Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik

Universitas Mercu Buana

Garis-garis Besar Program Pengajaran

Nama Mata Kuliah : Sistem Insrumentasi Elektronika

Semester :

Jumlah Kredit : 2

Jumlah Pertemuan/ minggu : 1 kali (@ 100 menit)

Status mata kuliah : Wajib

Pra/Kosyarat : Praktikum Elka Analog, Sistem Mikroprosesor

Buku acuan/Rujukan :

1. Wobschall, Darold; Circuit Design for Electronic Instrumentation; McGraw-Hill 1987

2. Pallas-Areny, Ramon; Webster, John G; Signal and Sensor Conditioning; John Willey & Sons; 1991

3. Couhlin, Robert F; Driscoll, Frederick F.; Operational Amplifiers & Linear Integrated Circuits; 4th ed;

Prentice Hall, 1991

4. Tompkins, Willis J; Webster, John G; Interfacing sensors to IBM PC; Prentice Hall, 1992

5. Barney , George; Intelligent Instrumentation, Prentice Hall, 1988

6. Austerlitz, Howard; Data Acquizition Techniques Using Personal Computer; Academic Press, Inc; 1991

7. Sumber-sumber lain dari internet

1. KONSEP DASAR PENGUKURAN

1.1. Pengenalan

• Manusia menggunakan indra untuk menerima informasi dari dunia luar :

• Mata : cahaya, warna, bentuk, ukuran

• Telinga : nada, keras/lemah suara

• Peraba : kekasaran, kehalusan

• Hidung : bau

• Lidah : rasa manis, asin, pahit, asam, pedas

• Gerakan : naik, turun, berputar, ke depan, ke belakang, getaran

• Seorang engineer seringkali melakukan eksperimen/percobaan

• Pada saat merancang eksperimen engineer harus mampu menentukan variabel fisik

yang diteliti dan kegunaannya pada proses analisis

• Untuk merancang instrumen percobaan engineer harus mempunyai pengetahuan

mengenai prinsip kerja dan karakteristik berbagai macam peranti instrumen

• Untuk menganalisa data engineer harus mengetahui prinsip fisika proses yang

diteliti dan mengetahui keterbatasan data.

1.2. Pengukuran

Pengukuran adalah proses untuk menentuan nilai suatu besaran dibandingkan dengan standar

tertentu . Cara pengukuran merupakan bidang yang sangat luas dipandang dari ilmu pengetahuan

dan teknik, meliputi masalah deteksi, pengolahan, pengaturan dan analisa data. Besaran yang

diukur atau dicatat oleh suatu instrumen termasuk besaran-besaran fisika, kimia, mekanik, Iistrik,

maknit, optik dan akustik. Parameter besaran-besaran tadi merupakan bahan kegiatan yang penting

dalam tiap cabang penelitian ilmu dan proses industri yang berhubungan dengan sistem pengaturan

proses, instrumentasi proses dan pula reduksi data. Kemajuan-kemajuan elektronika, fisika dan

ilmu bahan telah menghasilkan kemajuan banyak alat pengukur presisi dan canggih yang

digunakan dalam berbagai bidang seperti kedirgantaraan, ilmu dan teknologi, kelautan dan

industri. Pengukuran memberikan arti pada kita untuk menjelaskan gejala alarn dalam besaran

kuantitatif. Mengukur berarti mendapatkan sesuatu yang dinyatakan dengan bilangan. Informasi

yang bersifat kuantitatif dari sebuah pekerjaan penelitian merupakan alat pengukur dan pengatur

suatu sifat dengan tepat. Keandalan sebuah pengaturan sangat bergantung pada keandalan

pengukuran. Berbagai macam instrumen telah mulai dikembangkan sejak tahun 1930 karena

masuknya elektronika dan fisika terdapat instrumen listrik yang dapat diandalkan untuk

pengukuran yang kontinu dan dapat merekam banyak parameter. Berbagai variabel yang perlu

dalam pengukuran telah diperluas, teknik dan metoda lama didasarkan pada gejala fisika dan kimia

yang baru diketemukan juga dikembangkan. Dalam empat dekade ini teknik pengukuran telah

disempurnakan untuk memenuhi keperluan yang tepat bagi para ahli dan ilmuwan.

