A. Transducer temperatur
Terdapat dua kategori transducer temperatur semikonduktor, yaitu
transducer yang menghasilkan tegangan tertentu sesuai dengan perubahan
suhu dan transducer yang menghasilkan arus tertentu. sesuai dengan
perubahan suhu.
Contoh sumber tegangan yang sensitif terhadap suhu adalah IC LM 35
produk dari Nasional. Rangkaian ditunjukkan pada gambar 2.15.
Tegangan yang dihasilkan oleh LM 35 pada berbagai suhu adalah sebagai berikut:
+1500 mV pada suhu 150
o C,
+2500 mV pada suhu 25
0C, dan
-550 mV pada suhu -55
0 C
R
1 =
Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/
0C. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, transducer mampu bekerja pada rentang suhu -55
0 C sampai 150
0 C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 volt pada suhu 0
0 C dan ketelitian dari transducer ini adalah ± 1
0 C.
B. Transducer Gaya, Beban, dan Torsi
Strain gage adalah salah satu transducer yang banyak dipakai untuk
mendeteksi dan mengukur gaya, beban, torsi, dan tegangan. Prinsip
kerjanya adalah mengubah gaya mekanik menjadi besaran resistansi yang
sebanding.
Piranti ini dibuat dari kawat tahanan tipis berdiameter sekitar 1 mm.
Kawat tahanan yang biasa digunakan adalah campuran dari bahan
“konstantan” (60% Cu dan 40% Ni) atau logam campuran “479″ terdiri dari
92% Pt dan 8% Wo.
Kawat tahanan ini dilekatkan pada papan penyangga membentuk strain
gage dengan kawat berliku-liku atau bengkok-bengkok yang dikenal dengan
bonded strain gage.
Bentuk kawat yang berliku-liku dimaksudkan untuk memudahkan
pendeteksian terhadap gaya tekanan yang tegak lurus dengan arah panjang
lipatan, karena, tekanan akan menarik kabel sehingga meregang. Hal ini
menyebabkan perubahan resistansi pada kawat.
Selain bonded strain gage juga terdapat tipe yang lain yaitu unhonded
strain gage, yaitu strain gage yang dibentuk oleh kawat yang dilekatkan
pada sebuah rangka terpola agar terbentuk strain gage dengan kawat
tahanan yang terpasang lurus dan simetris. Jika papan atau rangka
mendapat tekanan dari luar, maka resistansinya akan bertambah sebesar DR
dan panjangnya berubah sebesar DL.
Karakteristik sebuah strain gage ditentukan oleh sensitivitas (S)
atau gage factor (GF). Sensitivitas didefinisikan sebagai perbandingan
antara perubahan nilai tahanan dan perubahan panjang, ditentukan dengan
rumus berikut:
S = GF =
Keterangan
S = GF = sensitivitas atau gagefactor
R = resistansi kawat (awal)
DR = perubahan nilai resistansi kawat
L = panjang kawat (awal)
DL = perubahan panjang kawat.
Perubahan panjang kawat (DL/L) adalah regangan pada kawat tahanan
atau dikenal dengan s (sigma), sehingga persarnaan di atas menjadi:
S =
Perubahan nilai resistansi R dari kawat tahanan yang panjangnya L dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
R = r
Nilai resistansi dari kawat tahanan setelah mengalami tekanan luar
yang menyebabkan pertambahan panjang (DL) dan berkurangnya diameter (Dd)
adalah:
R
1 =
Persamaan di atas dapat disederhanakan berdasarkan ratio dari Poison
(m) yang didefinisikan sebagai perbandingan antara pengurangan diameter
dan pertambahan panjang, yaitu:
m =
Substitusi dari kedua persarnaan di atas, adalah:
R
s =
disederhanakan menjadi:
R
s = R + DR = R [1+(1+2m)DL/L]
Perbandingan pertambahan nilai resistansi DR dengan pertambahan
panjang L tersebut adalah merupakan sensitivitas atau gage factor,
yaitu:
S = = 1 +2m
Besarnya ratio (Poisons ratio) bahan logam, umumnya berkisar antara
0,25 – 0,35, sedangkan sensitivitas (s) atau gage factor berkisar antara
1,50-1,70. Kawat tahanan konstantan mempunyai sensitivitas = 2,
sedangkan logam campuran “Alloy 479″ sensitivitasnya adalah 4.
Strain gage dari bahan semikonduktor silikon dan germanium memiliki
sensitivitas yang jauh lebih tinggi, yaitu antara 50 hingga 200.
Kelemahan strain gage ini dalam pemakaiannya harus dilengkapi dengan
kompensator suhu.
Berdasarkan konstruksi fisik, strain gage dikelompokkan ke dalam
beberapa tipe. Tipe-tipe tersebut antara lain: tipe bentangan kawat
lurus (unbonded strain gage) dan kawat yang dibengkok (honded strain
gage), dua elemen, tiga elemen, bentuk star atau delta, ditunjukkan pada
gambar berikut:
C. Transducer Perubahan Posisi
Jenis transducer yang banyak digunakan untuk mendeteksi perubahaan
posisi adalah Linear Paralel Differential Transformer (LVDT). Transducer
ini bekerja berdasarkan prinsip kerja transformator.
LVDT terdiri dari sebuah kumparan primer (P) dan dua buah kumparan sekunder (S
1 dan S
2), Perhatikan gambar 2.17.
Bila tegangan AC mengalir pada kumparan primer (P), maka akan muncul tegangan induksi di kedua kumparan sekunder (S
1 dan S
2).
Dalam rangkaian, kumparan sekunder dihubungkan secara seri berlawanan
fase sehingga tegangan pada kedua kumparan saling berlawanan fase.
