BAB I
SENSOR
1. Pendahuluan
·
Sensor
(transducer) bertujuan untuk mengubah besaran fisik menjadi sinyal elektris.
·
Besaran
yang paling banyak diukur : posisi, force, kecepatan, percepatan, tekanan,
level, flow, temperature.
2. Spesifikasi Statik
·
Ditentukan
oleh manufacturer melalui kalibrasi.
Error :
·
Definisi : perbedaan antara nilai variabel yang
sebenarnya dan nilai pengukuran variabel.
·
Seringkali
nilai sebenarnya tidak diketahui. Untuk kasus tersebut accuracy akan
menunjukkan range/bound kemungkinan dari nilai sebenarnya.
Accuracy :
·
Istilah
ini digunakan untuk menentukan error keseluruhan maksimum yang diharapkan dari
suatu alat dalam pengukuran.
·
Accuracy biasanya
diekspresikan dalam inaccuracy.
·
Beberapa
jenis accuracy terhadap :
1. Variabel yang diukur.
Misal : akurasi dalam
pengukuran suhu ialah 2oC,
berarti ada ketidak akuratan (uncertainty) sebesar 2oC pada
setiap nilai suhu yang dikur.
2. Prosentase dari pembacaan Full
Scale instrumen.
Misal : akurasi sebesar 0.5% FS pada meter
dengan 5 V Full Scale, berarti ketidakakuratan pada sebesar 0.025 volt.
3. Prosentase span (range
kemampuan pengukuran instrumen).
Misal : jika sebuah alat
mengukur 3% dari span untuk
pengukuran tekanan dengan range 20-50 psi, maka akurasinya menjadi sebesar (0.03) (50 – 20) = 0.9 psi.
Sensitivity
·
Definisi
: perubahan pada output insrtumen untuk setiap perubahan input terkecil.
·
Sensitivitas
yang tinggi sangat diinginkan karena jika perubahan output yang besar terjadi
saat dikenai input yang kecil, maka pengukuran akan semakin mudah dilakukan.
·
Misalnya,
jika sensitivitas sensor temperatur sebesar 5mV/oC berarti setiap
perubahan input 1oC akan muncul output sebesar 5 mV.
Repeatibility
·
Definisi
: pengukuran terhadap seberapa baik output yang dihasilkan ketika diberikan
input yang sama beberapa kali.
·
Repeatibility
vs Accuracy (lihat Gambar 3-3, “ICE”)
·
Persamaan
: repeatibility =
Hysteresis
·
Definisi
: perbedaan output yang terjadi antara pemberian input menaik dan pemberian
input menurun dengan besar nilai input sama. (Lihat Gambar 3-6, “Industrial
Control Engineering”)
·
Salah
satu indikator repeatability.
Linearity
·
Definisi
: hubungan antara output dan input dapat diwujudkan dalam persamaan garis
lurus.
·
Linearitas
sangat diinginkan karena segala perhitungan dapat dilakukan dengan mudah jika
sensor dapat diwujudkan dalam persamaan garis lurus. (Lihat Gambar 3-3, “ICE”).
3. Spesifikasi Dinamis
·
Menunjukkan
seberapa baik respon sensor terhadap perubahan pada inputnya secara kontinyu
dan teratur.
·
Dilakukan
dengan memberikan input step dan sinusoidal.
Input Step
·
Jika
sensor berorde satu, parameter yang diamati : rise time, time
constant, dan dead time. (Lihat Gambar 3-8 sampai 3.10, “ICE”)
o Rise Time : waktu yang diperlukan agar output
mencapai 10 – 90% dari respon penuh saat diberikan input step.
o Time Constant : waktu yang diperlukan output untuk
mencapai 63.2% dari nilai maksimal yang mungkin.
o Dead time : waktu yang diperlukan output untuk
mulai berubah.
·
Jika
sensor berorde dua, parameter yang diamati : damping coefficient, resonant
frequency, settling time, dan
percent overshoot. (Llihat
Gambar 3-11, 3-12, “ICE”)
o
Damping coeffecient dan resonant frequency
menentukan bentuk dan waktu respon sensor.
o
Settling time
adalah waktu yang diperlukan sampai terbentuk output yang diinginkan.
o
Percent Overshoot adalah besarnya lonjakan respons output dibanding kondisi stabil.
4. Pertimbangan dalam Desain
Misal : temperature transducer
1.
Identifikasi “natur” pengukuran
Tahap ini meliputi nilai
nominal dan range pengukuran temperatur, kondisi fisik lingkungan dimana
pengukuran dilakukan, kecepatan pengukuran yang diperlukan, dan lain-lain
2.
Identifikasi sinyal output yang dibutuhkan
Kebanyakan output yang
dihasilkan sebesar : arus standar 4 – 20 mA atau tegangan yang besarnya
diskalakan untuk mewakili range pengukuran temperatur. Mungkin ada kebutuhan
lain sepertai isolasi impedansi output, dan lain-lain. Dalam beberapa kasus
mungkin diperlukan digital encoding pada output.
3.
Memilih sensor yang tepat.
Berdasar langkah pertama, kita pilih
sensor yang sesuai dengan spesifikasi : range dan lingkungan. Selanjutnya,
harga dan ketersediaan sensor juga harus dipertimbangkan.
4.
