanan diilustrasikan dengan problem robot dalammengambilsebuahtelur.Apabilapadarobotdipasangpencengkram mekanik(gripper),makasensorharusdapatmengukurseberapabesartenaga yangtepatuntukmengambiltelortersebut.Tenagayangterlalubesarakan menyebabkanpecahnyatelur,sedangkanapabilaterlalukeciltelurakaniatuh terlepas. ini bagaimana dengan sensor untuk penuntun atau pemandu?. atogori ini sangatlah luas, tetapi contoh berikut akan memberikan pertimbangan. Contohpertama:komponenyangterletakdiatasbanberialantibadidepan robotyangdiprogramuntukmenyemprotnya.Apayangakanteriadibila sebuahkomponenhilangataudalamposisiyangsalah?. #obot tentunyaharus memilikisensoryangdapatmendeteksiadatidaknyakomponen,karenabila tidakiaakanmenyemprottempatyangkosong.eskipuntidakteriadi kerusakan,tetapihalinibukanlahsesuatuyangdiharapkanteriadipadasuatu pabrik. Contohkedua:sensoruntukpenuntundiharapkancukupcanggihdalam pengelasan.Untukmelakukanoperasidenganbaik,robotharuslah menggerakkantangkailassepanianggarislasyangtelahditentukan,daniuga bergerakdengankecepatanyangtetapsertamempertahankansuatuiarak tertentu dengan permukaannya. Sesuai dengan Iungsi sensor sebagai pendeteksi sinyal danmeng-inIormasikan sinyaltersebutkesistemberikutnya,makaperanandanIungsisensorakan dilaniutkan oleh transduser. arena keterkaitan antara sensor dan transduser begitu erat maka pemilihan transduser yang tepat dan sesuai iuga perlu diperhatikan. 1.4. Klasifikasi Sensor 7 SecaraumumberdasarkanIungsidanpenggunaannyasensordapat dikelompokan meniadi 3 bagian yaitu: a. sensor thermal (panas) b. sensor mekanis c. sensor optik (cahaya) Sensor thermal adalah sensoryangdigunakan untukmendeteksi geiala perubahan panas/temperature/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. Contohnya;bimetal.termistor.termokopel.RTD.phototransistor.photodioda.photo multiplier. photovoltaik. infrared pvrometer. hvgrometer. dsb. Sensormekanisadalahsensoryangmendeteksiperubahangerakmekanis,seperti perpindahanataupergeseranatauposisi,geraklurusdanmelingkar,tekanan,aliran, level dsb. Contoh;straingage,linearvariabledeferentialtransformer(LJDT),proximitv, potensiometer. load cell. bourdon tube. dsb. Sensoropticataucahayaadalahsensoryangmendeteksiperubahancahayadari sumbercahaya,pantulancahayaataupunbiascahayayangmengernaibendaatau ruangan. Contoh;photocell.phototransistor.photodiode.photovoltaic.photomultiplier. pvrometer optic. dsb. 1.5. Klasifikasi Transduser(William .C, 1993) a. Self generating transduser (transduser pembangkit sendiri)Selfgeneratingtransduseradalahtransduseryanghanyamemerlukansatu sumber energi. Contoh: piezo electric. termocouple. photovoltatic. termistor, dsb. Ciritransduseriniadalahdihasilkannyasuatuenergilistrikdaritransduser secara langsung. alam hal ini transduser berperan sebagai sumber tegangan. b. xternal power transduser (transduser daya dari luar) xternalpowertransduseradalahtransduseryangmemerlukanseiumlahenergi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran. 8 Contoh:#T(resistancethermaldetector),Staringauge,LVT(linier variable differential transformer), Potensiometer, NTC, dsb. Tabelberikutmenyaiikanprinsipkeriasertapemakaiantransduserberdasarkan siIat kelistrikannya. Tabel 1. Kelompok Transduser Parameter listrik dan kelas transduser Prinsip keria dan siIat alatPemakaian alat Transduser PasifPotensiometerPerubahannilaitahanankarena posisi kontak bergeser Tekanan, pergeseran/posisi Strain gagePerubahannilaitahananakibat perubahanpaniangkawatoleh tekanan dari luar Gaya, torsi, posisi TransIormator selisih (LVT) Tegangan selisih dua kumparan primer akibat pergeseran inti traIo Tekanan, gaya, pergeseran Gage arus pusarPerubahaninduktansikumparan akibat perubahan iarak plat Pergeseran, ketebalan Transduser Ak9if Sel IotoemisiIEmisi elektron akibat radiasi yang masuk pada permukaan IotemisiI Cahaya dan radiasi PhotomultiplierEmisielektronsekunderakibat radiasiyangmasukkekatoda sensitiI cahaya Cahaya, radiasi dan relay sensitiI cahaya TermokopelPembangkitangglpadatitik sambungdualogamyang berbeda akibat dipanasi Temperatur, aliran panas, radiasi Generator kumparan putar (tachogenerator) Perputaransebuahkumparandi dalammedanmagnityang membangkitkan tegangan ecepatan, getaran PiezoelektrikPembangkitangglbahankristal piezo akibat gaya dari luar Suara, getaran, percepatan, tekanan Sel Ioto teganganTerbangkitnyateganganpada selIotoakibatrangsangan energi dari luar Cahaya matahari Termometer tahanan (#T) Perubahannilaitahanankawat akibat perubahan temperatur Temperatur, panas Hygrometer tahanan TahanansebuahstripkonduktiI berubahterhadapkandungan uap air elembaban relatiI Termistor (NTC)Penurunannilaitahananlogam akibat kenaikan temperatur Temperatur 9 ikropon kapasitorTekanansuaramengubahnilai kapasitansi dua buah plat Suara, musik,derau Pengukuran reluktansi #eluktansirangkaianmagnetik diubahdenganmengubahposisi inti besi sebuah kumparan Tekanan,pergeseran, getaran, posisi Sumber: William .C, (1993) ub Z Sensor ThermuI Tujuan Pembelajaran Umum Setelahmempelaiaribabinimahasiswadiharapkanmemilikipengetahuan tentang sensor thermal yang banyak digunakan pada sistem pengontrolan di industri Tujuan Pembelajaran Khusus Setelah mempelaiari topik per topik pada bab ini mahasiswa diharapkan : 1. engerti peranan dan Iungsi sensor thermal dalam sistem pengaturan otomasi 2. engerti tentang bimetal sebagai sensor thermal 3. engerti tentang termistor sebagai sensor thermal 4. engerti tentang #T sebagai sensor thermal 5. engerti tentang Termokopel sebagai sensor thermal 6. engerti tentang ioda (IC Hybrid) sebagai sensor thermal 7. engerti tentang Infrared Pvrometer sebagai sensor thermal Pendahuluan AC.Srivastava,(1987),mengatakantemperaturmerupakansalahsatudari empatbesarandasaryangdiakuiolehSistemPengukuranInternasional(The InternationalMeasuringSvstem).Lordelvinpadatahun1848mengusulkanskala temperaturetermodinamikapadasuatutitiktetaptriplepoint.dimanaIasepadat,cair danuapberadabersamadalamequilibrium,angkainiadalah273,16 o(deraiat 10 elvin)yangiugamerupakantitikes.SkalalainadalahCelcius,Fahrenheitdan #ankine dengan hubungan sebagai berikut: oF 9/5 oC 32atauoC 5/9 (oF-32)atauo# oF 459,69YayanI.B,(1998),mengatakantemperaturadalahkondisipentingdarisuatu substrat. Sedangkan'panas adalah salah satu bentuk energi yang diasosiasikan dengan aktiIitasmolekul-molekuldarisuatusubstrat.Partikeldarisuatusubstratdiasumsikan selalubergerak.Pergerakanpartikelinilahyangkemudiandirasakansebagaipanas. Sedangkan temperatur adalah ukuran perbandingan dari panas tersebut.Pergerakan partikel substrat dapat teriadi pada tiga dimensi benda yaitu:1. Benda padat,2. Benda cair dan 3. Benda gas (udara) Aliran kalor substrat pada dimensi padat, cair dan gas dapat teriadi secara : 1.onduksi,yaitupengaliranpanasmelaluibendapadat(penghantar)secarakontak langsung 2. onveksi, yaitu pengaliran panas melalui media cair secara kontak langsung3. #adiasi, yaitu pengaliran panas melalui media udara/gas secara kontak tidak langsung Pada aplikasi pendeteksian atau pengukuran tertentu, dapat dipilih salah satu tipe sensor dengan pertimbangan : 1. Penampilan (Performance)2. ehandalan(Reliable) dan3. Faktor ekonomis ( conomic) Pemilihan enis Sensor Suhu Hal-hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan pemilihan ienis sensor suhu adalah: (Yayan I.B, 1998) 1. Level suhu maksimum dan minimum dari suatu substrat yang diukur. 2. Jangkauan (range) maksimum pengukuran 3. onduktivitas kalor dari substrat 4. #espon waktu perubahan suhu dari substrat 11 5. Linieritas sensor 6. Jangkauan temperatur keria Selain dari ketentuan diatas, perlu iuga diperhatikan aspek phisik dan kimia dari sensorsepertiketahananterhadapkorosi(karat),ketahananterhadapguncangan, pengkabelan (instalasi), keamanan dan lain-lain. Temper9ur Kerja Sensor Setiapsensorsuhumemilikitemperaturkeriayangberbeda,untukpengukuran suhu disekitar kamar yaitu antara -35oC sampai 150oC, dapat dipilih sensor NTC, PTC, transistor, dioda dan IC hibrid. Untuk suhu menengah yaitu antara 150oC sampai 700oC, dapatdipilihthermocoupledan#T.Untuksuhuyanglebihtinggisampai1500oC, tidakmemungkinkanlagidipergunakansensor-sensorkontaklangsung,makateknis pengukurannyadilakukanmenggunakancararadiasi.Untukpengukuransuhupada daerahsangatdingindibawah65o-208oC(0oC273,16o)dapatdigunakan resistor karbon biasa karena pada suhu ini karbon berlaku seperti semikonduktor. Untuk suhu antara 65o sampai -35oC dapat digunakan kristal silikon dengan kemurnian tinggi sebagai sensor. Gambar2.1.berikutmemperlihatkankarakteristikdaribeberapaienissensor suhu yang ada Thermocouple#TThermistorIC Sensor V T # T # TV, I T Advantages - selI powered - simple - rugged - inexpensive - wide variety - wide temperature range - most stable - most accurate - more linear than termocouple - high output - Iast - two-wire ohms measurement - most linear - highest output - inexpensive 12