Pada posisi normal, inti feromagnetik berada di tengah-tengah antara
dua kumparan sekunder. Pada posisi ini tegangan emf di kedua kumparan
sekunder (S
1 dan S
2). sama tetapi berkebalikan antara satu dengan yang lain.
Dengan demikian, jumlah tegangan keluarannya sama dengan 0 volt, posisi ini disebut sebagai null position.
Polaritas tegangan keluaran yang dihasilkan LVDT ditentukan oleh arah
gerakan inti. Sebagai contoh, bila inti pada gambar rangkaian 2.17
bergerak ke bawah, kumparan S
2, besar tegangan induksi lebih besar daripada S
1,.
Besar tegangan induksi ditentukan oleh seberapa jauh inti bergerak.
Langkah perubahan posisi ini pada umuumnya antara 0,1 mm sampai dengan
75 mm.
Untuk mengubah tegangan keluaran S
1 dan S
2 pada gambar 2.17 menjadi tegangan DC, gambar rangkaiannya ditunjukkan dengan gambar 2.18.
D. Transducer Tekanan
Transducer tekanan digunakan untuk mengukur dan mengendalikan
tekanan, seperti tekanan cairan atau gas. Untuk mengubah tekanan menjadi
perubahan posisi diperlukan sebuah kantong atau diapragma, ditunjukkan
pada gambar 2.20.
Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti
kumparan sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada
kumparan. Kumparan yang digunakan adalah kumparan CT (Center Tap),
dengan demikian apabila inti mengalami pergeseran maka induktansi pada
salah satu kumparan bertambah sementara induktansi pada kumparan yang
lain berkurang. Signal Converter mengubah induktansi magnetik yang
timbul pada kumparan menjadi tegangan yang sebanding.
Salah satu pemanfaatan dari penerapan transducer ini adalah untuk
mengukur tinggi suatu cairan. Piranti ini digunakan untuk mengukur baik
tekanan statis ataupun perbedaan tekanan.
Untuk mengukur tekanan statis atau tinggi suatu cairan dapat ditentukan menggunakan rumus sebagai berikut:
P= d. g. h
Keterangan:
P = tekanan statis (pascal)
d = kepadatan cairan (kg/m
3)
g = konstanta gravitasi (9,81 m/s
2)
h = tinggi cairan (m)
E. Transducer Kapasitif
Kapasitas sebuah kapasitor dapat ditentukan oleh perubahan jarak
antara konduktor, tipe dielektrik atau luas penampang konduktor. Sebuah
transducer kapasitif adalah variabel kapasitor yang kapasitansinya
berubah karena kondisi fisik misalnya tinggi cairan, jenis cairan kimia,
tekanan, dan ketebalan atau vibrasi.
Hubungannya dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut.
C =
Keterangan:
A = luas penampang konduktor (m
2)
d = jarak antarkonduktor (m)
e
0 = permitivitas ruang hampa (8,85 x 10
-2 F/m)
k = konstanta. dielektrikurn
Perubahan salah satu dari 3 faktor tersebut menghasilkan perubahan
kapasitansi. Gambar 2.22. menunjukkan sensor kapasitif di mana
kapasitansi sebanding dengan jarak antara alat diafragma dengan plat
statis sebagai akibat tekanan eksternal. Perubahan kapasitansi dapat
diukur dengan sebuah rangkaian jembatan atau rangkaian oscilator.
Bila digunakan pada rangkaian osilator, perubahan kapasitas
menghasilkan perabahan frekuensi oscilator sebanding dengan perubahan
tekanan pada alat diafragma.
F. Transducer Kelembaban
Lembap berarti kondisi yang terdiri dari udara dan uap air. Tingkat
kelembapan ditentukan oleh perbandingan antara persentase uap air di
udara.
Hygrometer adalah transducer yang menghasilkan sinyal keluaran berdasarkan pada tingkat kelembapan.
Transducer kelembapan umumnya diklasifikasikan sebagai hygrometer
atau psychrometer. Tiga tipe hygrometer yang banyak dipakai adalah
- tipe rambut,
- resistif dan
- optik.
Hygrometer optik mengukur berdasarkan berkurangnya intensitas sinar
di atmosfer pada suatu waktu. tertentu. Gambar 2.24. menunjukkan sebuah
contoh hygrometer resistif, terdiri dari elektroda logam yang terbungkus
bahan plastik dan ditutup dengan lithium chloride yang sensitif
terhadap kelembapan.
Bila kelembapan udara di sekitar hygrometer bertambah, film lithium
chloride menyerap air lebih banyak menyebabkan resistansi elektrode
berkurang. Pada kelembapan relatif 10%, resistansi turun menjadi sekitar
75 W.
Beberapa proses industri memerlukan tingkat kelembapan udara yang
terkendali. Contoh seperti pada ruang pengeringan, ruang penyimpanan
atau ruang proses. Bila kelembapan udara mencapal 100%, untuk mengurangi
prosentase kelembapan dilakukan dengan cara mcnaikkan suhu ruangan.
Sebaliknya bila persentase kelembapan terlalu rendah, dapat dinaikkan
dengan cara menurunkan suhu ruangan.
Jenis sensor kelembapan yang lain adalah psychrometer, yaitu piranti
yang menggunakan dua buah sensor suhu dan dua buah “bulb”, ditampilkan
pada gambar 2.25.
Prinsip kerjanya berdasarkan perbedaan pembacaan suhu pada kedua
sensor. Tegangan keluaran bervariasi sesuai dengan perbedaan suhu antara
dry bulb (tabung kering) dan wet bulb (tabung basah).
G. Transducer Elektromagnet
Piranti sensor Hall Effect (Efek Hall) menghasilkan tegangan keluaran
yang ditimbulkan karena medan magnet. Sensor Hall Effect pertama kali
ditemukan pada th. 1879 oleh Edward H. Hall.