1.3. Standar

• Standar digunakan sebagai dasar yang konsisten untuk membandingkan hasil pengukuran

• Contoh :

• 1 meter = waktu yang ditempuh 1/299.792.485 kecepatan cahaya selama 1 detik

• 1 detik = durasi waktu 9.192.631.770 kali waktu getar atom cesium 133

1.4. Dimensi dan Satuan

• Dimensi adalah variabel fisik yang menunjukkan karakteristik sistem

• Satuan adalah kuantitas tertentu yang berhubungan dengan dimensi

• Misal :

• Tinggi badan Budi = 1,75 m

• Tinggi = dimensi ; meter = satuan

1.5. Sistem Pengukuran

Gambar 1.1 Konsep Pengukuran

Gambar 1.2. Sistem Pengukuran

1. Sistem Pengindera

• Kontak (tidak harus bersentuhan) dengan sistem fisik yang diukur

• Mendeteksi variabel fisik dan melakukan transformasi mekanik/elektrik pada sinyal

menjadi bentuk sinyal yang lebih mudah diproses

2. Elemen Antara

• Melakukan proses modifikasi sinyal output elemen pengindera

• Misal : amplifikasi, filtering, linearisasi

• Dibahas lebih lanjut pada bagian Pengkondisi Sinyal

3. Elemen Akhir

• Kontroler

• Rekorder

• Indikator

• Display

Contoh Sistem Pengukuran

2. Sensor

• Sensor adalah suatu elemen pada sistem pengukuran yang menerima sinyal masukan

berupa parameter/besaran fisik dan mengubahnya menjadi sinyal/besaran lain yang dapat

untuk diproses lebih lanjut untuk nantinya dapat ditampilkan, direkam, ataupun sebagai

sinyal umpan pada sistem kendali.

• Besaran fisik

• Gaya

• Torsi

• Perpindahan

• Kecepatan

• Percepatan

• Temperatur

• Tekanan

• Kapasitas

• Resistansi

Dll

• Sinyal output sensor

• Perpindahan

• Tegangan

• Arus

• Frekuensi

2.1. Karakteristik Sensor

Karakteristik Statis : karakteristik sensor pada saat kondisi kondisi tunak/steady state

(output sudah stabil).

Karakteristik Dinamik : perilaku respons sensor dalam rentang waktu antara terjadinya

perubahan nilai pada besaran yang diukur sampai kondisi tunak.

2.2. Fungsi Transfer

Fungsi transfer adalah persamaan yang menunjukkan hubungan antara sinyal input sensor

berupa besaran fisik dan sinyal output sensor berupa sinyal elektrik.

Seringkali

Digambarkan pada suatu diagram.

Berasal dari data kalibrasi

Sulit untuk dideskripsikan secara matematis

Hanya menjelaskan sebagian dari rentang pengukuran

2.3. Beberapa Karakteristik Dari Fungsi Transfer

Saturasi/saturation

Sensitivitas/sensitivity

Rentang dan jarak pengukuran/range and span

Histerisis/hysteresis

Offset

Deadband

2.3.1 Saturasi

Saturasi adalah karakteristik sensor saat tidak lagi merespon input.

Biasanya pada atau mendekati ujung rentang pengukuran.

Sensitifitas kecil/tidak ada.

2.3.2. Sensitivitas

Sensitivitas (sensitivity) berkaitan dengan kepekaan suatu sensor menerima perubahan

input dan mengubahnya menjadi perubahan output.

Sensitivitas ditunjukkan dengan perbandingan/rasio antara perubahan output dibandingkan

perubahan input.