isadvantages - non linear - low voltage - reIerence required - least stable - least sensitive - expensive - power supply required - small AR - low absolute resistance - selI heating - non linear - limited temperature range - Iragile - power supply required - selI heating - T 200oC - power supply required - slow - selI heating - limited conIiguration Gambar 2.1. Karakteristiksensor temperature (Schuller, c.Name, 1986) 2.1. Bime9al Bimetaladalahsensortemperaturyangsangatpopulerdigunakankarena kesederhanaanyangdimilikinya.Bimetalbiasadiiumpaipadaalatstrikalistrikdan lampukelap-kelip(dimmer).Bimetaladalahsensorsuhuyangterbuatdariduabuah lempengan logam yang berbeda koeIisien muainya (u) yangdirekatkan meniadi satu. Bilasuatulogamdipanaskanmakaakanteriadipemuaian,besarnyapemuaian tergantungdariienislogamdantingginyatemperaturkerialogamtersebut.Biladua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koeIisien muai lebih tinggi akanmemuai lebih paniang sedangkanyangmemiliki koeIisienmuai lebihrendahmemuailebihpendek.Olehkarenaperbedaanreaksimuaitersebutmaka bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. alam aplikasinya bimetaldapatdibentukmeniadisaklarNormallvClosed(NC)atauNormallvOpen(NO). Gambar 2.2. Kontruksi Bimetal( Yayan I.B, 1998) isini berlaku rumus pengukuran temperature dwi-logam yaitu : dan dalam praktek tB/tA 1 dan (n1).n 2, sehingga; Bimetal sesudah dipanaskan Bimetal sebelum dipanaskan Logam A Logam B 21 22 2) 1 )( )( ( 6)| / 1 )( 1 ( ) 1 ( 3 |m T Tmn m mm m tB A

- -8) )( ( 321 2T TtB A

- -8(2.1) (2.2) 13 di mana p radius kelengkungan t tebal ialur total n perbandingan modulus elastis, EB/EA m perbandingan tebal, tB/tA T2-T1 kenaikan temperature uA, uB koeIisien muai panas logamA dan logam B 2.2. Termis9or Termistoratautahananthermaladalahalatsemikonduktoryangberkelakuan sebagaitahanandengankoeIisientahanantemperaturyangtinggi,yangbiasanya negatiI. Umumnya tahanan termistor pada temperatur ruang dapat berkurang 6untuk setiapkenaikantemperatursebesar1oC.epekaanyangtinggiterhadapperubahan temperaturinimembuattermistorsangatsesuaiuntukpengukuran,pengontrolandan kompensasi temperatur secara presisi. Termistorterbuatdaricampuranoksida-oksidalogamyangdiendapkanseperti: mangan(n),nikel(Ni),cobalt(Co),tembaga(Cu),besi(Fe)danuranium(U). #angkumantahanannyaadalahdari0,5Osampai75Odantersediadalamberbagai bentuk dan ukuran. Ukuran paling kecil berbentuk mani-manik (beads) dengan diameter 0,15mmsampai1,25mm,bentukpiringan(disk)ataucincin(washer)denganukuran 2,5mmsampai25mm.Cincin-cincindapatditumpukandanditempatkansecaraseri atau paralel guna memperbesar disipasi daya. alamoperasinyatermistormemanIaatkanperubahanresistivitasterhadap temperatur,danumumnyanilaitahanannyaturunterhadaptemperatursecara eksponensial untuk ienis NTC ( Negative Thermal Coeffisien) oeIisien temperatur udideIinisikan pada temperature tertentu, misalnya 25oC sbb.: TA Te R R0 (2.3) (2.4) 14 Gambar 2.3 . Konfigurasi Thermistor. (a) coated-bead (b) disk(c) diodacasedan(d) thin-film Teknik Kompensasi Termis9or: arkateristik termistor berikutmemperlihatkan hubungan antara temperatur dan resistansiseperti tampak pada gambar 2.4 Gambar 2.4. Grafik Termistor resistansi vs temperatuer. (a) logaritmik (b) skala linier Untukpengontrolanperlumengubahtahananmeniaditegangan,berikut rangkaian dasar untuk mengubah resistansi meniadi tegangan. Gambar 2.5. Rangkaian uii termistor sebagai pembagi tegangan Thermistor dengan koeIisien positiI (PTC, tidak baku) 15 Gambar 2.6. Termistor ienis PTC.(a) linier(b) switching Caralainuntukmengubahresistansimeniaditeganganadalahdenganteknik linearisasi. aerah resistansi mendekati linier

16

Untukteknikkompensasitemperaturmenggunakanrangkaianpenguatiembatanlebih baikdigunakanuntukienissensorresistansikarenarangkaianiembatandapatdiatur titik kesetimbangannya.

Gambar 2.7. Dua buah Termistor Linier. (a) Rangkaian sebenarnva(b) Rangkaian kivalen Gambar 2.8. Rangkaian penguat iembatan untuk resistansi sensor Nilai tegangan outputnya adalah: 17 atau rumus lain untuk tegangan output 2.3. Resis9ance Thermal De9ec9or (RTD) #Tadalahsalahsatudaribeberapaienissensorsuhuyangsering digunakan.#Tdibuatdaribahankawattahankorosi,kawattersebutdililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dantembaga,danyangterbaikadalahbahanplatinakarenadapatdigunakan menyensorsuhusampai1500oC.Tembagadapatdigunakanuntuksensorsuhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi. #T memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu: 1. Tidak diperlukan suhu reIerensi 2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpaniang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi. 3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel 4.apatdigunakankawatpenghantaryanglebihpaniangkarenanoisetidakiadi masalah 5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal meniadi sederhana dan murah. abel keluaran umparan kawat platina Inti dari Quartz Terminal sambungan Gambar 2.9. Konstruksi RTD 18 ResistanceThermalDetector(#T)perubahantahanannyalebihlinearterhadap temperaturuiitetapikoeIisienlebihrendahdarithermistordanmodelmatematis linier adalah:) 1 (0t R RTA -dimana : #otahanan konduktor pada temperature awal ( biasanya 0oC) #T tahanan konduktor pada temperatur toC u koeIisien temperatur tahanan At selisih antara temperatur keria dengan temperatur awal Sedangkan model matematis nonliner kuadratik adalah:

Gambar 2.10.Resistansi versus Temperatur untuk variasi RTD metal Bentuk lain dari onstruksi #T 19

Gambar 2.11.Jenis RTD.(a) Wire (b) Ceramic Tube(c) Thin Film #angkaian Penguat untuk three-wire #T Gambar 2.12.(a) Three Wire RTD(b) Rangkaian Penguat kspansi Daerah Linier Ekspansi daerah linear dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: 1. enggunakan tegangan reIerensi untuk kompensasi nonlinieritas 2. elakukan kompensasi dengan umpan balik positiI 20 Gambar 2.13.Kompensasi non linier (a) Respon RTD non linier,(b) Blok diagram rangkaian koreksi 2.4. Termokopel PembuatantermokopeldidasarkanatassiIatthermalbahanlogam.Jika sebuahbatanglogamdipanaskanpadasalahsatuuiungnyamakapadauiung tersebutelektron-elektrondalamlogamakanbergeraksemakinaktiIdanakan menempatiruangyangsemakinluas,elektron-elektronsalingdesakdanbergerak kearahuiungbatangyangtidakdipanaskan.engandemikianpadauiungbatang yang dipanaskan akan teriadi muatan positiI.

erapatanelectronuntuksetiapbahanlogamberbedatergantungdariienis logam.Jikaduabatanglogamdisatukansalahsatuuiungnya,dankemudian -Uiung dingin Arus elektronakan mengalir dari uiung panas ke uiung dingin Gambar 2.14.Arah gerak electron iika logam dipanaskanUiung panas e 21 dipanaskan, maka elektron dari batang logam yang memiliki kepadatan tinggi akan bergerak ke batang yang kepadatan elektronnya rendah, dengan demikian teriadilah perbedaantegangandiantarauiungkeduabatanglogamyangtidakdisatukanatau dipanaskan. Besarnya termolistrik atau gem ( gava electromagnet ) yang dihasilkan menurut T.J Seeback(1821)yangmenemukanhubunganperbedaanpanas (T1dan T2)dengangayageraklistrikyang dihasilkan.Peltir (1834),menemukangeiala panasyangmengalirdanpanasyangdiserappadatitikhot-iuctiondancold-iunction.danSirWilliamThomson,menemukanaraharusmengalirdarititik panas ke titik dingin dan sebaliknya, sehingga ketiganya menghasilkan rumus sbb: C1(T1-T2) C2(T12T22) (.) fek Peltierfek Thomson atau 37.5(T1T2)0.045(T12-T22) ( ...) dimana37,5dan0,045merupakanduakonstantaC1danC2untuktermokopel tembaga/konstanta. Bilauiunglogamyangtidakdipanaskandihubungsingkat,perambatan panasdariuiungpanaskeuiungdingin akan semakincepat. Sebaliknyabila suatu termokopel diberi tegangan listrik C, maka diuiung sambungan teriadi panas atau meniadidingintergantungpolaritasbahan(deretVolta)danpolaritastegangan sumber. ari prinsip ini memungkinkan membuat termokopel meniadi pendingin.Js -Uiung dingin Beda potensial yang teriadi pada kedua uiung logam yang berbeda panas ienisnya Gambar 2.15.Beda potensial pada TermokopelUiung panas JRR SJ J Jout22 Thermocouple sebagai sensor temperatur memanIaatkan beda workfunction dua bahan metal Gambar 2.16. Hubungan Termokopel (a) titik beda potensial(b)daerah pengukuran dan titik referensi Pengaruh siIat thermocouple pada wiring Gambar 2.17. Tegangan referensi pada titik sambungan. (a) Jumlah tegangan tiga buah metal (b) Blok titik sambungan Sehingga diperoleh rumus perbedaan tegangan : #angkaian kompensasi untuk Thermocouple diperlihat oleh gambar 2.18 23 Gambar 2.18. Rangkaian penguat tegangan iunction termokopel Perilaku beberapa ienis thermocouple diperlihatkan oleh gambar 2.19 Gambar 2.19. Karateristik beberapa tipe termokopel 2.5. Dioda sebagai Sensor Tempera9ur iodadapatpuladigunakansebagaisensortemperaturyaitudenganmemanIaatkan siIat tegangan iunction imanIaatkaniugapadasensortemperaturrangkaianterintegrasi(memiliki rangkaian penguat dan kompensasi dalam chip yang sama).