Prinsip kerja sensor Hall Effect adalah sebagai berikut. Bila sebuah
magnet diletakkan tegak lurus terhadap sepasang keping konduktor, maka
tegangan akan muncul pada sisi yang berlawanan dengan konduktor.
Tegangan yang muncul ini disebut tegangan Hall. Besar tegangan Hall
sebanding dengan arus dan kuat medan magnet. Dengan dernikian Efek Hall
dapat digunakan untuk mengukur kuat medan magnet.
Transducer Efek Hall menggunakan sebuah keping semikonduktor,
ditunjukkan pada gambar 2.26. Bila arus mengalir melalui bahan semi
konduktor, tegangan emf ialah dihasilkan di antara sisi yang lain pada
keping sernikonduktor tersebut
Kernudian jika terdapat hubungan magnet melalui keping
sernikonduktor, akan dihasilkan tegangan yang sebanding dengan besar
arus dan kuat medan magnet. Bila arah medan magnet melewati bahan
semikonduktor pada sisi kanan semikonduktor menyebabkan elektron
bergerak menyebar ke pusat keping. Perubahan gerak elektron menimbulkan
tegangan Hall, umumnya sebesar 10 milivolt.
Penerapan sensor Efek hall di industri biasanya digunakan untuk
mengukur kecepatan putar objek yang bcrgerak misalnya ‘conveyor belt’.
(Gambar 2.27). Permanen magnet dipasang pada bagian yang berputar
sedangkan keping semikonduktor dipasang pada stator.
Setiap kali medan magnet melewati sensor, dihasilkan pulsa pada
keluaran keping semikonduktor yang dihubungkan ke sebuah counter yang
menghitung berapa kecepatan putar conveyor belt tersebut.
Transducer Photo
Piranti photolistrik digunakan untuk menghitung, mengukur dan fungsi
pengendali lain, yang banyak diterapkan pada proses industri. Piranti
photolistrik ini dikategorikan pada dua golongan, yaitu piranti yang
memancarkan sinar dan piranti yang menerima sinar.
Contoh yang memancarkan sinar seperti LED (Light Emitting Devices) dan yang menerima sinar seperti photovoltaic cell.
1. Transducer Photovoltaic (Solar Cell Photocell)
Transducerphotovoltaic menghasilkan tegangan keluaran yang besarnya
sebanding dengan intensitas cahaya. Sebuah sell photovoltaic atau
photocell, akan menghasilkan emf (tegangan) bila mendapat sinar. Bahan
pembuatan photovoltaik adalah silicon, cadmium sullphide, gallium
arsenide, dan selenium.
Photocell dari bahan silikon mempunyai bentuk yang sangat kecil
tetapi mempunyai kepekaan yang sangat tinggi. Prinsip photocell sama
seperti piranti semikonduktor lainnya, bila pasangan lubang elektron
terbentuk maka akan mengalir arus elektron melalui pertemuan pn.
Depletion Layer adalah pertemuan antara substrat tipe P dan substrat
tipe N. Bila cahaya jatuh pada photocell; depletion layer akan berkurang
dan elektron berpindah melalui hubungan “pn”. Besarnya arus yang
mengalir sebanding dengan perpindahan elektron yang ditentukan
intensitas cahayanya.
Intensitas sinar diukur dalam foot-candle yang berubah secara
logaritmik. Contoh: tegangan yang dihasilkan photocell pada intensitas
cahaya sebesar 10 foot candles sebesar 0, 1 volt, dan pada intensitas
cahaya 100 foot candles tegangan keluarannya ± 0,2 V Karena tegangan
keluaran photocell kecil maka perlu dikuatkan dengan penguat tegangan.
Gambar 2.29. menunjukkan rangkaian dasar penguatan tegangan.
A. Transducer temperatur
Terdapat dua kategori transducer temperatur semikonduktor, yaitu
transducer yang menghasilkan tegangan tertentu sesuai dengan perubahan
suhu dan transducer yang menghasilkan arus tertentu. sesuai dengan
perubahan suhu.
Contoh sumber tegangan yang sensitif terhadap suhu adalah IC LM 35
produk dari Nasional. Rangkaian ditunjukkan pada gambar 2.15.
Tegangan yang dihasilkan oleh LM 35 pada berbagai suhu adalah sebagai berikut:
+1500 mV pada suhu 150
o C,
+2500 mV pada suhu 25
0C, dan
-550 mV pada suhu -55
0 C
R
1 =
Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/
0C. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, transducer mampu bekerja pada rentang suhu -55
0 C sampai 150
0 C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 volt pada suhu 0
0 C dan ketelitian dari transducer ini adalah ± 1
0 C.
B. Transducer Gaya, Beban, dan Torsi
Strain gage adalah salah satu transducer yang banyak dipakai untuk
mendeteksi dan mengukur gaya, beban, torsi, dan tegangan. Prinsip
kerjanya adalah mengubah gaya mekanik menjadi besaran resistansi yang
sebanding.
Piranti ini dibuat dari kawat tahanan tipis berdiameter sekitar 1 mm.
Kawat tahanan yang biasa digunakan adalah campuran dari bahan
“konstantan” (60% Cu dan 40% Ni) atau logam campuran “479″ terdiri dari
92% Pt dan 8% Wo.
Kawat tahanan ini dilekatkan pada papan penyangga membentuk strain
gage dengan kawat berliku-liku atau bengkok-bengkok yang dikenal dengan
bonded strain gage.
Bentuk kawat yang berliku-liku dimaksudkan untuk memudahkan
pendeteksian terhadap gaya tekanan yang tegak lurus dengan arah panjang
lipatan, karena, tekanan akan menarik kabel sehingga meregang. Hal ini
menyebabkan perubahan resistansi pada kawat.