Mendesain pengkondisi sinyal yang dibutuhkan.
Dengan pengkondisi sinyal, output dari
transducer akan diubah menjadi bentuk sinyal output yang kita perlukan.
5. Macam - Macam Sensor
5.1. Sensor temperatur
Resistance Temperatur Detector
·
Sensor
temperatur berdasar prinsip kenaikan resistansi logam (metal) yang sebanding
dengan kenaikan temperatur.
·
Jenis
– jenis metal : platinum (repeatable, sensitive, mahal), nikel
(kurangrepeatable, kurang sensitive, murah), dan lain-lain.
Sensitivitas
·
Dilihat
dari rasio perubahan pada tahanan dan temperatur.
·
Platinum
: 0.004/oC, nikel : 0.005/oC.
Waktu respon
·
Sekitar 0.5 sampai 5 detik atau lebih. Kelambatan respon
ini disebabkan kelambatan konduktivitas termal untuk membawa alat ke kondisi thermal
equilibrium dengan lingkungannya.
·
Besarnya time constants berbeda untuk kondisi “free
air” (respon lambat) dan kondisi “oil bath” (respon cepat).
Konstruksi
·
Berupa
gulungan/belitan sejenis kawat dari logam tertentu.
·
Ada
juga yang dilindungi oleh sheat atau protective tube yang sangat
penting untuk lingkungan yang “tidak aman”, meski hal itu menaikkanwaktu
respon.
Signal conditioning
·
Karena
perubahan resistansi terhadap perubahan temperatur sangat kecil (0.4%), RTD
biasanya digunakan dalam rangkaian jembatan. (Lihat Gambar 2.7, “PCIT”)
·
Supaya
resistansi kabel tidak berubah saat resistansi RTD berubah, perlu ditambahkan compensation
line.
Range
·
Range efektif RTD bergantung
pada jenis kawat yang digunakan sebagai elemen aktif. Untuk jenis platinum
rangenya –100oC sampai 650oC, sedang untuk jenis nikel
rangenya dari –180oC sampai 300oC.
5.2 Sensor Posisi
A.
Sensor posisi paling sederhana dengan melibatkan
perpindahan wiper pada potensiometer. Alat ini mengubah gerakan linear
atau anguler menjadi perubahan resistansi yang dapat dikonversi secara langsung
menjadi sinyal tegangan atau arus. Lihat Gambar 5.1, “PCIT”.
B.
Linear Variable Differential Transformer
(LVDT)
Prinsip kerja
·
Berdasar
prinsip variable reluctance, dimana inti yang bergerak bertujuan untuk
mengubah fluks magnetik diantara 2 gulungan kawat atau lebih. Lihat Gambar 5.8,
“PCIT”.
·
Intinya
berupa material transparan (permeable) yang dapat bergerak bebas melalui bagian
tengah dari form. Coil primer dieksitasi oleh sumber tegangan ac.
Fluks yang terbentuk oleh coil primer dihubungkan dengan 2 coil sekunder,
menginuksikan tegangan ac pada masing – masing coil.
·
Ketika
inti diletakkan di tengah, tegangan yang diinduksikan coil primer besarnya
sama. Jika inti bergerak ke salah satu sisi, tegangan ac yang lebih besar akan
diinduksikan ke coil yang dekat, sedangkan coil yang lain menerima induksi
tegangan ac lebih kecil. Selain itu, juga terjadi perubahan fase tegangan yang
berhubungan dengan arah gerakan inti.
·
Jika
2 coil sekuder dihubungkan secara seri, maka 2 tegangan akan dikurangkan,
sehingga terbentuk selisih tegangan.
Signal Conditioning
·
Terdiri
dari rangkaian pendeteksi fasa dari selisih tegangan coil sekunder.
·
Output
berupa tegangan DC yang amplitudonya berhubungan dengan seberapa jauh
perpindahan inti dan polaritasnya menunjukkan arah gerakan inti.
5.3 Sensor Strain
A. Metal Strain Gauges (SGs)
Prinsip kerja
·
Strain : hasil pemberian gaya atau tekanan pada benda
padat/solid.
·
Sensor
ini bekerja berdasar perubahan resistansi logam yang disebabkan logam tersebut
berubah panjangnya.
o
Dimana : R = perubahan resistansi l = perubahan panjang
R0 = resistansi mula-mula l0
= panjang mula-mula
Instalasi
·
Cara
memasang SG ini dilakukan dengan melekatkan kabel logam atau foil pada elemen
yang akan diukur strainnya. Kemudian saat elemen tersebut ditekan dan
berubah bentuk, maka SG juga akan berubah bentuk dan menghasilkan perubahan resistansi.
·
Spesifikasi
SG diindikasikan oleh Gauge Factor
o
GF
=
Dimana : = perubahan kecil pada resistansi gauge karena strain.
Strain = = perubahan kecil pada
Konstruksi
·
Berupa
logam tipis yang dilekati elemen kabel atau foil.
·
Umumnya
unidirectional, hanya memberi respon di salah satu arah saja.
Signal Conditioning
·
Menggunakan
rangkaian jembatan karena perubahan resistansi yang kecil dan adanya efek
temperatur
Sumber :
“Process Control Instrumentation
Technology”, Curtis D. Johnson
“Industrial Control Engineering”, J.
Michael Jacob