Contoh rangkaian dengan dioda sebagai sensor temperature - tipe E (chromel-konstanta) - tipeJ (besi-konstanta) - tipe T (tembaga-onstanta) - tipe(chromel-alumel) - tipe # atau S (platina-pt/rodium) 24

Contoh rangkaian dengan IC sensor #angkaian alternatiI untuk mengubah arus meniadi tegangan pada IC sensortemperature Gambar 2.20. Rangkaian peubah arus ke tegangan untuk IC termo sensor 25 2.6.Infrared Pyrome9er

Sensor inIramerah dapat pula digunakan untuk sensor temperatur Gambar 2.21. Infrared Pvrometer sebagai sensor temperatur emIaatkanperubahanpanasantaracahayayangdipancarkandenganditerimayang diterima pyrometer terhadap obiek yang di deteksi. 26 ub 3 Sensor Mechunics Tujuan Umum Setelahmahasiswamempelaiaraibabini,diharapkandapatmemahamiIungsi dan peranan sensor mekanik dalam teknik pengukuran dan pengontrolan sistem di dunia nyata dengan baik. Tujuan Khusus Setelahmempelaiaritopikdemitopikdalambabinimakadiharapkan mahasiswa dapat : 1. engerti tentang macam-macam dan Iungsi dari sensor posisi dengan baik. 2.engertitentangienis,Iungsidankegunaandarisensorkecepatandalamsistem kendali berumpan balik dengan baik 3.engertiienis-ienisdanpenerapandarisensortekanandalamsistempengaturan berumpan balik dengan baik 4. engerti macam, Iungsi dan kegunaan dari sensor aliran Iluida dengan baik 5.engertitentangmacam,Iungsidanpenerapansensorleveldalamsistemotomasi industri dengan baik Pendahuluan Pergerakkanmekanisadalahtindakanyangpalingbanyakdiiumpaidalam kehidupansehari-hari,sepertiperpindahansuatubendadari suatuposisikeposisilain, kecepatanmobil di ialan raya, dongrakmobil yang dapatmengangkatmobil seberat 10 ton, debit air didalam pipa pesat, tinggi permukaan air dalam tanki. Semua gerakmekanis tersebut pada intinya hanya terdiri dari tigamacam, yaitu geraklurus,gerakmelingkardangerakmemuntir.Gerakmekanisdisebabkanoleh adanyagayaaksiyangdapatmenimbulkangayareaksi.Banyakcaradilakukanuntuk mengetahui ataumengukur gerakmekanis misalnyamengukur iarak atau posisi dengan 27 meter,mengukurkecepatandengantachometer,mengukurdebitairdenganrotameter dsb.Tetapiiikaditemuigerakanmekanisyangberadadalamsuatusistemyang kompleksmakadiperlukansebuahsensoruntukmendeteksiataumengimIormasikan nilaiyangakandiukur.Berikutakandiiabarkanbeberapaienissensormekanisyang sering diiumpai di dalam kehidupan sehari-hari. 3.1. Sensor Posisi Pengukuranposisidapatdilakukandengancaraanalogdandigital.Untuk pergeseranyang tidak terlalu iauh pengukuran dapat dilakukanmenggunakan cara-cara analog, sedangkan untuk iarak pergeseran yang lebih paniang lebih baik digunakan cara digital. Hasilsensorposisiatauperpindahandapatdigunakanuntukmengukur perpindahanlinieratauangular.Teknisperlakuansensordapatdilakukandengancara terhubung langsung ( kontak ) dan tidak terhubung langsung ( tanpa kontak ). 3.1.1. S9rain gauge (SG) Straingaugedapatdiiadikansebagaisensorposisi.SGdalamoperasinya memanIaatkanperubahanresistansisehingganyadapatdigunakanuntukmengukur perpindahanyangsangatkecilakibatpembengkokan(tensilestress)atauperegangan(tensilestrain).eIinisielastisitas(c)straingaugeadalahperbandinganperubahan paniang (AL) terhadap paniang semula (L) yaitu: atau perbandingan perubahan resistansi (AR) terhadap resistansi semula (R) sama dengan Iaktor gage (Gf) dikali elastisitas starin gage (c) : Secara konstruksi SG terbuat dari bahanmetal tipis (Ioil) yang diletakkandiatas kertas. Untuk proses pendeteksian SG ditempelkan dengan benda uii dengan dua cara yaitu: 1.Arah perapatan/peregangan dibuat sepaniang mungkin (axial) 2.Arah tegak lurus perapatan/peregangan dibuat sependek mungkin (lateral) 28 Gambar 3.1. Bentuk phisik strain gauge Faktor gauge (Gf) merupakan tingkat elastisitas bahan metal dari SG. metal incompressible GI 2 piezoresistiI GI 30 piezoresistiI sensor digunakan pada IC sensor tekanan Untuk melakukan sensor pada benda uii maka rangkaian dan penempatan SG adalah disusun dalam rangkaian iembatan dua strain gauge digunakan berdekatan, satu untuk peregangan/perapatan , satu untukkompensasi temperatur pada posisi yang tidak terpengaruh peregangan/ perapatan respons Irekuensi ditentukan masa tempat strain gauge ditempatkan Gambar 3.2. Pemasangan strain gauge. (a) rangkaian iembatan (b) gage1 dan gage 2 posisi 90(c) gage 1 dan gage 2 posisi seiaiar 29 3.1.2. Sensor Induk9if dan lek9romagne9 Sensor induktiI memanIaatkan perubahan induktansi sebagai akibat pergerakan inti Ieromagnetik dalam koil akibat bahan Ieromagnetik yang mendekat Gambar 3.3. Sensor posisi. (a) Inti bergeser datar(b) Inti I bergser berputar. (c) Rangkaian variable induktansi #angkaian pembaca perubahan induktansi dua induktor disusun dalam rangkaian iembatan, satu sebagai dummv tegangan bias iembatan berupa sinyal ac perubahan induktasi dikonversikan secara linier meniadi perubahan tegangan L sensistivitas induktansi terhadap posisi output tegangan ac diubah meniadi dc atau dibaca menggunakan detektor Iasa Gambar 3.4.Rangkaian uii sensor posisi induktif 30 Sensor elektromagnetik memanIatkan terbangkitkannya gaya emI oleh pada koilyang mengalami perubahan medan magnit output tegangan sebanding dengan kecepatan perubahan posisi koil terhadap sumber magnit perubahan medan magnit diperoleh dengan pergerakan sumber medan magnit atau pergerakan koilnya (seperti pada mikroIon dan loudspeaker) Gambar 3.5.Pemakaian sensor posisi. (a) pada microphone. (b) pada loudspeaker 3.1.3. Linier Variable Differen9ial Transformer (LVDT) memanIaatkan perubahan induksi magnit dari kumparan primer ke dua kumparan sekunder dalam keadaan setimbang, inti magnet terletak ditengah dan kedua kumparan sekunder menerima Iluks yang sama dalam keadaan tidak setimbang, Iluks pada satu kumparan naik dan yang lainnya turun tegangan yang dihasilkan pada sekunder sebading dengan perubahan posisi inti magnetic hubungan linier bila inti masih disekitar posisi kesetimbangan 31 Gambar 3.6. LJDT sebagai sensor posisi. (a) konstruksi LJDT. (b) Rangakaian listrik. (c) rangkaiauii LJDT. (d) Karakteristik LJDT

rangkaian detektor sensitiI Iasa pembaca perpindahan dengan LVT Gambar 3.7. Rangkain uii elektronik LJDT 32 3.1.4. Transduser Kapasi9if memanIaatkan perubahan kapasitansi akibat perubahan posisi bahan dielektrik diantara kedua keping akibat pergeseran posisi salah satu keping dan luas keping yang berhadapan langsung akibat penambahan iarak antara kedua keeping Gambar 3.8. Sensor posisi kapasitif. (a) pergeseran media mendatar. (b) pergeseranberputar. (c) pergeseran iarak plat nilai kapasitansi berbanding lurus dengan area dan berbanding terbaik dengan iarak kdAC 0885 , 0 cukup sensitiI tetapi linieritas buruk rangkaian iembatan seperti pada sensor induktiI dapat digunakan dengan kapasitor dihubungkan paralel dengan resistansi (tinggi) untuk memberi ialur C untuk input opamp alternatiI kedua mengubah perubahan kapasitansi meniadi perubahan Irekuensi osilator Irekuensi tengah 1 - 10 Hz perubahan Irekuensi untuk perubahan kapasitansi cukup kecil dibandingkan kapasitansi Co 33 Gambar 3.9. Pemakaian sensor posisi pada rangkaian elektronik. (a) kapasitansi meniadi frekuensi. (b) kapasitansi meniadi pulsa

Solusi rangkaian murah dengan osilator relaksasi dual inverter COS

3.1.5. Transduser perpindahan digi9al op9is mendeteksi posisi melalui kode oleh pemantul atau pelalu transmisi cahaya kedetektor Ioto perpindahan (relatiI) diukur berupa pulse train dengan Irekuensi yang sebanding kecepatan pergerakan Gambar 3.10.Sensor posisi digital optis. (a) dan (b) pergeseran berputar. TX-RX seiaiar. (c) dan (d) pergeseran mendatar. TX-RX membentuk sudut. deteksi arah gerakanmemanIaatkan dua sinyal dengan saat pulsa naik berbeda 34 Gambar 3.11. Rangakain uii untuk menentukan arah gerakan/posisi posisi mutlak dideteksi menggunakan kode bilangan digital untuk deteksi perubahan yang ekstrim satu kode digunakan sebagai sinyal clock alternatiI lain memanIaatkan kode yang hanya mengiiinkan satu perubahan sepertipada kode Gray kode angular lebih baik dari pada kode linier akibat arah ekpansi thermal pada pelatkode Gambar 3.12. Pulsa clock vang dihasilkan berdasarkan bilangan biner pengukuran perpindahan posisi yang kecil dapat dilakukan dengan pola oire pola garis tegak dan miring memperkuat (ukuran) pergeseran arah x ke pola garis pada arah y perubahan dibaca dengan cara optis 35 Gambar 3.13.Perubahan posisi kecil menggunakan cara Moire