Sebagai contoh suatu transduser termal dikatakan sangat sensitif (mempunyai sensitivitas

tinggi) jika perubahan temperatur yang kecil menghasilkan perubahan tegangan yang

besar.

2.3.3. Rentang dan Jarak Pengukuran

Rentang (range) adalah nilai terendah dan tertinggi yang dapat diukur suatu sensor

Jarak (span) adalah selisih antara nilai terendah dan tertinggi yang dapat diukur sensor

2.3.4. Histerisis

Histerisis adalah penyimpangan output sensor pada nilai input tertentu jika dilakukan

pengukuran naik dan turun.

Disebabkan oleh :

Sifat sistem mekanik dan elektrik

Magnetisasi

Sifat termal

2.3.5. Offset

Nilai output tertentu pada saat tidak ada input yang diberikan (nilai input nol).

Offset berkaitan dengan set up sensor disebut sebagai bias.

2.3.5. Deadband

Ketiadaan respons dari suatu sensor pada rentang pengukuran tertentu

Pada rentang tersebut nilai output konstan

2.3.6. Linearitas dan Ketidaklinearan

Linearitas (linearity) menunjukkan seberapa dekat output suatu sensor dibandingkan

dengan fungsi transfer linear pada rentang dinamik tertentu.

Ketidaklinearan (nonlinearity) adalah penyimpangan maksimal nilai output terhadap garis

lurus pada grafik yang menunjukkan fungsi transfer yang ideal (linear).

2.3.7. Akurasi

Akurasi (accuracy) menunjukkan seberapa dekat hasil pembacaan output dari suatu sensor

dibandingkan dengan input besaran yang diukur sebenarnya.

Ditunjukkan dengan error atau ketidakpastian

2.3.8. Ketidakpastian

Ketidakpastian (uncertainty) menunjukkan error/selisih terbesar yang diperkirakan terdapat

di antara sinyal output ideal dengan sinyal output aktual.

Seringkali ditampilkan sebagai fraksi ouput skala penuh (FSO = Full Scale Output)

ataupun fraksi hasil pembacaan pengukuran

2.3.9. Error

Error : selisih antara sinyal output ideal dengan sinyal output aktual

Besarnya error selalu tidak pasti

Sumber error

materials used

calibration errors

noise

dan lain lain

2.3.10. Presisi

Presisi adalah karakteristik sensor yang berkaitan dengan tingkat penyebaran hasil

pengukuran

Ditunjukkan dengan keterulangan

2.3.11. Keterulangan

Keterulangan (repeatability/reproducibility) menunjukkan seberapa dekat nilai pembacaan

output dari suatu sensor untuk pengulangan pengukuran besaran input dengan kondisi yang

sama.

Repeatability untuk waktu pengukuran yang berdekatan/berurutan.

3. Transduser

• Transduser adalah peranti yang mengubah suatu sinyal/besaran menjadi sinyal/besaran lain

• Jenis transduser

• Transduser input : sensor

• Transduser output : aktuator

Contoh

• Suatu termokopel dapat merespon perubahan temperatur (energi termal) dan memberikan

output berupa perubahan tegangan (energi elektrik) secara proporsional

• Termokopel termasuk sensor dan transduser (elektrik)

Transduser Elektrik

• Transduser elektrik adalah peranti yang mengubah suatu sinyal/besaran menjadi

sinyal/besaran elektrik

• Jenis besaran elektrik :

• Tegangan, arus, resistansi, kapasitansi, induktansi

• Besaran elektrik dapat berupa

• Sinyal analog, sinyal digital, frekuensi, panjang pulsa

Klasifikasi Sensor

• Kebutuhan catu daya

• Pasif

• Aktif

• Sinyal keluaran

• Analog

• Digital

• Mode operasi

• Defleksi

• Mode nol

• Hubungan dinamik input/output

• Orde 0

• Orde 1

• Orde 2