Selain bonded strain gage juga terdapat tipe yang lain yaitu unhonded
strain gage, yaitu strain gage yang dibentuk oleh kawat yang dilekatkan
pada sebuah rangka terpola agar terbentuk strain gage dengan kawat
tahanan yang terpasang lurus dan simetris. Jika papan atau rangka
mendapat tekanan dari luar, maka resistansinya akan bertambah sebesar DR
dan panjangnya berubah sebesar DL.
Karakteristik sebuah strain gage ditentukan oleh sensitivitas (S)
atau gage factor (GF). Sensitivitas didefinisikan sebagai perbandingan
antara perubahan nilai tahanan dan perubahan panjang, ditentukan dengan
rumus berikut:
S = GF =
Keterangan
S = GF = sensitivitas atau gagefactor
R = resistansi kawat (awal)
DR = perubahan nilai resistansi kawat
L = panjang kawat (awal)
DL = perubahan panjang kawat.
Perubahan panjang kawat (DL/L) adalah regangan pada kawat tahanan
atau dikenal dengan s (sigma), sehingga persarnaan di atas menjadi:
S =
Perubahan nilai resistansi R dari kawat tahanan yang panjangnya L dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
R = r
Nilai resistansi dari kawat tahanan setelah mengalami tekanan luar
yang menyebabkan pertambahan panjang (DL) dan berkurangnya diameter (Dd)
adalah:
R
1 =
Persamaan di atas dapat disederhanakan berdasarkan ratio dari Poison
(m) yang didefinisikan sebagai perbandingan antara pengurangan diameter
dan pertambahan panjang, yaitu:
m =
Substitusi dari kedua persarnaan di atas, adalah:
R
s =
disederhanakan menjadi:
R
s = R + DR = R [1+(1+2m)DL/L]
Perbandingan pertambahan nilai resistansi DR dengan pertambahan
panjang L tersebut adalah merupakan sensitivitas atau gage factor,
yaitu:
S = = 1 +2m
Besarnya ratio (Poisons ratio) bahan logam, umumnya berkisar antara
0,25 – 0,35, sedangkan sensitivitas (s) atau gage factor berkisar antara
1,50-1,70. Kawat tahanan konstantan mempunyai sensitivitas = 2,
sedangkan logam campuran “Alloy 479″ sensitivitasnya adalah 4.
Strain gage dari bahan semikonduktor silikon dan germanium memiliki
sensitivitas yang jauh lebih tinggi, yaitu antara 50 hingga 200.
Kelemahan strain gage ini dalam pemakaiannya harus dilengkapi dengan
kompensator suhu.
Berdasarkan konstruksi fisik, strain gage dikelompokkan ke dalam
beberapa tipe. Tipe-tipe tersebut antara lain: tipe bentangan kawat
lurus (unbonded strain gage) dan kawat yang dibengkok (honded strain
gage), dua elemen, tiga elemen, bentuk star atau delta, ditunjukkan pada
gambar berikut:
C. Transducer Perubahan Posisi
Jenis transducer yang banyak digunakan untuk mendeteksi perubahaan
posisi adalah Linear Paralel Differential Transformer (LVDT). Transducer
ini bekerja berdasarkan prinsip kerja transformator.
LVDT terdiri dari sebuah kumparan primer (P) dan dua buah kumparan sekunder (S
1 dan S
2), Perhatikan gambar 2.17.
Bila tegangan AC mengalir pada kumparan primer (P), maka akan muncul tegangan induksi di kedua kumparan sekunder (S
1 dan S
2).
Dalam rangkaian, kumparan sekunder dihubungkan secara seri berlawanan
fase sehingga tegangan pada kedua kumparan saling berlawanan fase.
Pada posisi normal, inti feromagnetik berada di tengah-tengah antara
dua kumparan sekunder. Pada posisi ini tegangan emf di kedua kumparan
sekunder (S
1 dan S
2). sama tetapi berkebalikan antara satu dengan yang lain.
Dengan demikian, jumlah tegangan keluarannya sama dengan 0 volt, posisi ini disebut sebagai null position.
Polaritas tegangan keluaran yang dihasilkan LVDT ditentukan oleh arah
gerakan inti. Sebagai contoh, bila inti pada gambar rangkaian 2.17
bergerak ke bawah, kumparan S
2, besar tegangan induksi lebih besar daripada S
1,.
Besar tegangan induksi ditentukan oleh seberapa jauh inti bergerak.
Langkah perubahan posisi ini pada umuumnya antara 0,1 mm sampai dengan
75 mm.
Untuk mengubah tegangan keluaran S
1 dan S
2 pada gambar 2.17 menjadi tegangan DC, gambar rangkaiannya ditunjukkan dengan gambar 2.18.
D. Transducer Tekanan
Transducer tekanan digunakan untuk mengukur dan mengendalikan
tekanan, seperti tekanan cairan atau gas. Untuk mengubah tekanan menjadi
perubahan posisi diperlukan sebuah kantong atau diapragma, ditunjukkan
pada gambar 2.20.
Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti
kumparan sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada
kumparan. Kumparan yang digunakan adalah kumparan CT (Center Tap),
dengan demikian apabila inti mengalami pergeseran maka induktansi pada
salah satu kumparan bertambah sementara induktansi pada kumparan yang
lain berkurang. Signal Converter mengubah induktansi magnetik yang
timbul pada kumparan menjadi tegangan yang sebanding.
Salah satu pemanfaatan dari penerapan transducer ini adalah untuk
mengukur tinggi suatu cairan. Piranti ini digunakan untuk mengukur baik
tekanan statis ataupun perbedaan tekanan.