3.1.6. Transduser Piezoelec9ric Transduser Piezoelectric berkeia memanIaatkan tegangan yang terbentuk saat kristal mengalami pemampatan ion positiI dan negatiI terpisah akibat struktur kristal asimetris bahan kristal: kuarsa dan barium titanat, elektret polivilidin Ilorida bentuk respons Gambar 3.14.Transduser Piezoelektrik. (a) konstruksi P. (b) rangkaianekivalen P Gambar 3.15.Respons Tegangan P 36 #angkaian pembaca tegangan pada piezoelektrik sensor kristal bukan konduktor (tidak mengukur C, rangkaian ekivalen) gunakan rangkaian Op-Amp dengan impedansi input tinggi (FET, untuk Irekuensi rendah) bila respons yang diukur dekat dengan Irekuensi resonansi kristal, ukur muatan sebagai ganti tegangan di mana "x muatan listrik kristal (coulomb) Kqe konstanta kristal (coul/cm) c gaya tekan ( Newton) Gambar (a) # tinggi untuk alur C, (b) saklar untuk mengukur tegangan strain saat ON dan OFF dan (c) mengukur muatan, tegangan (Jo)yang dihasilkan adalah : Gambar 3.16. Rangkaian pembacaan tegangan kristal 37 3.1.7. Transduser Resolver dan Induc9osyn berupa pasangan motor-generator: resolver dan transmiter digunakan untuk mengukur sudut pada sebuah gerakan rotasi kumparan stator sebagai penerima ditempatkan pada sudut yang berbeda 3 stator: syncho 2 stator: resolver versi linier (inductosyn) perbedaan sudut 90 deraiatdiperoleh dengan perbedaan 1/4gulungan Gambar 3.17. Konstruksi Resolver - Inductosvn dan sinval vang dihasilkan 3.1.8. De9ek9or Proximi9y (a) saklar reed yang memanIatkan saklar yang terhubung atau terlepas berdasarkanmedan magnet (b) #F-lost akibat adanya bahan metal yang menyerap medan magnet (Irekuensi 40-200 kHz) yang mengakibatkan detector #F turun akibat pembebanan rangkaian resonansi LC pada osilator (c) etector kapasitansi mengamati perubahan kapasitansi oleh bahan nonkonduktor (d) pancaran cahaya terIokus 38 Gambar 3.18. Beberapa sensor proximitv

3.1.8. Po9ensiome9er Potensiometeryangtersediadipasaranterdiridaribeberapaienis,yaitu: potensiometer karbon, potensiometer wire wound dan potensiometer metal Iilm.1. Potensiometer karbon adalah potensiometer yang terbuat dari bahan karbon harganya cukupmurah akan tetapi kepresisian potensiometer ini sangat rendah biasanya harga resistansi akan sangat mudah berubah akibat pergeseran kontak. 2.Potensiometergulungankawat(wirewound)adalahpotensiometeryang menggunakangulungankawatnikelinyangsangatkecilukuranpenampangnya. etelitian dari potensiometer ienis ini tergantung dari ukurankawat yang digunakan serta kerapihan penggulungannya. 3. etal Iilm adalah potensiometer yangmenggunakan bahanmetal yang dilapiskan ke bahan isolator 39

PotensiometerkarbondanmetalIilmiarangdigunakanuntukkontrolindustri karenacepataus.Potensiometerwirewoundadalahpotensiometeryangmenggunakan kawathalusyangdililitpadabatangmetal.etelitianpotensiometertergantungdari ukuran kawat. awat yang digunakan biasanya adalah kawat nikelin. Penggunaanpotensiometeruntukpengontrolanposisicukuppraktiskarena hanyamembutuhkan satu tegangan eksitasi dan biasanya tidakmembutuhkan pengolah sinyal yang rumit. elemahan penggunaan potensiometer terutama adalah: 1. Cepat aus akibat gesekan 2. Sering timbul noise terutama saat pergantian posisi dan saaat teriadi lepas kontak 3. udah terserang korosi 4. Peka terhadap pengotor Potensiometerlinieradalahpotensiometeryangperubahantahanannyasangat halus dengan iumlah putaran sampai sepuluh kali putaran (multi turn). Untuk keperluan sensorposisipotensiometerliniermemanIaatkanperubahanresistansi,diperlukan proteksiapabilaiangkauanukurnyamelebihirating,linearitasyangtinggihasilnya mudah dibaca tetapi hati-hati dengan Iriksi dan backlash yang ditimbulkan, resolusinya terbatas yaitu 0,20,5

a. Wire Woundb. Tahanan Geserc. arbon Gambar 3.19. Macam Potensiometer 40 Gambar 3.20. Rangkaian uii Potensiometer 3.1.9. Op9ical lever displacemen9 de9ek9or memanIaatkan pematulan berkas cahaya dari sumber ke detektor linieritas hanya baik untuk perpindahan yang kecil Gambar 3.21. Optical Lever Displacement Detector 3.2.Sensor Kecepa9an ( Motion Sensor ) Pengukurankecepatandapatdilakukandengancaraanalogdancaradigital. Secaraumumpengukurankecepatanterbagiduacarayaitu:caraangulardancara translasi.Untukmengukurkecepatantranslasidapatditurunkandaricarapengukuran angular.Yangdimaksuddenganpengukuranangularadalahpengukurankecepatan rotasi(berputar),sedangkanpengukurankecepatantranslasiadalahkecepatangerak lurus beraturan dan kecepatan gerak lurus tidak beraturan. 41 3.2.1. Tacho Genera9or Sensoryangseringdigunakanuntuksensorkecepatanangularadalahtacho generator.Tachogeneratoradalahsebuahgeneratorkecilyangmembangkitkan teganganCataupunteganganAC.arisegieksitasitachogeneratordapat dibangkitkan dengan eksitasi dari luar atau imbas elektromagnit dari magnit permanent. TachogeneratorCdapatmembangkitkanteganganCyanglangsungdapat menghasilkan inIormasi kecepatan, sensitivitas tacho generator C cukup baik terutama pada daerah kecepatan tinggi. Tacho generator C yang bermutu tinggi memiliki kutub-kutubmagnityangbanyaksehinggadapatmenghasilkanteganganCdenganriak gelombang yang berIrekuensi tinggi sehingga mudah diratakan. euntungan utama dari tachogeneratoriniadalahdiperolehnyainIormasidariarahputaran.Sedangakan kelemahannya adalah : 1. Sikat komutator mudah habis 2.Jikadigunakanpadadaerahbertemperaturtinggi,makamagnetpermanentakan mengalami kelelahan, untuk kasus ini, tacho generator sering dikalibrasi. 3. Peka terhadap debu dan korosi TachogeneratorACberupageneratorsingkron,magnetpermanentdiletakkan dibagian tengah yang berIungsi sebagai rotor. Sedangkan statornya berbentuk kumparan besilunak.etika rotorberputardihasilkan teganganinduksidibagianstatornya. Tipe laindaritachogeneratorACadalahtipeinduksi,rotordibuatbergerigi,statorberupa gulungankawatberintibesi.edanmagnetpermanentdipasangbersamaandistator. etikarotorberputar,teriadiperubahanmedanmagnetpadagigiyangkemudian mengimbas ke gulungan stator. elebihanutamadaritachogeneratorACadalahrelatiItahanterhadapkorosi dan debu, sedangkan kelemahannya adalah tidak memberikan inIormasi arah gerak. Stator magnet pemanen umparan, uiung-uiung kawatnya dihubungkan ke komutator Terminal keluaran#otor inti besi berputar bersama kumparan dan komutator omutator berputar bersama rotor 42 Gambar 3.22. Kontruksi Tacho Generator DC Gambar 3.23. Kontruksi Tacho Generator AC Gambar 3.24. Kontruksi Tacho Generator AC dengan rotor bergerigi 3.2.2. Pengukuran Kecepa9an Cara Digi9al. PengukurankecepatancaradigitaldapatdilakukandengancarainduktiI, kapasitiIdanoptik.Pengukurandengancarainduksidilakukanmenggunakanrotor bergerigi,stator dibuat dari kumparan yangdililitkan padamagnet permanen. eluaran darisensoriniberupapulsa-pulsategangan.Penggunaancarainicukupsederhana, sangatpraktistanpamemerlukankoplingmekanikyangrumit,sertamemiliki kehandalanyangtinggi,tetapikelemahannyatidakdapatdigunakanuntukmengukur kecepatan rendah dan tidak dapat menampilkan arah putaran. #otor magnet permanent diiputar Tegangan keluaran AC US umparan stator #otor bergerigi Tegangan keluaran AC umparan stator magnit permanen U S U S 43 Gambar 3.25. Sensor Kecepatan Digital Tipe Induktor Tipe lain sensor kecepatan adalah cara Optik. #otor dibuat dari bahan metal atau plastikgelap,rotordibuatberlubanguntukmemberitandakepadasensorcahaya.Bila diinginkaninIormasiarahkecepatan,digunakanduabuahsensoryangdipasang berdekatan. InIormasi arahgerahdapatdiperolehdengancaramendeteksisensormana yang lebioh dahulu mendapat sinar (aktiI). Sensor cahaya sangat peka terhadap pengotor debu, oleh karena itu keseluruhan bagian sensor (stator dan rotor)harus diletakkan pada kemasantertutup.elebihansensorinimemilikilinearitasyangsangattinggiuntuk daerahiangkauanyangsangatluas.elemahannyaadalahmasihdiperlukanadanya kopling mekanik dengan sistem yang di sensor. Gambar 3.26. Sensor Kecepatan Cara Optik SensorkecepatandigitallainadalahmenggunakankapasitI,yaiturotordibuat daribahanmetal,bentuknyabulat.#otorberputardenganporostidaksepusatatau bergeser kepinggir sedikit. Stator dibuat dari bahan metal dipasang dengan melengkung #otor bergigi umparan Induktor agnit Permanen Elemen sensor cahaya 44 untukmemperbesarsensitivitasdarisensor.etikarotordiputarmakaakanteriadi perubahankapasitansidiantararotordanstatorkarenaputaranrotortidaksimetris. Penerapan dari sensorini teruatama iika diperlukan pemasangan sensor kecepatan yang berada dilingkungan Iluida. Gambar 3.27. Sensor Kecepatan Cara Kapasitansi. 3.3. Sensor Tekanan ( !resure Sensor ) Transduser tekanan dan gaya (load cell) terdiri dari bahan elastis dan sensor perpindahan (displacement) besaran ukur (i) strain atau (ii) displacement pengelompokan: tipe absolute gauge dan diIerensial

Gambar 3.28. Sensor tekanan diafragma. diafragma tipe datar. (b) diafragma bergelombang. (c) media kapasistansi sensor tekanan dengan diaIragma reliable, sukar dibuat, reproducible besaran ukur strain dengan strain gauge atau displacement dengan kapasitansi pengukuran dengan kapasitansi dalam rangkaian iembatan sangat sensitiI danmahal Isolator Sumbu rotor 45 Penempatan dan rangkaian sensor

rangkaian iembatan untuk kompensasi temperatur resistor sensitiI temperatur baik dalam iembatan maupun pada regulator tegangan

Gambar 3.29.Rangkaian uii sensor tekanan strain gauge. (a) rangakaian iembatan tanpa kompensator. (b) rangakaian iembatan dengan kompensator

