BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Suatu sistem kontrol adalah suatu sistem yang dirancang untuk dapat bertindak sebagai penghubung yang menjamin terjadinya suatu kelakuan sesuai dengan yang diinginkan dari suatu proses yang dikontrol. Kontrol berarti mengukur nilai dari variabel sistem atau proses yang dikontrol dan menerapkan variabel yang dimanipulasi ke sistem untuk mengoreksi atau membatasi penyimpangan nilai yang diukur dari nilai yang dikehendaki. Untuk merancang suatu sistem kontrol dalam industri. Salah satu hal yang penting untuk dipelajari diantaranya adalah jenis- jenis sensor yang ada..Memahami jenis-jenis sensor adalah syarat utama jika kita ingin mendesain pengontrol dari sebuah sistem. 1.2 Tujuan Penulisan a. Mahasiswa diharapkan dapat memahami jenis-jenis sensor b. Mahasiswa dapat mengetahui contoh sensor yang ada di pasaran. 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Suatu sistem kontrol adalah suatu sistem yang dirancang untuk dapat bertindak sebagai
penghubung yang menjamin terjadinya suatu kelakuan sesuai dengan yang diinginkan dari suatu
proses yang dikontrol. Kontrol berarti mengukur nilai dari variabel sistem atau proses yang
dikontrol dan menerapkan variabel yang dimanipulasi ke sistem untuk mengoreksi atau
membatasi penyimpangan nilai yang diukur dari nilai yang dikehendaki.
Untuk merancang suatu sistem kontrol dalam industri. Salah satu hal yang penting untuk
dipelajari diantaranya adalah jenis-jenis sensor yang ada..Memahami jenis-jenis sensor adalah
syarat utama jika kita ingin mendesain pengontrol dari sebuah sistem.
1.2 Tujuan Penulisan
a. Mahasiswa diharapkan dapat memahami jenis-jenis sensor
b. Mahasiswa dapat mengetahui contoh sensor yang ada di pasaran.
1
BAB II
PEMBAHASAN JENIS-JENIS SENSOR
2.1. Pembahasan Sensor
Sensor adalah sesuatu yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan
fisik atau kimia. Selanjutnya perubahan fisik yang dideteksi diubah menjadi besaran lain atau
diubah menjadi perubahan sinyal atau besaran diantaranya perubahan arus, tegangan ataupun
resistansi. Sensor dikelompokkan menjadi beberapa jenis diantaranya sensor posisi, sensor suhu,
Tegangan keluaran emf (elektro motive force) thermokopel masih sangat rendah, hanya
beberapa milivolt. Thermokopel bekerja berdasarkan perbedaan pengukuran. Oleh karena itu jika
ukntuk mengukur suhu yang tidak diketahui, terlebih dulu harus diketahui tegangan Vc pada
suhu referensi (reference temperature). Bila thermokopel digunakan untuk mengukur suhu yang
tinggi makaa akan muncul tegangan sebesar Vh. Tegangan sesungguhnya adalah selisih antara
Vc dan Vh yang disebut net voltage (Vnet).
Besarnya Vnet ditentukan dengan rumus :
Vnet = Vh - Vc
Keterangan :
Vnet = tegangan keluaran thermokopel
Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi
Vc = tegangan referensi
b. Thermistor
Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang berbanding
terbalik dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin kecil resistansi.
Gambar 2.2 Rangkaian Thermistor
4
Gambar 2.3 Jenis-jenis thermistor
c. Resistance Temperature Detectors
Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang sebanding
dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar. RTD terbuat dari
sebuah kumparan kawat platinum pada papan pembentuk dari bahan isolator. RTD dapat
digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0,03 0C dibawah 5000C dan 0,1 0C
diatas 10000C.
Gambar 2.4 Sensor RTD
d. IC Temperature Sensor
Misalnya IC jenis ini adalah LM35. Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi tegangan
tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu. Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10
mV/0C. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, sesor ini mampu
5
bekerja pada rentang suhu -550C – 1500C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 V pada suhu 00C
dan ketelitian sensor ini adalah ± 10C.