Untuk mengukur tekanan statis atau tinggi suatu cairan dapat ditentukan menggunakan rumus sebagai berikut:
P= d. g. h
Keterangan:
P = tekanan statis (pascal)
d = kepadatan cairan (kg/m
3)
g = konstanta gravitasi (9,81 m/s
2)
h = tinggi cairan (m)
E. Transducer Kapasitif
Kapasitas sebuah kapasitor dapat ditentukan oleh perubahan jarak
antara konduktor, tipe dielektrik atau luas penampang konduktor. Sebuah
transducer kapasitif adalah variabel kapasitor yang kapasitansinya
berubah karena kondisi fisik misalnya tinggi cairan, jenis cairan kimia,
tekanan, dan ketebalan atau vibrasi.
Hubungannya dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut.
C =
Keterangan:
A = luas penampang konduktor (m
2)
d = jarak antarkonduktor (m)
e
0 = permitivitas ruang hampa (8,85 x 10
-2 F/m)
k = konstanta. dielektrikurn
Perubahan salah satu dari 3 faktor tersebut menghasilkan perubahan
kapasitansi. Gambar 2.22. menunjukkan sensor kapasitif di mana
kapasitansi sebanding dengan jarak antara alat diafragma dengan plat
statis sebagai akibat tekanan eksternal. Perubahan kapasitansi dapat
diukur dengan sebuah rangkaian jembatan atau rangkaian oscilator.
Bila digunakan pada rangkaian osilator, perubahan kapasitas
menghasilkan perabahan frekuensi oscilator sebanding dengan perubahan
tekanan pada alat diafragma.
F. Transducer Kelembaban
Lembap berarti kondisi yang terdiri dari udara dan uap air. Tingkat
kelembapan ditentukan oleh perbandingan antara persentase uap air di
udara.
Hygrometer adalah transducer yang menghasilkan sinyal keluaran berdasarkan pada tingkat kelembapan.
Transducer kelembapan umumnya diklasifikasikan sebagai hygrometer
atau psychrometer. Tiga tipe hygrometer yang banyak dipakai adalah
- tipe rambut,
- resistif dan
- optik.
Hygrometer optik mengukur berdasarkan berkurangnya intensitas sinar
di atmosfer pada suatu waktu. tertentu. Gambar 2.24. menunjukkan sebuah
contoh hygrometer resistif, terdiri dari elektroda logam yang terbungkus
bahan plastik dan ditutup dengan lithium chloride yang sensitif
terhadap kelembapan.
Bila kelembapan udara di sekitar hygrometer bertambah, film lithium
chloride menyerap air lebih banyak menyebabkan resistansi elektrode
berkurang. Pada kelembapan relatif 10%, resistansi turun menjadi sekitar
75 W.
Beberapa proses industri memerlukan tingkat kelembapan udara yang
terkendali. Contoh seperti pada ruang pengeringan, ruang penyimpanan
atau ruang proses. Bila kelembapan udara mencapal 100%, untuk mengurangi
prosentase kelembapan dilakukan dengan cara mcnaikkan suhu ruangan.
Sebaliknya bila persentase kelembapan terlalu rendah, dapat dinaikkan
dengan cara menurunkan suhu ruangan.
Jenis sensor kelembapan yang lain adalah psychrometer, yaitu piranti
yang menggunakan dua buah sensor suhu dan dua buah “bulb”, ditampilkan
pada gambar 2.25.
Prinsip kerjanya berdasarkan perbedaan pembacaan suhu pada kedua
sensor. Tegangan keluaran bervariasi sesuai dengan perbedaan suhu antara
dry bulb (tabung kering) dan wet bulb (tabung basah).
G. Transducer Elektromagnet
Piranti sensor Hall Effect (Efek Hall) menghasilkan tegangan keluaran
yang ditimbulkan karena medan magnet. Sensor Hall Effect pertama kali
ditemukan pada th. 1879 oleh Edward H. Hall.
Prinsip kerja sensor Hall Effect adalah sebagai berikut. Bila sebuah
magnet diletakkan tegak lurus terhadap sepasang keping konduktor, maka
tegangan akan muncul pada sisi yang berlawanan dengan konduktor.
Tegangan yang muncul ini disebut tegangan Hall. Besar tegangan Hall
sebanding dengan arus dan kuat medan magnet. Dengan dernikian Efek Hall
dapat digunakan untuk mengukur kuat medan magnet.
Transducer Efek Hall menggunakan sebuah keping semikonduktor,
ditunjukkan pada gambar 2.26. Bila arus mengalir melalui bahan semi
konduktor, tegangan emf ialah dihasilkan di antara sisi yang lain pada
keping sernikonduktor tersebut
Kernudian jika terdapat hubungan magnet melalui keping
sernikonduktor, akan dihasilkan tegangan yang sebanding dengan besar
arus dan kuat medan magnet. Bila arah medan magnet melewati bahan
semikonduktor pada sisi kanan semikonduktor menyebabkan elektron
bergerak menyebar ke pusat keping. Perubahan gerak elektron menimbulkan
tegangan Hall, umumnya sebesar 10 milivolt.
Penerapan sensor Efek hall di industri biasanya digunakan untuk
mengukur kecepatan putar objek yang bcrgerak misalnya ‘conveyor belt’.
(Gambar 2.27). Permanen magnet dipasang pada bagian yang berputar
sedangkan keping semikonduktor dipasang pada stator.
Setiap kali medan magnet melewati sensor, dihasilkan pulsa pada
keluaran keping semikonduktor yang dihubungkan ke sebuah counter yang
menghitung berapa kecepatan putar conveyor belt tersebut.
