KONSEP PEMAHAMAN SENSOR DAN SENSOR SUHU

1

ETH3F3-Instrumentasi dan Pengukuran Elektrik

KONSEP PEMAHAMAN SENSORDAN SENSOR SUHU

S1 Teknik Elektro – Fakultas Teknik Elektro

2

KONSEP DASAR SENSORApa itu Sensor?

• Sensor berasal dari kata ”sense” (merasakan ataumengindera)

• Sensor adalah sebuah perangkat menerima sinyal ataurangsangan (stimulus) dan merespon sinyal tersebut denganmengonversinya menjadi sinyal elektrik.

• Proses pengonversian besaran fisis menjadi sinyal elektrikyang dapat diumpankan ke instrumen elektronik disebuttransduksi.

2 Sumber Referensi: http://www.contohURL.com

3

3

Rangsangan (stimulus )Adalah besaran, sifat (property), atau kondisi fisis yang diindera dandikonversi menjadi sinyal elektris (electrical signal ).

Besaran, sifat (property)Adalah kondisi fisis yang diterima oleh sensor berupa cahaya, temperatur,perpindahan, dll.Jadi, bentuk fisis rangsangan itu dapat bersifat: mekanis, panas, magnetik,listrik, optik, kimia.

Sinyal elektrikAdalah sinyal yang dapat disalurkan, dikuatkan dan dimodifikasi olehpiranti elektronik.Yang termasuk sinyal elektrik adalah tegangan, arus, muatanlistrik, frekuensi, kapasitansi, resistansi, lebar pulsa, dsb.

KONSEP DASAR SENSORApa itu Sensor?

4

Bentuk- Bentuk Energi

04 05

0301 MEKANIK 02

Sumber Referensi: http://www.contohURL.com

MAGNETIK RADIASI

PANAS KIMIA

5SENSOR, ELEMEN SENSOR, dan SISTEM SENSOR

Disebut juga sensor elementer atau elemenutama dari suatusensorContoh: strain gauge

Sensor yang telahdilengkapi denganpemrosessinyal analogmaupun digital

Elemen sensor yang telah dilengkapidengan ‘rumah‘ dankoneksielektriknya


SENSOR

Menurut Hesse dan Kuttner (1983) serta Scholz (1986) dalam buku Sensors, A Comprehensive Survey, Volume 1

ELEMEN SENSOR

SISTEM SENSOR

6

Dalam suatusistem instrumentasi elektronik,transduser dapat dikategorikansebagai sensor ataupun aktuator.

Transduser: Sensor & Aktuator

6

SensorPengolahsinyal

AktuatorSinyal Masukan Sinyal Keluaran

mikrofon

Penguatsinyal

Loudspeaker

Sensor merupakan transduser masukan yang mengubah besaran fisis menjadi besaran elektris.Contoh: mikrofon

Aktuator merupakan transduser keluaran yang mengubah besaran elektrik menjadi besaran fisik dalam bentuk gerak.Contoh: loudspeaker

7

7

Efek Transduksi

SENSOR

Bentuk Energi

EfekTransduksi

Self Generating

Modulating

Radiasi, Mekanik, Termal, Elektrik, Kimia, Magnetik

Measurand

SensorOutput signal

Measurand

SensorOutput signal

Power supply

Sensor pasif

Sensor aktif

8

8

Sensor & Sistem Instrumentasi Elektronik

Rangsangan(Besaran Fisis)

SensorPengkondisi

SinyalPemrosesSinyal

Pengguna

Sinyal eksitasi(if needed)

9KARAKTERISTIK SENSOR

STATIK DINAMIK

• Diskriminasi

• Error

• Akurasi

• Presisi


Karakteristiksensor

Statik Dinamik• Sensitivitas

• Linieritas

• Sistem orde dua

• Sistem orde nol

• Sistem orde satu

• Histeresis

10

Perbedaan nilai Output pengukuran pada saat nilaiInput pengukuran membesar (naik) dan mengecil(turun).

HISTERESIS

Perubahan minimal dari suatu input yang diperlukanuntuk menghasilkan perubahan yang dapat dideteksipada output.