3.3.1. Transduser Tekanan silikon memanIaatkan silikon sebagai bahan strain ukur dan diaIragmanya, rangkaian bisa terintegrasi lebih sensistiI dari metal karena strain (displacement) dan siIat piezoresistiI muncul bersamaan selalu menggunakan 4 gauge dalam iembatan, masalah yang dihadapi gauge tidak identik sangat sensitiI terhadap temperatur alternatiI solusi: eksitasi arus 46 kompensasi tegangan iembatan kompensasi penguatan ampliIier

Gambar 3.30. Straingage piezoresistif. (a) phisik peizoresistif straingage. (b)karakteristikpeizoresistifsg.(c)respontemperaturpadakonfigurasi iembatan konstruksi sensor tekanan silikon diaIragma dengan proses etsa strain gauge dengan diIusi dopan

Gambar3.31.Sensortekananienisdiafragmasilicon.(a)diafragmadatar.(b) diafragma melingkar lebih sensitif konstruksi paket sensor tekanan silikon dengan rangkaian kompensasi danpenguat (c) 47

Gambar3.32.Sensortekanansemikonduktor.(a)konstruksisensor.(b)blokdiagram rangkaian sensor 3.3.2. Sensor Tekanan Tipe Bourdon dan Bellow besaran ukur perpindahan (displacement) memanIaatkan LVT, sensor reluktansi-variabel, potensiometer konversi tekanan ke perpindahan menggunakan tabung Bourdon atau Bellows Gambar 3.33. Sensor tekanan tipe lain. (a) dan (b) tipe Bourdon. (c) dan (d) tipe bellow 48 3.3.3. Load cell cara keria mirip dengan sensor tekanan yaitu mengubah gaya meniadi perpindahan menggunakan rangkaian iembatan untuk pembacaan, kalibrasi dan kompensasi temperatur alternatiI lain menggunakan kristal piezoelektrik untuk mengukur perubahan gayakonIigurasi load cell Gambar 3.34. Beberapa Contoh Konfigurasi Load Cell SpesiIikasi Error dan Nonlinearitas pada Sensor Gambar 3.35. Respon sensor secara umum (a) Simpangan dari garis linear(b) Bentuk sinval terdefinisi 49 3.4. Sensor Aliran Fluida ( Flow Sensor ) Pengukuran aliranmulaidikenalseiak tahun 1732ketikaHenry Pitotmengatur iumlahIluidayangmengalir.alampengukuranIluidaperluditentukanbesarandan vektorkecepatanaliranpadasuatutitikdalamIluidadanbagaimanaIluidatersebut berubah dari titik ke titik.Pengukuran atau penyensoran aliran Iluida dapat digolongkan sebagai berikut: 1. Pengukuran kuantitas Pengukuraninimemberikanpetuniukyangsebandingdengankuantitastotal yang telahmengalirdalamwaktu tertentu. Fluida mengalirmelewatielemenprimer secaraberturutandalamkuantitasyangkuranglebihterisolasidengansecara bergantianmengisidanmengosongkanbeianapengukuryangdiketahui kapasitasnya.Pengukuran kuantitas diklasiIikasikan menurut : a. Pengukur gravimetri atau pengukuran berat b. Pengukur volumetri untuk cairan c. Pengukur volumetri untuk gas 2. Pengukuran laiu aliran Laiualiran"merupakanIungsiluaspipaAdankecepatanJdaricairanyang mengalir lewat pipa, yakni: " A.Jtetapidalampraktek,kecepatantidakmerata,lebihbesardipusat.Jadikecepatan terukurrata-ratadaricairanataugasdapatberbedadarikecepatanrata-rata sebenarnya. Geiala ini dapat dikoreksi sebagai berikut: " K.A.J dimanaKadalahkonstantauntukpipatertentudanmenggambarkanhubungan antara kecepatan rata-rata sebenarnya dan kecepatan terukur. Nilai konstantaini bisa didapatkan melalui eksperimen.Pengukuranlaiualirandigunakanuntukmengukurkecepatancairanataugas yangmengalirmelaluipipa.Pengukuraninidikelompokkanlagimenurutienis bahanyangdiukur,cairanataugas,danmenurutsiIat-siIatelemenprimersebagai berikut: a. Pengukuran laiu aliran untuk cairan: 1) ienis baling-baling deIleksi 50 2) ienis baling-baling rotasi 3) ienis baling-baling heliks4) ienis turbin 5) pengukur kombinasi 6) pengukur aliran magnetis 7) pengukur aliran ultrasonic 8) pengukur aliran kisaran (vorteks) 9) pengukur pusaran (swirl)b. Pengukuran laiu aliran gas 1) ienis baling-baling deIleksi 2) ienis baling-baling rotasi 3) ienis termal 3. Pengukuran metoda diIerensial tekanan Jenis pengukur aliran yang paling luas digunakan adalah pengukuran tekanan diIerensial.Padaprinsipnyabedaluaspenampangmelintangdarialirandikurangi denganyangmengakibatkannaiknyakecepatan,sehinggamenaikanpulaenergi gerakanatauenergikinetis.arenaenergitidakbisadiciptakanataudihilangkan( Hukum perpindahanenergi ), maka kenaikan energi kinetis ini diperoleh dari energi tekanan yang berubah..Lebihielasnya,apabilaIluidabergerakmelewatipenghantar(pipa)yang seragamdengankecepatan rendah,maka gerakan partikelmasing-masing umumnya seiaiardisepanianggarisdindingpipa.alaulaiualiranmeningkat,titikpuncak dicapai apabila gerakan partikel meniadi lebih acak dan kompleks.ecepatankira-kiradimanaperubahaniniteriadidinamakankecepatankritisdan aliranpada tingkatkelaiuanyanglebih tinggidinamakanturbulendanpada tingkat kelaiuan lebih rendah dinamakan laminer.ecepatan kritis dinamakaniuga angka #eynold, dituliskan tanpa dimensi: di mana : dimensi penampang arus Iluida, biasanya diameter p kerapatan Iluida V kecepatan Iluida u8J DRD

51 kecepatan absolut Iluida Batas kecepatan kritisuntuk pipa biasanya berada diantara 2000 dan 2300. Pengukuranaliranmetodainidapatdilakukandenganbanyakcaramisalnya: menggunakanpipaventuri,pipapitot,oriIiceplat (lubangsempit), turbineIlowmeter, rotameter,carathermal,menggunakanbahanradioaktiI,elektromagnetik,ultarsonic danIlowmetergyro.Caralaindapatdikembangkansendirisesuaidengankebutuhan proses.Yangdibahasdalambukuiniadalahsensorlaiualiranberdasarkanperbedaan tekanan. 3.4.1. Sensor Aliran Berdasarkan Perbedaan Tekanan etoda ini berdasarkan Hukum Bernoulli yang menyatakan hubungan : 222 212 121 211. . . . h g P h g P 8 84 8 84 dimana:P tekanan Iluida p masa ienis Iluida v kecepatan Iulida g gravitasi bumi h tinggi Iluida (elevasi) Gambar 3.36. Hukum Kontiunitas Jika h1 dan h2 dibuat sama tingginya maka 22 21221 21184 84P P atau 1 22221 21) .( P P 4 4 8 P1 P2 h2 h1 v2 v1 52 Perhatian:#umusdiatashanyaberlakuuntukaliranLaminer.yaitualiranyang memenuhi prinsip kontinuitas.Pipapitot,oriIiceplate,pipaventuridanIlowNozzlemenggunakanhukum Bernoullidiatas.Prinsipdasarnyaadalahmembentuksedikitperubahankecepatandari aliranIluidasehinggadiperolehperubahantekananyangdapatdiamati.Pengubahan kecepatan aliran Iluidadapatdilakukandenganmengubahdiameterpipa,hubunganini diperoleh dari Hukum kontiunitas aliran Iluida.Perhatikanrumusberikut: 2 2 1 1. . D A D A,dimana:Aluaspenampangpipa,B debit Iluida arenadebit IluidaberhubunganlangsungdengankecepatanIluida,makaielas kecepatan Iluida dapat diubah dengan cara mengubah diameter pipa. 3.4.1.1. Orifice Pla9e Alatukurterdiridaripipadimanadibagiandalamnyadiberipelatberlubang lebih kecil dari ukuran diameter pipa. Sensor tekanandiletakan disisi pelat bagian inlet (P1)dansatulagidibagiansisipelatbagianoutlet(P2).Jikateriadialirandariinletke outlet, maka tekanan P1 akan lebih besar dari tekanan outlet P2. euntungan utama dari OrIice plate ini adalah dari : 1. onstruksi sederhana 2. Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan. 3. Harga pembuatan alat cukup murah 4. Output cukup besar erugian menggunakan cara ini adalah : 1. Jika terdapat bagian padat dari aliran Iluida,maka padat bagian tersebut akan terkumpul pada bagian pelat disisi inlet.2.Jangkauan pengukuran sangat rendah 3.imungkinkanteriadinyaaliranTurbulensehinggamenyebabkankesalahan pengukuran iadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer. 4.TidakmemungkinkanbiladigunakanuntukmengukuraliranIluidayang bertekanan rendah.53 Gambar3.37. Orifice Plate Jumlah Iluida yang mengalir per satuan waktu ( m3/dt) adalah : di mana :Q iumlah Iluida yang mengalir ( m3/dt) konstanta pipa A2 luas penampang pipa sempit P tekanan Iluida pada pipa 1 dan 2 p masa ienis Iluida g gravitasi bumi #umus ini iuga berlaku untuk pipa venturi 3.4.1.2. Pipa Ven9uri Bentuk lain dari pengukuran aliran dengan beda tekanan adalah pipa venture. Padapipaventure,pemercepataliranIluidadilakukandengancaramembentukcorong sehinggaaliranmasihdapatdiiagaagartetaplaminar.Sensortekanapertama(P1) diletakkanpadasuduttekananpertamadansensortekanankeduadiletakkanpada bagianyangplaingmeniorokketengah.Pipaventuribiasadipergunakanuntuk mengukur aliran cairan. euntungan dari pipa venturi adalah: 1.Partikel padatan masih melewati alat ukur 2. apasitas aliran cukup besar 3. Pengukuran tekana lebih baik dibandingkan oriIice plate. Aliran Iluida P2P1 P1 ~ P2 2 1 22P PgKA "854 4. Tahan terhadapa gesakan Iluida. erugiannya adalah: 1. Ukuiran meniadi lebih besar 2. Lebih mahal dari oriIice plate 3. Beda tekanan yang ditimbulkan meniadi lebih kecil dari oriIice plate. Gambar 3.38. Pipa Jenturi 3.4.1.3. Flow Nozzle TipeFlowNozzlemenggunakansebuahcorongyangdiletakkandiantara sambunganpipasensortekananP1dibagianinletdanP2dibagianoutlet.TekananP2 lebihkecildibandingkanP1.Sensorienisinimemilikikeunggulandiabandingventure dan oriIice plate yaitu: 1. asih dapat melewatkan padatan 2. apasitas aliran cukup besar 3. udah dalam pemasangan 4. Tahan terhadap gesekan Iluida 5. Beda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa venturi 6. Hasil beda tekanan cukup baik karena aliran masih laminer Gambar 3.39. Flow Nozzle P1 P2 Aliran Fluida P1 ~ P2 P2 P1 P1 ~ P2 Aliran Iluida 55 3.4.1.4. Pipa Pi9o9 onstruksipipainiadalahberupapipabiasasedangdibagiantengahpipa diselipkanpipakecilyangdibengkokkankearahinlet.Jenispipainiiarang dipergunakandiindustrikarenadenganadanyapipakecildibagiantengahakan menyebabkanbenturanyangsangatkuatterhadapaliranIluida.Alatinihanya dipergunakan untuk mengukur aliran Iluida yang sangat lambat.