Transducer Photo
Piranti photolistrik digunakan untuk menghitung, mengukur dan fungsi
pengendali lain, yang banyak diterapkan pada proses industri. Piranti
photolistrik ini dikategorikan pada dua golongan, yaitu piranti yang
memancarkan sinar dan piranti yang menerima sinar.
Contoh yang memancarkan sinar seperti LED (Light Emitting Devices) dan yang menerima sinar seperti photovoltaic cell.
1. Transducer Photovoltaic (Solar Cell Photocell)
Transducerphotovoltaic menghasilkan tegangan keluaran yang besarnya
sebanding dengan intensitas cahaya. Sebuah sell photovoltaic atau
photocell, akan menghasilkan emf (tegangan) bila mendapat sinar. Bahan
pembuatan photovoltaik adalah silicon, cadmium sullphide, gallium
arsenide, dan selenium.
Photocell dari bahan silikon mempunyai bentuk yang sangat kecil
tetapi mempunyai kepekaan yang sangat tinggi. Prinsip photocell sama
seperti piranti semikonduktor lainnya, bila pasangan lubang elektron
terbentuk maka akan mengalir arus elektron melalui pertemuan pn.
Depletion Layer adalah pertemuan antara substrat tipe P dan substrat
tipe N. Bila cahaya jatuh pada photocell; depletion layer akan berkurang
dan elektron berpindah melalui hubungan “pn”. Besarnya arus yang
mengalir sebanding dengan perpindahan elektron yang ditentukan
intensitas cahayanya.
Intensitas sinar diukur dalam foot-candle yang berubah secara
logaritmik. Contoh: tegangan yang dihasilkan photocell pada intensitas
cahaya sebesar 10 foot candles sebesar 0, 1 volt, dan pada intensitas
cahaya 100 foot candles tegangan keluarannya ± 0,2 V Karena tegangan
keluaran photocell kecil maka perlu dikuatkan dengan penguat tegangan.
Gambar 2.29. menunjukkan rangkaian dasar penguatan tegangan.
A. Transducer temperatur
Terdapat dua kategori transducer temperatur semikonduktor, yaitu
transducer yang menghasilkan tegangan tertentu sesuai dengan perubahan
suhu dan transducer yang menghasilkan arus tertentu. sesuai dengan
perubahan suhu.
Contoh sumber tegangan yang sensitif terhadap suhu adalah IC LM 35
produk dari Nasional. Rangkaian ditunjukkan pada gambar 2.15.
Tegangan yang dihasilkan oleh LM 35 pada berbagai suhu adalah sebagai berikut:
+1500 mV pada suhu 150
o C,
+2500 mV pada suhu 25
0C, dan
-550 mV pada suhu -55
0 C
R
1 =
Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/
0C. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, transducer mampu bekerja pada rentang suhu -55
0 C sampai 150
0 C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 volt pada suhu 0
0 C dan ketelitian dari transducer ini adalah ± 1
0 C.
B. Transducer Gaya, Beban, dan Torsi
Strain gage adalah salah satu transducer yang banyak dipakai untuk
mendeteksi dan mengukur gaya, beban, torsi, dan tegangan. Prinsip
kerjanya adalah mengubah gaya mekanik menjadi besaran resistansi yang
sebanding.
Piranti ini dibuat dari kawat tahanan tipis berdiameter sekitar 1 mm.
Kawat tahanan yang biasa digunakan adalah campuran dari bahan
“konstantan” (60% Cu dan 40% Ni) atau logam campuran “479″ terdiri dari
92% Pt dan 8% Wo.
Kawat tahanan ini dilekatkan pada papan penyangga membentuk strain
gage dengan kawat berliku-liku atau bengkok-bengkok yang dikenal dengan
bonded strain gage.
Bentuk kawat yang berliku-liku dimaksudkan untuk memudahkan
pendeteksian terhadap gaya tekanan yang tegak lurus dengan arah panjang
lipatan, karena, tekanan akan menarik kabel sehingga meregang. Hal ini
menyebabkan perubahan resistansi pada kawat.
Selain bonded strain gage juga terdapat tipe yang lain yaitu unhonded
strain gage, yaitu strain gage yang dibentuk oleh kawat yang dilekatkan
pada sebuah rangka terpola agar terbentuk strain gage dengan kawat
tahanan yang terpasang lurus dan simetris. Jika papan atau rangka
mendapat tekanan dari luar, maka resistansinya akan bertambah sebesar DR
dan panjangnya berubah sebesar DL.
Karakteristik sebuah strain gage ditentukan oleh sensitivitas (S)
atau gage factor (GF). Sensitivitas didefinisikan sebagai perbandingan
antara perubahan nilai tahanan dan perubahan panjang, ditentukan dengan
rumus berikut:
S = GF =
Keterangan
S = GF = sensitivitas atau gagefactor
R = resistansi kawat (awal)
DR = perubahan nilai resistansi kawat
L = panjang kawat (awal)
DL = perubahan panjang kawat.
Perubahan panjang kawat (DL/L) adalah regangan pada kawat tahanan
atau dikenal dengan s (sigma), sehingga persarnaan di atas menjadi:
S =
Perubahan nilai resistansi R dari kawat tahanan yang panjangnya L dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
R = r
Nilai resistansi dari kawat tahanan setelah mengalami tekanan luar
yang menyebabkan pertambahan panjang (DL) dan berkurangnya diameter (Dd)
adalah:
R
1 =
Persamaan di atas dapat disederhanakan berdasarkan ratio dari Poison
(m) yang didefinisikan sebagai perbandingan antara pengurangan diameter
dan pertambahan panjang, yaitu:
m =
Substitusi dari kedua persarnaan di atas, adalah:
R
s =
disederhanakan menjadi:
R
s = R + DR = R [1+(1+2m)DL/L]
Perbandingan pertambahan nilai resistansi DR dengan pertambahan
panjang L tersebut adalah merupakan sensitivitas atau gage factor,
yaitu:
S = = 1 +2m
Besarnya ratio (Poisons ratio) bahan logam, umumnya berkisar antara
0,25 – 0,35, sedangkan sensitivitas (s) atau gage factor berkisar antara
1,50-1,70. Kawat tahanan konstantan mempunyai sensitivitas = 2,
sedangkan logam campuran “Alloy 479″ sensitivitasnya adalah 4.