DISKRIMINASI Resolusi dan Threshold

Suatu sistem dikatakan linier jika hubungan input danoutput merupakan suatu garis lurus

LINIERITAS2

3

1KarakteristikStatiksensor

10

• Diskriminasi

• Error

• Akurasi

• Presisi

• Sensitivitas

• Linieritas

• Histeresis

11

• Selain nilai static gain, k, persamaan sistemorde dua memiliki koefisien damping danfrekuensi natural.

SENSOR ORDE DUA

Respon Sensor orde nol:• Tidak ada delay,• Bandwith terbatas,• Sensor hanya mengubah

amplitudo dari sinyal input.

SENSOR ORDE NOL

SENSOR ORDE SATU

2

3

1KarakteristikDinamik sensor

11

• Respon sensor terhadapsebuah input variable berbedadari yang ditunjukkan saatsinyal inputnya konstan.

• Penyebab karakteristik dinamikadalah adanya elemenpenyimpanan energi. Inersia: massa, induktansi Kapasitansi: listrik, termal

• Karakteristik dinamikditentukan dengan menganalisarespon sensor terhadapsejumlah bentuk gelombanginput variable (impuls, step,ramp, sinusoidal, white noise,dll).

• Respon dinamik sensor,biasanya diasumsikan linier,dengan model persamaandiferensial koefisien linierkonstan:

potensiometer

• Sensor orde satu memiliki satuelemen yang menyimpan energidan satu lagi untukmendisipasinya.

• Plot respon frekuensi adalahamplitudo terhadap fase.

Termometer merkuri yang dicelupkan dalam liquid

Akselerometer yang damping oleh massa pegas

12

12

1. Identifikasi besaran fisis yang akan diukur

2. Spesifikasi besaran fisis tersebut.

3. Pastikan keakuratan yang

diperlukan, lamanya pengujian/pengukuran, dan perilaku siklus

sensor atau faktor-faktor lainnya.

4. Pertimbangkan lingkungan dimana sensor akan ditempatkan.

5. Perhatikan interval dan tipe pengalibrasiannya untuk proses

kalibrasi.

TAHAPAN PEMILIHAN DAN PENGGUNAAN SENSOR

13

Wear and Aging

Efek ini mengakibatkan karakteristiksistem pengukuran seperti konstantapengukuran K dan zero bias aberubah secara perlahan-lahanselama masa pakai.


14Klasifikasi SensorBerdasarkan Fungsi dan Penggunaannya

Untuk mendeteksiperubahan gerakmekanis, sepertiperpindahan ataupergeseran atauposisi, gerak lurusdan melingkar,tekanan, aliran, leveldsb.Contoh: sensorokupansi dan gerak,sensor posisi, leveldan perpindahan,sensor kecepatandan akselerasi,sensor tekanan, dll.

Untuk mendeteksiperubahan cahayadari sumbercahaya, pantulancahaya ataupunbias cahaya yangmengenai bendaatau ruangan

Untuk mendeteksigejala perubahanpanas/ temperatur/suhu pada suatudimensi benda ataudimensi ruang tertentu

Contoh: sensor termoresistif, sensor kontak termoelektrik, sensor junction P-N semikonduktor, sensor temperatur optik, sensor temperatur akustik, sensor temperatur piezoelektrik.

Contoh: sensorcahaya dan sensorradiasi.

14

SENSOR THERMAL

SENSOR MEKANIS

SENSOR RADIASI

SENSOR MAGNETIK

SENSOR KIMIA

Untuk mendeteksipengaruhperubahan medanmagnet sepertifluks, energi danarah.Contoh:magnetodioda,magnetoresistif,fluxgate, dll.

Untuk mendeteksijumlah suatuzat kimia.

Contoh: sensoroksigen, pH, gas,dll.

15

15

Klasifikasi SensorBerdasarkan Kebutuhan Suplai Energi

• Adalah sensor yang tidak membutuhkansumber energi tambahan dan secaralangsung mengeluarkan sinyal elektrikuntuk merespon rangsangan.

• Sensor ini bersifat mengubah besaranlistrik, seperti resistif, induktif, kopelinduktif, dan kapasitif.

• Contoh: radiometer, fotografi film,microphone.

2SENSOR PASIF

• Adalah sensor yang membutuhkan sumberenergi tambahan untuk bekerja. Sumberenergi luar biasanya disebut sinyal eksitasidimana sinyal tersebut oleh sensordimodifikasi untuk memproduksi sinyaloutput.

• Sensor ini bersifat mengubah besaranenergi.

