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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 2/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 3/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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’
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 4/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 5/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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 .
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 6/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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 :
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 7/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 8/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 9/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 10/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 11/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 12/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 13/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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).
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 14/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 15/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 16/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 17/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 18/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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)
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 19/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 20/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 21/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 22/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 23/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 24/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 25/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 26/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 27/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 28/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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)
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 29/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 30/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 31/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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)
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 32/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 33/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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 !
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 34/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 35/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 36/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 37/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 38/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 39/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 40/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 41/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 42/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 43/130
Modul Ajar Instrumentasi Pengukuran Listrik IV-
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 !
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 44/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
1
BAB II
SISTEM INSTRUMENTASI
Tujuan Instruksional Umum :
Selelah menyelesaikan mata kuliah diharapkan mahasiswa dapat memahami sistem
instrumentasi.
Tujuan Instruksional Khusus :
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 45/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 46/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 47/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 48/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 49/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
+
-
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 50/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 51/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 52/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
:
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 53/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 54/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 55/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 56/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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-
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 57/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 58/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 59/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 60/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 61/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 62/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 63/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 64/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 65/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 66/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 67/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 68/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 69/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 70/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 71/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 72/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 73/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 74/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 75/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 76/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 77/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 78/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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-
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 79/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 80/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 81/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 82/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 83/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 84/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 85/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 86/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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”.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 87/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
diterima oleh sistem akuisisi
(b) 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)
(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
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
TRANSDUCER PENGKONDISISINYAL
PERAGAsinyal yang
diukur
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 88/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 89/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 90/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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 !
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 91/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 92/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Instrumentasi V-
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 ?
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 93/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
1
BAB III
SISTEM AKUISISI DATA ANALOG DAN DIGITAL
Tujuan Instruksional Umum :
Selelah menyelesaikan mata kuliah diharapkan mahasiswa dapat memahami sistem akuisisi
data analog dan digital.
Tujuan Instruksional Khusus :
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 :
(a) Transducer , yaitu untuk pengubahan parameter fisis menjadi sinyal listrik yang dapat
diterima oleh sistem akuisisi
(b) Pengkondisi sinyal (signal conditioning), yaitu untuk memperkuat, memodifikasi, atau
memilih bagian tertentu dari sinyal tersebut
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 94/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 95/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 96/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 97/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 98/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 99/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 100/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 101/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 102/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 103/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 104/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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).
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 105/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 106/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 107/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 108/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 109/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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 :
(a) Transducer , yaitu untuk pengubahan parameter fisis menjadi sinyal listrik yang dapat
diterima oleh sistem akuisisi
(b) Pengkondisi sinyal (signal conditioning), yaitu untuk memperkuat, memodifikasi, atau
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 110/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 111/130
Modul Ajar Instrumentasi Sistem Akuisisi Data Analog dan Digital VI-
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 ?
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 112/130
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.
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 113/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
1
LAMPIRAN
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 114/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
2
Lampiran-1. Sistem Satuan dan Standar Pengukuran
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 115/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
3
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 116/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 117/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
5
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 118/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
6
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 119/130
Modul Ajar InstrumentasiLampiran L- 7
Lampiran-2. Spesifikasi Alat-alat Ukur Listrik
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 120/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 121/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
9
Lampiran-4. Penggunaan Alat Ukur Elektronik
Gambar AUE-1.
Multimeter Digital
Gambar AUE-2.
Osiloskop
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 122/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
10
Gambar AUE-3.
Generator Fungsi
Gambar AUE-4.
KWH meter digital
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 123/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 124/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
12
Desain Analog to Digital Converter (ADC):
Gambar AUE-8.
Analog to Digital Converter (ADC)
Desain Microcontroller:
Gambar AUE-9.
Microcontroller
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 125/130
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 126/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 127/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 128/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
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
8/20/2019 Buku II Diktat Instrumentasi_D3
http://slidepdf.com/reader/full/buku-ii-diktat-instrumentasid3 129/130
Modul Ajar Instrumentasi Lampiran L-
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