Strain gage dari bahan semikonduktor silikon dan germanium memiliki
sensitivitas yang jauh lebih tinggi, yaitu antara 50 hingga 200.
Kelemahan strain gage ini dalam pemakaiannya harus dilengkapi dengan
kompensator suhu.
Berdasarkan konstruksi fisik, strain gage dikelompokkan ke dalam
beberapa tipe. Tipe-tipe tersebut antara lain: tipe bentangan kawat
lurus (unbonded strain gage) dan kawat yang dibengkok (honded strain
gage), dua elemen, tiga elemen, bentuk star atau delta, ditunjukkan pada
gambar berikut:
C. Transducer Perubahan Posisi
Jenis transducer yang banyak digunakan untuk mendeteksi perubahaan
posisi adalah Linear Paralel Differential Transformer (LVDT). Transducer
ini bekerja berdasarkan prinsip kerja transformator.
LVDT terdiri dari sebuah kumparan primer (P) dan dua buah kumparan sekunder (S
1 dan S
2), Perhatikan gambar 2.17.
Bila tegangan AC mengalir pada kumparan primer (P), maka akan muncul tegangan induksi di kedua kumparan sekunder (S
1 dan S
2).
Dalam rangkaian, kumparan sekunder dihubungkan secara seri berlawanan
fase sehingga tegangan pada kedua kumparan saling berlawanan fase.
Pada posisi normal, inti feromagnetik berada di tengah-tengah antara
dua kumparan sekunder. Pada posisi ini tegangan emf di kedua kumparan
sekunder (S
1 dan S
2). sama tetapi berkebalikan antara satu dengan yang lain.
Dengan demikian, jumlah tegangan keluarannya sama dengan 0 volt, posisi ini disebut sebagai null position.
Polaritas tegangan keluaran yang dihasilkan LVDT ditentukan oleh arah
gerakan inti. Sebagai contoh, bila inti pada gambar rangkaian 2.17
bergerak ke bawah, kumparan S
2, besar tegangan induksi lebih besar daripada S
1,.
Besar tegangan induksi ditentukan oleh seberapa jauh inti bergerak.
Langkah perubahan posisi ini pada umuumnya antara 0,1 mm sampai dengan
75 mm.
Untuk mengubah tegangan keluaran S
1 dan S
2 pada gambar 2.17 menjadi tegangan DC, gambar rangkaiannya ditunjukkan dengan gambar 2.18.
D. Transducer Tekanan
Transducer tekanan digunakan untuk mengukur dan mengendalikan
tekanan, seperti tekanan cairan atau gas. Untuk mengubah tekanan menjadi
perubahan posisi diperlukan sebuah kantong atau diapragma, ditunjukkan
pada gambar 2.20.
Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti
kumparan sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada
kumparan. Kumparan yang digunakan adalah kumparan CT (Center Tap),
dengan demikian apabila inti mengalami pergeseran maka induktansi pada
salah satu kumparan bertambah sementara induktansi pada kumparan yang
lain berkurang. Signal Converter mengubah induktansi magnetik yang
timbul pada kumparan menjadi tegangan yang sebanding.
Salah satu pemanfaatan dari penerapan transducer ini adalah untuk
mengukur tinggi suatu cairan. Piranti ini digunakan untuk mengukur baik
tekanan statis ataupun perbedaan tekanan.
Untuk mengukur tekanan statis atau tinggi suatu cairan dapat ditentukan menggunakan rumus sebagai berikut:
P= d. g. h
Keterangan:
P = tekanan statis (pascal)
d = kepadatan cairan (kg/m
3)
g = konstanta gravitasi (9,81 m/s
2)
h = tinggi cairan (m)
E. Transducer Kapasitif
Kapasitas sebuah kapasitor dapat ditentukan oleh perubahan jarak
antara konduktor, tipe dielektrik atau luas penampang konduktor. Sebuah
transducer kapasitif adalah variabel kapasitor yang kapasitansinya
berubah karena kondisi fisik misalnya tinggi cairan, jenis cairan kimia,
tekanan, dan ketebalan atau vibrasi.
Hubungannya dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut.
C =
Keterangan:
A = luas penampang konduktor (m
2)
d = jarak antarkonduktor (m)
e
0 = permitivitas ruang hampa (8,85 x 10
-2 F/m)
k = konstanta. dielektrikurn
Perubahan salah satu dari 3 faktor tersebut menghasilkan perubahan
kapasitansi. Gambar 2.22. menunjukkan sensor kapasitif di mana
kapasitansi sebanding dengan jarak antara alat diafragma dengan plat
statis sebagai akibat tekanan eksternal. Perubahan kapasitansi dapat
diukur dengan sebuah rangkaian jembatan atau rangkaian oscilator.
Bila digunakan pada rangkaian osilator, perubahan kapasitas
menghasilkan perabahan frekuensi oscilator sebanding dengan perubahan
tekanan pada alat diafragma.
F. Transducer Kelembaban
Lembap berarti kondisi yang terdiri dari udara dan uap air. Tingkat
kelembapan ditentukan oleh perbandingan antara persentase uap air di
udara.
Hygrometer adalah transducer yang menghasilkan sinyal keluaran berdasarkan pada tingkat kelembapan.