Gambar 3.40. Pipa Pitot 3.4.1.5. Ro9ame9er #otameterterdiridaritabungvertikaldenganlubanggerakdimanakedudukan pelampungdianggapverticalsesuaidenganlaiualiranmelaluitabung(Gambar3.41). Untuklaiualiranyangdiketahui,pelampungtetapstasionerkarenagayaverticaldari tekanandiIerensial,gravitasi,kekentalan,dangaya-apungakanberimbang.Jadi kemampuanmenyeimbangkandiridaripelampungyangdigantungdengankawatdan tergantung pada luas dapat ditentukan. Gaya kebawah(gravitasi dikurangi gaya apung)adalahkonstandandemikianpulagayakeatas(penurunantekanandikalikanluas pelampung) iuga harus konstan. engan mengasumsikan aliran non kompresiI, hasilnya adalah sebagai berikut:

i mana, Q laiu aliran volume C koeIisien pengosongan At luas tabung AI luas pelampung '+

'

ff fff ftt f tf tW AW WgJA A AA A C" 2| / ) | 1) (2kecil lebih iauh A A A dan C A A K " ataut f t f t2)| ) |( ); ( P1 Aliran Iluida P2 P1 ~ P2 56 VI volume pelampung WI berat ienis pelampung WII berat ienis Iluida yang mengalir Gambar 3.41. Rotameter Pelampung dapat dibuat dari berbagai bahan untuk mendapatkan beda kerapatan yangdiperlukan(WI-WII)untukmengukurcairanataugastertentu.Tabungsering dibuatdarigelasberkekuatantinggisehinggadapatdilakukanpengamatanlangsung terhadap kedudukan pelampung. 3.4.2. Cara-cara Thermal Cara-carathermalbiasanyadipergunakanuntukmengukuraliranudara. Pengukuran dengan menggunakan carathermal dapat dilakukan dengan cara-cara : Anemometer kawat panas Teknik perambatan panas Teknik penggetaran 3.4.2.1. Anemome9er Kawa9 Panas etoda ini cukup sederhana yaitu denganmenggunakan kawat yang dipanaskan olehaliranlistrik,arusyangmengalirpadakawatdibuattetapkonstanmenggunakan sumberaruskonstan.Jikaadaaliranudara,makakawatakanmendingin(sepertikita meniuplilin)denganmendinginnyakawat,makaresistansikawatmenurun.arena dipergunakansumberaruskonstan,makakitadapatmenyensorteganganpadauiung-uiungkawat. Sensorienisinimemilikisensitivitas sangatbaikuntukmenyensor aliran gas yang lambat. Namun sayangnya penginstalasian keseluruhan sensor tergolong sulit. Inlet Outlet x Tabung gelas Pelampung 57 isini berlaku rumus : di mana :I arus kawat #w resistansi kawat c Iaktor konversi, panas ke daya listrik Tw temperatur kawat Tt temperatur Iluida yang mengalir Hc koeIisien Iilm (pelapis) dari perpindahan panas A luas perpindahan panas Gambar 3.42. Kontruksi Anemometer Kawat Panas 3.4.2.2.Peramba9an Panas Padateknikperambatanpanas,pemanasdipasangpadabagianluarpipa,pipa tersebut terbuatdaribahanlogam.ikiridankananpemanas,dipasangbahanisolator panas,danpadaisolatorinidipasangsensorsuhu.Bilaudaramengalirdarikirike kanan, maka suhu disebelah kiri akan terasa lebih dingin dibanding suhu sebelah kanan. (a) tertutup(b) terbuka t w c c wT T A h K R I258 Gambar 3.43. Flowmeter Rambatan Panas SensorsuhuyangdigunakandapatberupasensorresistiItetapiyangbiasa terpasangadalahthermokopelkarenamemilikiresponsuhuyangcepat.Sensoraliran perambatanpanastipelama,memanaskanseluruhbagiandarisaluranudara,sehingga dibutuhkanpemanassampaipuluhankilowatt,untukmengurangidayapanastersebut digunakan tipe baru dengan membelokkan sebagian kecil udara kedalam sensor. 3.4.3. Flowme9er Radio Ak9if TeknikpengukuranalirandenganradioaktiIadalahdenganmenembakkan partikelnetrondarisebuahpemancarradioaktiI.Padaiaraktertentukearahoutlet, dipasangdetector.Bilateriadialiran,makaakanterdeteksiadanyapartikelradioaktiI, iumlahpartikelyangterdeteksipadaselangtertentuakansebandingdengankecepatan aliran Iluida. TekniklainyangmasihmenggunakanteknikradioaktiIadalahdengancara mencampurkan bahan radio aktiI kedalam Iluida kemudian pada bagian-bagian tertentu dipasang detector. Teknik ini dilakukan bila teriadi kesulitan mengukur misalnya karena bahan aliranterdiri dari zat yang berada pada berbagai Iase. TeknikradioaktiIiniiugabisadipergunakanpadapengobatanyaitumencariposisi pembuluh darah yang macet bagi penderita kelumpuhan. Aliran Iluida T1T2 Sensor suhuSensor suhu Elemen pemanas T1 T2 59 Gambar 3.44. Flowmeter Cara Radiasi Nuklir 3.4.4. Flowme9er lek9romagne9is Flowmeterienisinibiasadigunakanuntukmengukuralirancairanelektrolit. FlowmeterinimenggunakanprinsipEIekHall,duabuahgulungankawattembaga denganintibesidipasangpadapipaagarmembangkitkanmedanmagnetik.uabuah elektrodadipasangpadabagiandalampipadenganposisitegaklurusarusmedan magnet dan tegak lurus terhadap aliran Iluida. Bila teriadi aliran Iluida, maka ion-ion posistiI dan ion-ion negatiI membelok ke arahelektroda.engandemikianteriadibedateganganpadaelektroda-elektrodanya. Untukmenghindariadanyaelektrolisaterhadaplarutan,dapatdigunakanarusAC sebagai pembangkit medan magnet. Gambar 3.45. Prinsip Pengukuran Aliran menggunakan fek Hall