• Contoh: LiDAR (Deteksi cahaya dan jarak),sel fotokonduktif, termokopel, piezoelectric,fotodioda.

1SENSOR AKTIF

16

SENSOR SUHUSensor Termoresistif

16

Sensor termoresistif adalah sensor resistif yang bekerja berdasarkanvariasi kuantitas listrik (resistansi, tegangan atau arus) sebagaifungsi dari kuantitas termal (suhu, radiasi termal atau konduktansitermal).

EFEK TERMORESISTIF

DEFINISI

Efek termoresistif terjadi sebagai suatu hasil dari perubahan dalamresistansi listrik material terhadap perubahan temperature dan efekini secara luas digunakan dalam aplikasi sensor suhu.

Digunakan di berbagai bidang seperti meteorologi, kedokteran danmonitoring dengan berbagai tujuan, seperti pemantauan suhu,indikasi, kontrol dan kompensasi.

APLIKASI

Sumber Referensi: Pallas-Areny & Webster, 2001), (Doebelin, 2004), (Deep et al., 1992).

17

17

• Metal wire• Thin film• Silicon based

Resistive Temperature Detector (RTD)

• Negative Temperature Coeficient (NTC)

• Positive Temperature Coeficient (PTC)

Thermal Resistor (Thermistor)2

1

TIPE SENSOR TERMORESISTIF

RTD adalah sensor suhu presisi yang terbuat dari logam konduksi dengankemurnian tinggi seperti platinum, tembaga, atau nikel dan memiliki hambatanlistrik yang berubah sebagai fungsi suhu.

Thermistor adalah jenis resistor khusus yang mengubah ketahanan fisiknyaketika terkena perubahan suhu.Termistor umumnya terbuat dari bahan keramik seperti oksida nikel, manganatau kobalt dilapisi kaca, yang membuatnya mudah rusak.

18

Resistive Temperature Detector (RTD)

• RTD terdiri dari film atau kawat yang dililit padakeramik atau kaca

• Bahan RTD yang paling umum Platinum,karena stabilitas jangka panjangnya di udara,kisaran suhu yang luas, kemudahan pembuatan,dan biaya yang wajar.

• Contoh Pt100 dominan dengan rentang praktisdari 40240 ° C - 850 ° C, dan versi khusustersedia hingga 1000 ° C.


19

Prinsip Kerja RTD

• RTD bekerja dengan korelasi dasar antaralogam dan suhu.

• Ketika suhu logam meningkat, maka ketahananlogam terhadap aliran listrik pun meningkat.Demikian pula, ketika suhu elemen resistensiRTD meningkat, maka hambatan listrik punmeningkat.

• Elemen RTD biasanya ditentukan sesuai denganresistensinyadalam ohm pada nol derajatCelcius.

• Spesifikasi RTD yang paling umum adalah 100ohm, yang berarti bahwa pada 0 derajat Celcius,elemen RTD harus menunjukkan 100 ohmresistansi.

• Spesifikasi paling umum untuk aplikasi industriadalah tiga kawat RTD yang menggunakanrangkaian pengukuran jembatan Wheatstoneuntuk mengimbangi resistansi kawat timah.


Konfigurasi RTD dengan 3 kawat

20

SENSOR TERMORESISTIFTERMISTOR

20

Termistor adalah resistor termal yang menunjukkan perubahan nilairesistansinya terhadap variasi temperatur.Termistor termasuk perangkat resistif yang pasif.

PROPERTIES

TERMINOLOGI

• Termistor terbuat dari tipe semikonduktor keramik denganteknologi metal oxide.

• Kebanyakan thermistor adalah berupa NTC, beberapa jenis PTC.• PTC terbuat dari bahan khusus dan tidak umum.

APLIKASI

Sumber Referensi: Pallas-Areny & Webster, 2001), (Doebelin, 2004), (Deep et al., 1992).

21

21

Negative Temperature Coefficient (NTC)1

JENIS SENSOR TERMISTOR

Positive Temperature Coefficient (PTC)2

22

22

Negative Temperature Coefficient (NTC)1• Termistor NTC adalah resistor termal non-linier yang resistansinya

menunjukkan sebuah penurunan yang besar, presisi, dan dapat diprediksisaat suhu inti resistor meningkat pada kisaran suhu pengoperasiannya.

• Tidak seperti RTD yang terbuat dari logam, termistor NTC umumnya terbuatdari keramik atau polimer.