Transducer kelembapan umumnya diklasifikasikan sebagai hygrometer
atau psychrometer. Tiga tipe hygrometer yang banyak dipakai adalah
- tipe rambut,
- resistif dan
- optik.
Hygrometer optik mengukur berdasarkan berkurangnya intensitas sinar
di atmosfer pada suatu waktu. tertentu. Gambar 2.24. menunjukkan sebuah
contoh hygrometer resistif, terdiri dari elektroda logam yang terbungkus
bahan plastik dan ditutup dengan lithium chloride yang sensitif
terhadap kelembapan.
Bila kelembapan udara di sekitar hygrometer bertambah, film lithium
chloride menyerap air lebih banyak menyebabkan resistansi elektrode
berkurang. Pada kelembapan relatif 10%, resistansi turun menjadi sekitar
75 W.
Beberapa proses industri memerlukan tingkat kelembapan udara yang
terkendali. Contoh seperti pada ruang pengeringan, ruang penyimpanan
atau ruang proses. Bila kelembapan udara mencapal 100%, untuk mengurangi
prosentase kelembapan dilakukan dengan cara mcnaikkan suhu ruangan.
Sebaliknya bila persentase kelembapan terlalu rendah, dapat dinaikkan
dengan cara menurunkan suhu ruangan.
Jenis sensor kelembapan yang lain adalah psychrometer, yaitu piranti
yang menggunakan dua buah sensor suhu dan dua buah “bulb”, ditampilkan
pada gambar 2.25.
Prinsip kerjanya berdasarkan perbedaan pembacaan suhu pada kedua
sensor. Tegangan keluaran bervariasi sesuai dengan perbedaan suhu antara
dry bulb (tabung kering) dan wet bulb (tabung basah).
G. Transducer Elektromagnet
Piranti sensor Hall Effect (Efek Hall) menghasilkan tegangan keluaran
yang ditimbulkan karena medan magnet. Sensor Hall Effect pertama kali
ditemukan pada th. 1879 oleh Edward H. Hall.
Prinsip kerja sensor Hall Effect adalah sebagai berikut. Bila sebuah
magnet diletakkan tegak lurus terhadap sepasang keping konduktor, maka
tegangan akan muncul pada sisi yang berlawanan dengan konduktor.
Tegangan yang muncul ini disebut tegangan Hall. Besar tegangan Hall
sebanding dengan arus dan kuat medan magnet. Dengan dernikian Efek Hall
dapat digunakan untuk mengukur kuat medan magnet.
Transducer Efek Hall menggunakan sebuah keping semikonduktor,
ditunjukkan pada gambar 2.26. Bila arus mengalir melalui bahan semi
konduktor, tegangan emf ialah dihasilkan di antara sisi yang lain pada
keping sernikonduktor tersebut
Kernudian jika terdapat hubungan magnet melalui keping
sernikonduktor, akan dihasilkan tegangan yang sebanding dengan besar
arus dan kuat medan magnet. Bila arah medan magnet melewati bahan
semikonduktor pada sisi kanan semikonduktor menyebabkan elektron
bergerak menyebar ke pusat keping. Perubahan gerak elektron menimbulkan
tegangan Hall, umumnya sebesar 10 milivolt.
Penerapan sensor Efek hall di industri biasanya digunakan untuk
mengukur kecepatan putar objek yang bcrgerak misalnya ‘conveyor belt’.
(Gambar 2.27). Permanen magnet dipasang pada bagian yang berputar
sedangkan keping semikonduktor dipasang pada stator.
Setiap kali medan magnet melewati sensor, dihasilkan pulsa pada
keluaran keping semikonduktor yang dihubungkan ke sebuah counter yang
menghitung berapa kecepatan putar conveyor belt tersebut.
Transducer Photo
Piranti photolistrik digunakan untuk menghitung, mengukur dan fungsi
pengendali lain, yang banyak diterapkan pada proses industri. Piranti
photolistrik ini dikategorikan pada dua golongan, yaitu piranti yang
memancarkan sinar dan piranti yang menerima sinar.
Contoh yang memancarkan sinar seperti LED (Light Emitting Devices) dan yang menerima sinar seperti photovoltaic cell.
1. Transducer Photovoltaic (Solar Cell Photocell)
Transducerphotovoltaic menghasilkan tegangan keluaran yang besarnya
sebanding dengan intensitas cahaya. Sebuah sell photovoltaic atau
photocell, akan menghasilkan emf (tegangan) bila mendapat sinar. Bahan
pembuatan photovoltaik adalah silicon, cadmium sullphide, gallium
arsenide, dan selenium.
Photocell dari bahan silikon mempunyai bentuk yang sangat kecil
tetapi mempunyai kepekaan yang sangat tinggi. Prinsip photocell sama
seperti piranti semikonduktor lainnya, bila pasangan lubang elektron
terbentuk maka akan mengalir arus elektron melalui pertemuan pn.
Depletion Layer adalah pertemuan antara substrat tipe P dan substrat
tipe N. Bila cahaya jatuh pada photocell; depletion layer akan berkurang
dan elektron berpindah melalui hubungan “pn”. Besarnya arus yang
mengalir sebanding dengan perpindahan elektron yang ditentukan
intensitas cahayanya.
Intensitas sinar diukur dalam foot-candle yang berubah secara
logaritmik. Contoh: tegangan yang dihasilkan photocell pada intensitas
cahaya sebesar 10 foot candles sebesar 0, 1 volt, dan pada intensitas
cahaya 100 foot candles tegangan keluarannya ± 0,2 V Karena tegangan
keluaran photocell kecil maka perlu dikuatkan dengan penguat tegangan.
Gambar 2.29. menunjukkan rangkaian dasar penguatan tegangan.
sumber : http://maglevworld.wordpress.com
