Kul-5 Sensor Dan Transduser

INSTRUMENTASI DAN PENGUKURAN

Kuliah ke

5Waktu

2 x 50 menit

Topik 4. SENSOR DAN TRANSDUSER

Sub-topik

SENSOR DAN TRANSDUSER

Definisi Sensor adalah piranti yang secara langsung memungut informasi dari medium

terukur (primary sensing element). Transduser adalah piranti yang mengubah suatu bentuk energi atau besaran

fisik menjadi bentuk energi atau besaran fisik lain (definisi umum). Transduser adalah piranti yang mengubah besaran mekanik menjadi listrik

atau sebaliknya (definisi khusus).

Prinsip sensor Memungut informasi besaran fisik dan mengubahnya ke dalam besaran lain.

PRINSIP PENGINDERAAN Berdasar pada perubahan sifat bahan (resistansi, kapasitansi, dan induktansi)

atau tegangan listrik yang dihasilkan, akibat mendapat pengaruh medium terukur (suhu, tekanan, regangan, perpindahan, dll.).

Kelompok sensor berdasar perubahan resistansi Resistor variabel (potensiometer). Perubahan resistansi akibat perubahan

posisi kontak geser. PTC (positive temperature coefficient). Perubahan resistansi akibat perubahan

suhu dengan koefisien positif. NTC (negative temperature coefficient). Perubahan resistansi akibat

perubahan suhu dengan koefisien negatif. LDR (light dependent resistor). Perubahan resistansi akibat perubahan kuat

cahaya. Strain gage. Perubahan resistansi akibat regangan.

Sensor yang bekerja berdasar tegangan listrik secara langsung Termokopel (thermocouple). Tegangan yang timbul adalah akibat perbedaan

suhu di antara dua titik pertemuan dua jenis logam. Sel fotoelektrik. Tegangan yang timbul adalah akibat cahaya yang jatuh pada

permukaan bahan (misal, cesium atau semikonduktor). Piezoelektrik. Tegangan yang timbul adalah akibat tekanan pada arah tertentu

Sensor yang bekerja berdasar perubahan kapasitansi Perubahan kapasitansi keping kapasitor akibat perbedaan nilai medium

dielektrikum.

Sensor yang bekerja berdasar perubahan induktansi

1

Perubahan induktansi akibat perbedaan nilai sifat magnetik bahan.

POTENSIOMETER Nilai resistansi tergantung pada posisi kontak geser. Sensor ini terdiri atas kawat sepanjang l yang diberi tegangan sumber, Vs.

Hubungan antara tegangan keluar, Vo, dan posisi kontak, x, adalah,

atau

Dapat digunakan untuk mengukur perpindahan sepanjang x. Resistansi lilitan kawat dapat bervariasi antara 10 dan 1 M. Resolusi potensiometer lilitan kawat dibatasi oleh panjang dan jumlah lilitan,

yaitu sebesar, L/n. Resolusi yang umum antara 0,05 dan 1% skala penuh. Resolusi lebih besar dapat diperoleh dengan potensiometer yang menggunakan lapis tipis dari bahan polimer atau karbon. Dengan bahan ini dimungkinkan resistansi 50 sampai 100 /mm dan resolusi 0,001 mm.

Gambar 4.1 Potensiometer lilitan kawat

Respons dinamik potensiometer dibatasi oleh kelembamam poros konstak geser.

Gangguan yang sering terjadi pada potensiometer adalah bising akibat kontak geser yang kotor.

Dapat dipakai untuk mengukur perpindahan linier yang besar, 10 mm atau lebih, dan putaran sudur 15o atau lebih.

Keuntungan memakai potensiometer adalah murah dan sederhana dalam pengoperasian meskipun akurasinya tidak begitu baik.

TRANSDUSER TRANSFORMATOR DIFERENSIAL Disingkat LVDT (linear variable differential transformer). Terdiri atas tiga buah kumparan disusun secara linier dengan inti magnetik

yang dapat digerakkan bebas di dalam kumparan itu. Suatu tegangan masukan bolak-balik diberikan pada kumparan tengah, dan tegangan keluaran dari kedua kumparan lain. Tegangan ini bergantung pada kopling magnetik antara inti dan kumparan. Dengan demikian tegangan keluaran merupakan fungsi dari posisi inti.

4-2

Gambar 4.2. Skema LVDT

Tegangan pada kumparan primer berkisar antara 5 dan 15 V dengan frekuensi 5 - 20000 Hz.

Sensitivitas terbaik pada frekuensi 1 - 5 kHz. Tegangan keluar berada pada kisaran 0,16 - 2,5 V/mm perpindahan. Inti bertindak sebagai sensor, piranti keseluruhan sebagai transduser.