• Self-heating effect, atau fenomena yang terjadi setiap kali ada arus yangmengalir melalui termistor NTC.

• Termistor NTC memiliki kemiringan suhu yang jauh lebih curam dibandingkandengan RTD platinum sensitivitas suhu NTC lebih baik.

23

23

Perbandingan NTC dengan sensor termal lain

Kelebihan:• NTC memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan RTD• Respons lebih cepat• Resistensi yang lebih besar terhadap guncangan dan

getaran• Biaya lebih rendah.• Dibandingkan dengan termokopel, sensitivitas, stabilitas

dan akurasi lebih besar pada suhu rendah.

Kekurangan:• NTC sedikit kurang presisi dibandingkan RTD.• Presisi serupa dengan termokopel

Negative Temperature Coefficient (NTC)1

24

Positive Temperature Coefficient (PTC)2 Termistor PTC adalah resistor dengan koefisien temperatur positif, artinya

resistansinya akan naik seiring kenaikan temperatur.

Berdasarkan bahan yang digunakan, struktur dan proses pembuatannya, PTC terbagiatas:

1. Tipe silistor, menggunakan silikon sebagai bahan semikonduktif untukkarakteristik linier.

2. Tipe switching, memiliki kurva tahan suhu yang sangat nonlinier.

25

25

Positive Temperature Coefficient (PTC)2Pengujian kondisi PTC

Dilakukan dengan menggunakan multimeter.

Diketahui bahwa:

Karakteristik PTC Bahwa resistansi akan berubah semakin kecilpada saat suhu semakin rendah.

Sehingga kita dapat mengukur PTC menggunakan multimeter dengansettingan Ohm meter.

Hasil pengukuran PTC menggunakan multimeter dikatakan PTC dalamkondisi baik bila PTC mampu memberikan perubahan resistansisemakin besar pada saat suhu PTC semakin tinggi.

Apabila nilai resistansi yang ditunjuk multimeter adalah 0 Ohm (short)atau tidak berhingga (open), maka PTC rusak.

26

SENSOR TERMOELEKTRIKTERMOKOPEL

26

Thermoelectric effect adalah konversi langsung antara perbedaantemperatur dengan tegangan listrik yang sifatnya reversible.

Thermoelectric Effect

Thermoelectric effect dijelaskan dengan Seebeck effect.Sedangkan Seebeck effect dijelaskan oleh Peltier effect dan Thomsoneffect.

Tegangan listrik (emf)

Perbedaan temperaturThermoelectric effect

• Seebek Effect adalah perbedaan temperatur antara dua junction daridua metal yang tidak sama menyebabkan terjadinya arus.

• Peltier Effect adalah panas yang dihasilkan atau dikonsumsi padasebuah junction adalah sebanding dengan temperatur pada junctiondan arus melalui junction.

• Thomson Effect adalah jumlah panas yang diproduksi atau dikonsumsi sepanjang konduktor homogen dengan gradien suhunya sebanding dengan arus.

27

TERMOKOPEL

• Termokopel dibentuk dari dua buahpenghantar yang berbeda jenisnya (besidan konstanta) dan dililit bersama.

• Berfungsi sebagai sensor suhu rendahdan tinggi (suhu -85oC - 1800oC).

27

28

28

KONFIGURASI TERMOKOPEL

• Satu junction dijaga pada suhu konstan,disebut junction referensi (dingin),sementara yang lainnya adalah junctionpengukuran (panas).

• Ketika dua junction berada pada suhuyang berbeda, tegangan akan terbentukdan melewati junction, dimanadigunakan untuk mengukur sensor suhu

29

29

PRINSIP PENGOPERASIAN TERMOKOPELPrinsip kerja termokopel:

Ketika berfusi, junction dari dualogam yang berbeda seperti tembagadan konstanta menghasilkan efek"termo-listrik" yang memberikanperbedaan potensial konstan sebesarbeberapa milivolt (mV) di antarakeduanya.

Perbedaan tegangan antara duapersimpangan disebut "efek Seebeck"karena gradien suhu yang dihasilkandi sepanjang kabel penghantarmenghasilkan GGL.

Kemudian fungsi dari perubahan suhuadalah tegangan output daritermokopel .

KONSEP PEMAHAMAN SENSOR DAN SENSOR SUHU

Documents