Aliran Sumber radiasi netron etektor mendeteksi muatan ion akibat radiasi Aliran Iluida Lintasan ion positiI Lintasan ion negatiI edan magnet arah meninggalkan kita Elektroda logam 60 3.4.5. Flowme9er Ul9rasonic FlowmeterinimenggunakanAzasoppler.uapasangultrasonictransduser dipasangpadaposisidiagonaldaripipa,keduanyadipasangdibagiantepidaripipa, untukmenghindarikerusakan sensordantyransmitter, permukaan sensordihalangioleh membran.PerbedaanlintasanteriadikarenaadanyaaliranIluidayangmenyebabkan pwerubahan phase pada sinyal yang diterima sensor ultrasonic Gambar 3.46. Sensor Aliran Fluida Menggunakan Ultrasonic 3.5. Sensor Level Pengukuran level dapat dilakukan dengan bermacam cara antara lain dengan: pelampungataudisplacer,gelombangudara,resistansi,kapasitiI,ultrasonic,optic, thermal, tekanan, sensor permukaan dan radiasi. Pemilihan sensor yang tepat tergantung pada situasi dan kondisi sistem yang akan di sensor. 3.5.1. Menggunakan Pelampung Carayangpalingsederhanadalampenyensorlevelcairanadalahdengan menggunakanpelampungyangdiberigagang.Pembacaandapatdilakukandengan memasangsensorposisimisalnyapo9ensiome9erpadabagianengselgagang pelampung.Carainicukupbaikditerapkanuntuktanki-tankiairyangtidakterlalu tinggi. Ultra sonic Tx - #x Ultra sonic Tx - #x 61 Gambar 3.47. Sensor Level Menggunakan Pelampung 3.5.2. Menggunakan Tekanan Untuk mengukur level cairan dapat pula dilakukan menggunakan sensor tekanan yangdipasangdibagiandasardaritabung.Carainicukuppraktis,akantetapi ketelitiannyasangat tergantungdariberatienisdansuhucairan sehinggakemungkinan kesalahan pembacaan cukup besar. SedikitmodiIikasidaricaradiatasadalahdengancaramencelupkanpipaberisi udarakedalamcairan.Tekananudaradidalamtabungdiukurmenggunakansensor tekanan,carainimemanIaatkanhukumPascal. esalahan akibatperubahanberatienis cairan dan suhu tetap tidak dapat diatasi. Gambar 3.48. Sensor Level Menggunakan Sensor Tekanan 3.5.3. Menggunakan Cara Thermal TeknikinididasarkanpadaIaktapenyerapankalorolehcairanlebihtinggi dibandingkanpenyerapankalorolehuapnya, sehinggabagianyang tercelup akanlebih h A Pelampung Gagang Potensiometer CairanSensor Tekanan Cairan dengan berat ienis diketahui dan tetap 62 dingindibandingkanbagianyangtidaktercelup.ontruksidasarsensoradalahterdiri darisebuahelemenpemanasdibentukberliku-likudansebuahpemanaslaindibentuk tetap lurus. ua buah sensor diletakkan berhadapan dengan bagian tegak dari pemanas, sebuahsensortambahanharusdiletakkanselaluberadadalamcairanyangberIungsi untukpembanding.eduasensoryangberhadapandenganpemanasdigerakkanoleh sebuah aktuator secara perlahan-lahan dengan perintah naik atau turun secara bertahap. ula-mulasensordiletakkanpadabagianpalingatas,selaniutnyasensorsuhu digerakkankebawahperlahan-lahan,setiapterdeteksiadanyaperubahansuhupada sensoryangberhadapanpadapemanasberliku,makadilakukanpenambahan pencacahanterhadappencacahelektronik.Padasaatsensoryangberhadapandengan pemanaslurusmendeteksiadanyaperubahandaripanaskedingin,makahasil pencacahan ditampilkan pada peraga. Sensor level cairan dengan cara thermal ini biasanya digunakan pada tanki-tanki boiler,karenaselainsebagaisensorlevelcairan,iugadapatdipergunakanuntuk mendeteksi gradien perubahan suhu dalam cairan. Gambar 3.49. Teknik Penvensoran Level Cairan Cara Thermal Sensor suhu pendeteksi permukaan awat pemanas pendeteksi permukaan Sensor suhu untuk pembanding Switch pendeteksi batas atas Sensor suhu pendeteksi posisi Sensor suhu digerakan turun naik awat pemanas pendeteksi posisi Level air yang disensor 63 Gambar 3.50. Blok Diagram Pengolahan dan Pendisplavan Sensor LevelMenggunakan Cara Thermal 3.5.4. Menggunakan Cara Op9ik PengukuranlevelmenggunakanopticdidasarkanatassiIatpantulanpermukaan atau pembiasan sinar dari cairan yang disensor. Ada beberapa carayang dapat digunakan untuk penyensoran menggunakan optic yaitu: 1. enggunakan sinar laser 2. enggunakan prisma 3. enggunakan Iiber optik 3.5.4.1. Menggunakan Sinar Laser Sinarlaserdari sebuahsumbersinardiarahkanke permukaancairan, kemudian pantulannyadideteksimenggunakandetectorsinarlaser.Posisipemancardandetector sinar laser harus berada pada bidang yang sama. etektor dan umber sinar laser diputar. etektordiarahkanagarselaluberadapadaposisimenerimasinar.Jikasinaryang datangditerimaolehdetektor,makalevelpermukaancairandapatdiketahuidngan menghitung posisi-posisi sudut dari sudut detektor dan sudut pemancar. Sensor permukaan Arah motor Sensor posisi Batas atas 1 -1 #eset Pencacah Ambil data dari pencacah Peraga / isplay 64 Gambar 3.51. Sensor Level menggunakan Sinar Laser 3.5.4.2. Menggunakan Prisma TeknikinimemanIaatkanhargayangberdekatanantaraindexbiasairdengan indexbiasgelas.SiIatpantulandaripermukaanprismaakanmenurunbilaprisma dicelupkankedalamair.Prismayangdigunakanadalahprismabersudut45dan90 deraiat.Sinardiarahkankeprisma,bilaprismaditempatkandiudara,sinarakan dipantulkankembalisetelahmelewatipermukaanbawahprisma.Jikaprisma ditempatkan di air, maka sinar yang dikirim tidak dipantulkan akan tetapi dibiaskan oleh air,engandemikianprismainidapatdigunakansebagaipenggantipelampung. euntungan yang diperoleh ialah dapat mereduksi ukuran sensor. Gambar 3.52. Sensor Level menggunakan Prisma 3.5.4.3. Menggunakan Fiber Op9ik Teknikinitidakiauhberbedadenganteknikpenyensoranpermukaanair menggunakan prisma, yaitu menggunakan prinsip pemantulan dan pembiasan sinar. Jika Sinar laser Penerima Pemancar #ecieverTransmitter Prisma di udara air #ecieverTransmitter Prisma di air 65 Iiberopticdiletakandiudara,sinaryangdimasukankeIiberopticdipantulkanoleh dinding Iiber optic, sedangkan bila Iiber optic telaniang dimasukan ke air, maka dinding Iiber optic tidak lagi memantulkan sinar Gambar 3.53. Sensor Level menggunakan Serat Optik Jalan sinar dalam serat optic Sinar dipantulkan oleh dinding serat optik Transmitter #eceiverTransmitter #eceiver air Fiber optic telaniang 66 ub 4 Sensor Cuhuyu Tujuan Umum Setelahselesaimempelaiaribabinimahasiswadiharapkandapatmengetahui tentangspektrumwarnagelombangelektromagnetisdanmemanIaatkannyauntuk sistem pengontrolan berbagai plant industr dengan baik Tujuan Khusus Setelahmempelaiaritopikdemitopikdalambabinimahasiswamengerti tentang : 1. arakteristik divais elektrooptis dengan baik 2. Bermacam ienis sensor cahaya dan memanIaatkannya untuk keperluan kontrol industri dengan baik. 3. #angkaian-rangakaian aplikasi sensor cahaya untuk teknik pengukuran, pengontrolan dan teknik kompensasi dengan baik.

Pendahuluan Elemen-elemensensitivecahayamerupakanalatterandalkanuntukmendeteksi energicahaya.Alatinimelebihisensitivitasmatamanusiaterhadapsemuaspectrum warna dan iuga bekeria dalam daerah-daerah ultraviolet dan inIra merah.EnergicahayabiladiolahdengancarayangtepatakandapatdimanIaatkan secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik kompensasi.PenggunaanpraktisalatsensitiIcahayaditemukandalamberbagaipemakaian teknik seperti halnya : TabungcahayaatauIototabungvakum(vaccumtvpephototubes),paling menguntungkandigunakandalampemakaianyangmemerlukanpengamatanpulsa cahayayangwaktunyasingkat,ataucahayayangdimodulasipadaIrekuensiyang relative tinggi. Tabungcahayagas(gastvpephototubes),digunakandalamindustrigambarhidup sebagai pengindra suara pada Iilm. 67 TabungcahayapengaliataupemIotodarap(multiplierphottubes),dengan kemampuanpenguatanyangsangattinggi,sangatbanyakdigunakanpada pengukuranIotoelektrikdanalat-alatkontroldaniugasebagaialatcacahkelipan (scientillation counter). Sel-selIotokonduktiI(photoconductivecell),iugadisebuttahanancahaya(photo resistor)atautahananyangbergantungcahaya(LDR-lightdependentresistor), dipakai luas dalam industri dan penerapan pengontrloan di laboratorium. Sel-selIototegangan(photovoltaticcells),adalahalatsemikonduktoruntuk mengubahenergiradiasidayalistrik.Contohyangsangatbaikadalahselmatahari (solar cell) yang digunakan dalam teknik ruang angkasa. 4.1. Divais lek9roop9is Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (E) yang memiliki spectrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum mempunyai energi, Irekuensi dan paniang gelombang yang berbeda. Hubungan spektrum optis dan energi dapat dilihat pada Iormula dan gambar berikut.Energi photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah: 2hchf Wpimana :Wp energi photon (eV) h konstanta Planck`s (6,63 x 10-34 J-s) c kecepatan cahaya, Electro agnetic (2,998 x 108 m/s) paniang gelombang (m) I Irekuensi (Hz)

Frekuensi Ioton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat elektron berpindahtingkatenerginya.Spektrumgelombangoptisdiperlihatkanpadagambar berikut, spektrum warna cahaya terdiri dari ultra violet dengan paniang gelombang 200 sampai400nanometer(nm),visibleadalahspektrumwarnacahayayangdapatdilihat oleh mata dengan paniang gelombang 400 sampai 800 nm yaitu warna violet, hiiau dan merah,sedangkanspektrumwarnainfraredmulaidari800sampai1600nmadalah warna cahaya dengan Irekuensi terpendek. 68

Gambar 4.1. Spektrum Gelombang M ensitas daya spektral cahaya adalah:

Gambar 4.2. Kurva Output Sinval Optik Sumber-sumber energi pho9on: Bahan-bahan yang dapat diiadikan sumber energi selain matahari adalah antara lain: IncandescentLampyaitulampuyangmenghasilkanenergicahayadaripiiaran Iilamentbertekanantinggi,misalnyalampumobil,lampuspotlight,lampu Ilashlight. EnergiAtom,yaitumemanIaatkanloncatanatomdarivalensienergi1kelevel energi berikutnya. Fluorescense,yaitusumbercahayayangberasaldariperpendaranbahan Iluorescence yang terkena cahaya taiam. Seperti Layar OsciloskopUltravioletVisible InIrared Photon energy, eV 2004008001600 421 Wavelength, nm Violet Green #ed 69 SinarLASE#adalahsumberenergimutakhiryangdimanIaatkanuntuksebagai cahayadengankelebihannyaantaralain:monochromatic(cahayatunggalatau membentuk garis lurus). coherent (cahaya seragam dari sumber sampai ke beban sama). dan divergence (simpangan sangat kecil yaitu 0,001 radians). 4.2. Pho9o Semikonduk9or ivais photosemikonduktormemanIaatkaneIekkuantumpada iunction,energi yangditerimaolehelektronyangmemungkinkanelektronpindahdaribanvalensike ban konduksi pada kondisi bias mundur.BahansemikonduktorsepertiGermanium(Ge)danSilikon(Si)mempunyai4 buahelectronvalensi,masing-masingelectrondalamatomsalingterikatsehingga electronvalensigenapmeniadi8untuksetiapatom,itulahsebabnyakristalsilicon memilikikonduktivitaslistrikyangrendah,karenasetiapelectronterikatolehatom-atom yang berada disekelilingnya. Untuk membentuk semikonduktor tipe P pada bahan tersebutdisisipkanpengotordariunsurgolonganIII,sehinggabahantersebutmeniadi lebih bermuatan positiI, karena teriadi kekosongan electron pada struktur kristalnya. BilasemikonduktorienisNdisinaricahaya,makaelektronyangtidakterikat padastrukturkristalakanmudahlepas.emudianbiladihubungkansemikonduktor ienisPdanienisNdankemudiandisinaricahaya,makaakanteriadibedategangan diantarakeduabahantersebut.Bedapotensialpadabahansilikonumumnyaberkisar antara 0,6 volt sampai 0,8 volt.