Gambar 4.3 Hubungan tegangan keluaran dengan posisi inti.

SENSOR REGANGAN (Strain Gage) Berupa anyaman logam tipis yang direkatkan pada permukaan komponen atau

struktur. Resistansi sensor akan berubah secara proporsional dengan perubahan

regangan.

Gambar 4.4. Bentuk sensor regangan (strain gage).

4-3

Resistansi standar adalah 120 dan 350 . Sensitivitas sensor regangan pada umumnya berkisar 1 - 10 V /(m/m).

SENSOR KAPASITANSI Bekerja berdasar perubahan kapasitas kondensator akibat perubahan jarak atau

jenis medium dielektrikum. Kapasitas suatu kondensator adalah

CA

d 0 0885, (4.1)

dengan,C = kapasitas (F)A = luas keping kapasitor yang saling berhadapan (cm2)d = jarak antar keping (cm) = konstanta dielektrikum ( = 1 untuk udara)

Linieritas sensor kapasitansi sangat baik hingga jarak antar keping sebesar D/2, dengan D adalah diameter keping kapasitor.

Dapat digunakan untuk penginderaan tanpa menyentuh objek terukur. Tidak begitu terpengaruh suhu. Tahan terhadap goncangan dan getaran.

SENSOR PIEZOELEKTRIK Kristal piezoelektrik adalah kristal yang dapat mengeluarkan tegangan listrik

(beda potensial) bila mengalami deformasi (perubahan bentuk karena gaya).

Gambar 4.5. Efek piezoelektrik

Polaritas tegangan listrik saat dikenai tekanan berlawanan dengan saat dikenai regangan.

Bila kristal dikenai tegangan listrik akan mengalami deformasi. Contoh: kristal (NaKC4H4O6.4H2O), NH4H2PO4, BaTiO, SiO2.

SENSOR FOTOELEKTRIK Sensor fotoelektrik mengubah berkas cahaya menjadi sinyal listrik atau

perubahan resistansi.

4-4

Detektor Tabung Hampa. Cahaya yang mengenai bagian katoda akan menyebabkan bahan fotoemisif pada katoda memancarkan elektron. Elektron yang dibebaskan akan ditarik oleh anoda, sehingga dengan demikian timbul arus listrik pada rangkaian luar.

Sensor fotokonduktif. Cahaya yang mengenai bahan semikonduktor, menyebabkan penurunan resistansi sehingga arus yang mengalir akan berubah.

SENSOR FOTOVOLTAIK Bidang pertemuan dua jenis bahan semikonduktor P dan N adalah peka

terhadap cahaya. Seberkas cahaya menimpa bidang pertemuan itu maka pada ujung-ujung P dan

N akan timbul tegangan listrik.

SENSOR EFEK-HALL Sebuah pelat semikonduktor atau konduktor yang dialiri arus, bila dimasukkan

dalam medan magnet sehingga arah medan magnet tegak lurus terhadap arah arus, maka akan timbul beda potensial yang arahnya tegak lurus dengan arah arus dan medan magnet.

Bahan-bahan yang mengalami efek Hall antara lain: As, C, Bi, Cu, Fe, Ge, tipe N, Si, Sn, dan Te.

DETEKTOR SUHU RESISTANSI (Resistance Temperature Detector, RTD)

Terbuat dari bahan dengan resistansi yang memiliki koefisien suhu positif atau negatif. Platina secara luas banyak digunakan untuk sensor suhu, sebab memiliki kestabilan yang lebih baik dibanding logam lain. Di samping itu, platina layak dipakai pada rentang suhu lebar ( 4 K hingga 1337 K) dan tidak sensitif terhadap kontaminasi. Tingkat keterulangan sensor platina sangat bagus.

Tabel 4.1 Sensitivitas sensor platina.

Suhu (oC) Sensitivitas (/oC)

0

100

200

300

400

0,390

0,378

0,367

0,355

0,344

Termistor Dibuat dari bahan semikonduktor, misalnya tembaga oksida, kobal oksida,

mangan oksida, nikel oksida, dan titanium oksida. Memiliki ukuran sensor cukup kecil, tidak ada problem resistansi kawat

penghubung (sebab resistansi termistor cukup tinggi), perubahan resistansi sangat besar (kira-kira 10 kali RTD), dan tahan goncangan.

4-5

Hubungan resistansi termistor terhadap suhu sangat tidak linier. Hanya dapat digunakan untuk rentang suhu yang sempit (dibatasi suhu

maksimum semikonduktor yang rata-rata sampai 150 oC).

TERMOKOPEL Terdiri atas dua jenis material logam yang dihubungkan secara termal dan

listrik. Potensial timbul pada bidang batas dua material jika terjadi perbedaan suhu

(efek Seebeck).