(a)(b) 70 (c) Gambar 4.3. Konstruksi Dioda Foto(a) iunction harus dekat permukaan (b) lensa untuk memfokuskancahava (c) rangkaian dioda foto

Ada beberapa karakteristik dioda Ioto yang perlu diketahui antara lain: Arus bergantung linier pada intensitas cahaya #espons Irekuensi bergantung pada bahan (Si 900nm, GaAs 1500nm, Ge 2000nm) igunakan sebagai sumber arus Junction capacitance turun menurut tegangan bias mundurnya Junction capacitance menentukan respons Irekuensi arus yang diperoleh 71 Gambar 4.4. Karakteristik Dioda Foto (a) intensitas cahava (b) paniang gelombang (c)reverse voltage vs arus dan (d) reverse voltage vs kapasitansi W Rangkaian pengubah arus ke 9egangan Untuk mendapatkan perubahan arus ke tegangan yang dapat dimanIaatkan maka dapatdibuatgambarrangkaiansepertiberikutyaitudenganmemasangkanresistordan op-amp ienis field effect transistor. Gambar 4.5. Rangkaian pengubah arus ke tegangan 4.3. Pho9o Transis9or Sama halnya dioda Ioto, maka transistor Ioto iuga dapat dibuat sebagai sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda Ioto dengan transistor Ioto dalam satu rangkain. arakteristik transistor Ioto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas Ioto ombinasi dioda Ioto dan transistor dalam satu chip 72 Transistor sebagai penguat arus Linieritas dan respons Irekuensi tidak sebaik dioda Ioto

Gambar 4.6. Karakteristik transistor foto. (a) sampai (d) rangkaian uii transistor foto 4.4. Sel Pho9ovol9aik EIekselphotovoltaikteriadiakibatlepasnyaelektronyangdisebabkanadanya cahayayangmengenailogam.Logam-logamyangtergolonggolongan1padasistem periodikunsur-unsursepertiLithium,Natrium,alium,danCessiumsangatmudah melepaskanelektronvalensinya.Selainkarenareaksiredoks,elektronvalensilogam-logam tersebut iuga mudah lepas oleh adanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut.iantaralogam-logamdiatasCessiumadalahlogamyangpalingmudah melepaskan elektronnya, sehingga lazim digunakan sebagai Ioto detektor. 40 30 20 10 Intensity (W/m2) 2 4 6810121416 Collector-Emitter Voltage 28 20 12 8 4 Collector Current (mA) 73 TeganganyangdihasilanolehsensorIotovoltaikadalahsebandingdengan Irekuensigelombangcahaya(sesuaikonstantaPlankEh.I).Semakinkearahwarna cahayabiru,makintinggiteganganyangdihasilkan.Tingginyaintensitaslistrikakan berpengaruh terhadap arus listrik. Bila Ioto voltaik diberi bebanmaka arus listrik dapat dihasilkanadalahtergantungdariintensitascahayayangmengenaipermukaan semikonduktor. Gambar 4.7. Pembangkitan tegangan pada Foto volatik Berikut karakteristik dari Ioto voltaik berdasarkan hubungan antara intensitas cahaya dengan arus dan tegangan yang dihasilkan. - atoda dariSelenium Anoda dariCessium Sinar datang Electron keluar dari permukaan Tegangan keluaran Tabung Hampa 74 Gambar 4.8. (a) & (b) Karakteristik Intensitas vs Arus dan Tegangan dan (c) Rangakain penguat tegangan. 4.5. Ligh9 mi99ing Diode (LD) Prinsip keria kebalikan dari dioda Ioto Warna (paniang gelombang) ditentukan oleh band-gap Intensitas cahaya hasil berbanding lurus dengan arus Non linieritas tampak pada arus rendah dan tinggi Pemanasan sendiri (self heating) menurunkan eIisiensi pada arus tinggi 75 Gambar 4.9.Karakteristik LD W Karak9eris9ik Arus Tegangan irip dengan dioda biasa Cahaya biru nampak pada tegangan 1,42,7 volt Tegangan threshold dan energi Ioton naik menurut energi band-gap Junction mengalami kerusakan pada tegangan 3 volt Gunakan resistor seri untuk membatasi arus/tegangan 4.6. Pho9osel onduktansi sebagai Iungsi intensitas cahaya masuk #esistansi berkisar dari 10W (gelap) hingga 10W (terang) Waktu respons lambat hingga 10ms Sensitivitas dan stabilitas tidak sebaik dioda Ioto Untuk ukuran besar lebih murah dari sel Iotovoltaik igunakan karena biaya murah 76 Gambar 4.10.Konstruksi dan Karakteristik Fotosel 4.7. Pho9omul9iplier emanIaatkan eIek Iotoelektrik Foton dengan nergi lebih tinggi dari workfunction melepaskan elektron dari permukaan katoda Elektron dikumpulkan (dipercepat) oleh anoda dengan tegangan (tinggi) ultiplikasi arus (elektron) diperoleh dengan dynode bertingkat atoda dibuat dari bahan semi transparan

Gambar 4.11.Konstruksi Photomultiplier 77 W Rangkaian un9uk Pho9omul9iplier Perbedaan tegangan (tinggi) tegangan katoda (negatiI) dan dynode(positiI) Beban resistor terhubung pada dynoda Common (ground) dihubungkan dengan terminal tegangan positiI catu daya #angkaian koverter arus-tegangan dapat digunakan ioda ditempatkan sebagai surge protection

Gambar 4.12.Rangkaian kivalen dan uii Photomultiplier PemanIaatan Sangat sensitiI, dapat digunakan sebagai penghitung pulsa Pada beban resistansi rendah 50-1000 W, lebar pulsa tipikal 5-50 ns Gunakan peak detektor untuk mengukur tingat energi erugian udah rusak bila terekspos pada cahaya berlebih (terlalu sensitiI) Perlu catu tegangan tinggi ahal 4.8. Lensa Dioda Pho9o Lensa dimanIaatkan untuk memIokuskan atau menyebarkan cahaya Lensa detektor cahaya sebaiknya ditempatkan dalam selonsong dengan Iilter sehingga hanya menerima cahaya pada satu arah dan paniang gelombang tertentu saia (misal menghindari cahaya lampu TL dan sinar matahari) Gunakan modulasi bila interIerensi tinggi dan tidak diperlukan sensitivitas tinggi 78 Gambar 4.13.Kontruksi dan karakteristik lensa dioda foto

4.9. Pyrome9er Op9is dan De9ek9or Radiasi Thermal Salah satu sensor radiasi elektro magnetik: Ilowmeter #adiasi dikumpulkan dengan lensa untuk diserap pada bahan penyerap radiasi Energi yang terserap menyebabkan pemanasan pada bahan yang kemudian diukurtemperaturnya menggunakan thermistor, termokopel dsb Sensitivitas dan respons waktu buruk, akurasi baik karena mudah dikalibrasi (denganpembanding panas standar dari resistor) Lensa dapat digantikan dengan cermin

Gambar 4.14.Instalasi Pvrolektrik etektor seienis: Iilm pyroelektrik ari bahan seienis piezoelektrik yang menghasilkan tegangan akibat pemanasan Hanya ber-respons pada perubahan bukan C Pirometer optik dapat diguanakanuntuk mengukur atau mendeteksi totalradiation dan monochromatic radiation. 79 4.10. Isolasi Op9is dan Transmi9er-Receiver sera9 op9ik Cahaya dari LE dan diterima oleh dioda Ioto digunakan sebagai pembawa inIormasimenggantikan arus listrik euntungan: isolasi listrik antara dua rangkaian (tegangan tembus hingga 3kV) imanIaatkan untuk safetv dan pada rangkaian berbeda ground Hubungan input-output cukup linier, respons Irekuensi hingga di atas 1 Hz Gambar 4.15.Kontruksi dan karakteristiklensa dioda foto W Rangkaian un9uk isolasi elek9rik river: konverter tegangan ke arus, receiver: konverter arus ke tegangan Hanya sinyal positiI yang ditransmisikan ioda dan resistor digunakan untuk membatasi arus Penguatan keseluruhan bergantung temperatur (tidak ada umpan balik) Untuk komunikasi dengan serat optik media antara LE dan dioda Ioto dihubungan dengan serat optik

80

Gambar 4.16.Rangkaian isolasi elektrik menggunakan serat optik 4.11. Display Digi9al dengan LD Paling umum berupa peraga 7 segmen dan peraga heksadesimal , masing-masing segmen dibuat dari LE Hubungan antar segmen tersedai dalam anoda atau katoda bersama (common anode atau common cathode) #esistor digunakan sebagai pembatas arus 100-470 W Tersedia pula dengan dekoder terintegrasi 81 Gambar 4.17.Seven segment dan rangkaian uii Gambar 4.18.LD bar displav pengganti JU meter pada amplifier W Peraga Arus dan Tegangan Tinggi Peraga 7 segmen berupa gas discharge, neon atau lampu piiar Carapenggunaanmiripdenganperaga7segmenLEtetapiteganganyang digunakan tinggi Untukneondanlampupiiardapatdigunakantransistordanresistoruntuk membatasi arusnya UntuklampupiiararuskecildiberikanpadasaatoIIuntukmengurangidaya penyalaan yang tinggi VacuumIluorecentdisplay(VF)menggunakantegangan15-35voltdiatas tegangan Iilament Untuk LE dengan arus tinggi dapat digunakan driver open collector yang umunya berupa current sink 82 Gambar 4.19.Seven segment neon menggunakan tegangan tinggi 4.12. Liquid Crys9al Display (LCD) enggunakan molekul asimetrik dalam cairan organic transparan Orientasi molekul diatur dengan medan listrik eksternal Polarizer membatasi cahaya lewat hanya untuk polarisasi optik tertentu saia, cahaya ini dapat kembali lolos setelah dipantulkan bila polarisasinya tidak berubah edanlistrikpada liquidcrvstalmengubahpolarisasi90o,sehinggapantulan tidakdapat melewati polarizer (tampak gelap). Gambar 4.20.Kontruksi Liquid Crvstal Displav (LCD) 83 Tegangan pembentuk medan listrik dibuat intermiten untuk memperpaniang umur pemakaian Gambar 4.21.Rangkaian uii Liquid Crvstal Displav (LCD) Con9oh Soal 1. Sebuah sumber gelombangmikromenghasilkan pulsa radiasi1 GHz dan total energi1Joule.Tentukanberapaenergiperphotondihasilkan,daniumlahphotondalam pulsa. Jawab: (a) Energi per photon : Wp h.I(J) Wp (6,63 x 10-34 J/s) (109/s) 6,63 x 10-25 J (b) Jumlah photon : WpWN photons xphoton J xJN242510 5 , 1/ 10 63 . 61

2.Apa yang dimaksud dengan spektrum warna yang visible. Jawab: SpektrumwarnagelombangE(cahaya)yangvisibleadalahspektrumwarnacahaya yangdapatdilihatolehmatabiasa,warnainiberadapadadaerahpanianggelombang ( 2 ) 500 nm denganenergi photon 2,48 eV. 84 3.Sebutkan beberapa buah contoh sensor cahaya yang anda ketahui Jawab: Sensorcahayaantaralain:iodaIoto,transistorIoto,Iotocell,photovolatik,photo multiplier, LE, L#, pirometer optik 4.Bagaimana merubah arus meniadi tegangan pada sensor dioda Ioto Jawab:#angkaian untuk merobah arus meniadi tegangan pada dioda Ioto adalah: 5.Apa kekurangan yang ada pada photomultiplier Jawab: erugian udah rusak bila terekspos pada cahaya berlebih (terlalu sensitiI) Perlu catu tegangan tinggi ahal xJsRRJo12

UltravioletVisible InIrared Photon energy, eV 2004008001600 421 Wavelength, nm Violet Green #ed 85