Tabel 4.2 Sensitivitas termoelektrik beberapa jenis material terhadap platina.

MATERIAL SENSITIVITAS(V/oC)

MATERIAL SENSITIVITAS(V/oC)

Konstantan

Nikel

Alumel

Karbon

Aluminium

Perak

-35

-15

-13,6

+3

+3,5

+6,5

Tembaga

Emas

Wolfram

Besi

Khromel

Silikon

+6,5

+6,5

+7,5

+18,5

+25,8

+440

Sensitivitas termokopel SA/B = SA/Pt - SB/Pt

Tegangan keluar (Vo) Vo = SA/B(T1 - T2)dengan

SA/B adalah sensitivitas kombinasi material A dan BT1 adalah suhu titik hubung-1T2 adalah suhu titik hubung-2

Gambar 4.7 Rangkaian dasar termokopel

Jika suhu titik hubung J3 dan J4 sama, maka titik hubung tersebut tidak mempengaruhi tegangan keluar.

UJI KEMAMPUAN

4-6

Nama : ………………………………….. NIM : ………………. Klas: ……….

(1) Jelaskan perbedaan antara sensor dan transduser disertai contoh.

(2) Potensiometer lilitan kawat dengan panjang 100 mm memakai kawat berdiameter 0,10 mm yang dililitkan pada sebuah silinder. Tentukan resolusi potensiometer.

(3) Jika potensiometer pada soal-2 memiliki resistansi 2000 ohm dan mampu menyerap daya 2 W, tentukan tegangan sumber yang diperlukan agar diperoleh sensitivitas maksimum. Apakah perubahan tegangan sumber mempengaruhi batas resolusi?

(4) Bandingkan antara RTD platina (PT-100) dengan termistor jika digunakan untuk mengukur suhu.

(5) Tentukan sensitivitas termokopel dan tegangan keluarnya jika suhu dingin 0oC dan suhu panas 200 oC untuk material berikut.

(a) khromel-alumel(b) tembaga-konstantan

SOAL-JAWAB KULIAH-5

4-7

(1) Jelaskan perbedaan antara sensor dan transduser disertai contoh.

Sensor adalah piranti yang secara langsung memungut informasi dari medium terukur (primary sensing element).

Contoh: RTD, strain gage, inti LVDT. Transduser adalah piranti yang mengubah suatu bentuk energi atau besaran

fisik menjadi bentuk energi atau besaran fisik lain (definisi umum). Transduser adalah piranti yang mengubah besaran mekanik menjadi listrik

atau sebaliknya (definisi khusus).Contoh: Transduser tekanan, piranti LVDT, Transduser piezoelektrik.

(2) Potensiometer lilitan kawat dengan panjang 100 mm memakai kawat berdiameter 0,10 mm yang dililitkan pada sebuah silinder. Tentukan resolusi potensiometer.

Jika kawat dililitikan rapat, resolusi potensiometer sama dengan diameter kawat yang merupakan resolusi terkecil.

(3) Jika potensiometer pada soal-2 memiliki resistansi 2000 ohm dan mampu menyerap daya 2 W, tentukan tegangan sumber yang diperlukan agar diperoleh sensitivitas maksimum. Apakah perubahan tegangan sumber mempengaruhi batas resolusi?

Sensitivitas maksimum terjadi pada tegangan terbesar (penyerapan daya terbesar).R = 200 P = 2 WDari hukum Ohm V = IR dan persamaan daya P = VI diperolehSehingga, V = 20 volt.

(4) Bandingkan antara RTD platina (PT-100) dengan termistor jika digunakan untuk mengukur suhu.

RTD Platina : Stabil Rentang suhu lebar ( 4 K hingga 1337 K) dan Tidak sensitif terhadap kontaminasi. Tingkat keterulangan sangat bagus.

Termistor :

Ukuran cukup kecil Tidak ada problem resistansi kawat penghubung Perubahan resistansi sangat besar (kira-kira 10 kali RTD) Tahan goncangan. Hubungan resistansi terhadap suhu sangat tidak linier. Rentang suhu yang sempit.

(5) Tentukan sensitivitas termokopel dan tegangan keluarnya jika suhu dingin 0oC dan suhu panas 200 oC untuk material berikut.

(a) Sensitivitas Skhromel/alumel = +25,8 - (-13,6) = 39,4 V Tegangan keluar (Vo) Vo = 39,4 (200-0) = 7880 V = 7,8 mV

(b) Sensitivitas Stembaga/konstanta = +6,5 - (-35) = 41,5 V Tegangan keluar (Vo) Vo = 41,5 (200-0) = 8300 V = 8,3 mV

4-8