Gambar 2.5 IC LM35
2. Sensor Cahaya
Gambar 2.6 Sensor cahaya
Sensor cahaya terdiri dari 3 kategori. Fotovoltaic atau sel solar adalah alat sensor sinar yang
mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik, dengan adanya penyinaran cahaya akan
menyebabkan pergerakan elektron dan menghasilkan tegangan. Demikian pula dengan
Fotokonduktif (fotoresistif) yang akan memberikan perubahan tahanan (resistansi) pada sel-
selnya, semakin tinggi intensitas cahaya yang terima, maka akan semakin kecil pula nilai
6
tahanannya. Sedangkan Fotolistrik adalah sensor yang berprinsip kerja berdasarkan pantulan
karena perubahan posisi/jarak suatu sumber sinar (inframerah atau laser) ataupun target
pemantulnya, yang terdiri dari pasangan sumber cahaya dan penerima.
Berikut merupakan jenis-jenis dari sensor cahaya :
a. Fotovoltaic (Solar Cell/Fotocell)
Berfungsi untuk mengubah sinar matahari menjadi arus listrik DC. Tegangan yang
dihasilkan sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai permukaan solar cell. Semakin
kuat sinar matahari tegangan dan arus listrik Dc yang dihasilkan semakin besar.Bahan pembuat
solar cell adalah silicon, cadmium sullphide, gallium arsenide danselenium.
Prinsip kerja: Bila cahaya jatuh pada solar cell, depletion layer akan berkurang dan
elektron berpindah melalui hubungan “pn”. Besarnya arus yang mengalir sebanding dengan
perpindahan elektron yang ditentukan intensitas cahayanya.
b. Fotoconductiv
Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi perubahan konduktivitas.
Kebanyakan komponen ini erbuat dari bahan cadmium selenoide atau cadmium sulfide.
Tipe-tipe Fotoconductiv:
LDR (Light Dependent Resistor)
Berfungsi untuk mengubah itensitas cahaya menjadi hambatan listrik. Semakin banyak
cahaya yang mengenai permukaan LDR hambatan listrik semakin besar.
Fotodiode
Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi konduktivitas dioda. Fotodiode
sejenis dengan dioda pada umummya, perbedaannya pada fotodiode ini adalah dipasangnya
sebuah lensa pemfokus sinar untuk memfokuskan sinar jatuh pada pertemuan ”pn”.
Prinsip kerja : Energi pancaran cahaya yang jatuh pada pertemuan “pn” menyebabkan
sebuah elektron berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Elektron berpindah ke luar dari
valensi band meninggalkan hole sehingga membangkitkan pasangan elektron bebas dan hole.
Fototransistor
Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi konduktivitas transistor. Fototransistor
sejenis dengan transistor pada umummya. Bedaannya, pada fototransistor dipasang sebuah lensa
pemfokus sinar pada kaki basis untuk memfokuskan sinar jatuh pada pertemuan ”pn”.
7
c. Fotolistrik
Sensor PIR (Passive Infra Red) adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi adanya
pancaran sinar infra merah. Sensor PIR bersifat pasif, artinya sensor ini tidak memancarkan sinar
infra merah tetapi hanya menerima radiasi sinar infra merah dari luar.
Gambar 2.7 sensor PIR
Sensor ini biasanya digunakan dalam perancangan detektor gerakan berbasis PIR. Karena
semua benda memancarkan energi radiasi, sebuah gerakan akan terdeteksi ketika sumber infra
merah dengan suhu tertentu (misal: manusia) melewati sumber infra merah yang lain dengan
suhu yang berbeda (misal: dinding), maka sensor akan membandingkan pancaran infra merah
yang diterima setiap satuan waktu, sehingga jika ada pergerakan maka akan terjadi perubahan
pembacaan pada sensor.
Sensor PIR terdiri dari beberapa bagian yaitu :
Lensa Fresnel
Penyaring Infra Merah
Sensor Pyroelektrik
Penguat Amplifier
Komparator
8
Gambar 2.8 bagian penyusun sensor PIR
Cara kerja pembacaan sensor PIR
Pancaran infra merah masuk melalui lensa Fresnel dan mengenai sensor pyroelektrik,
karena sinar infra merah mengandung energi panas maka sensor pyroelektrik akan menghasilkan
arus listrik. Sensor pyroelektrik terbuat dari bahan galium nitrida (GaN), cesium nitrat (CsNo3)
dan litium tantalate (LiTaO3). Arus listrik inilah yang akan menimbulkan tegangan dan dibaca
secara analog oleh sensor. Kemudian sinyal ini akan dikuatkan oleh penguat dan dibandingkan
oleh komparator dengan tegangan referensi tertentu (keluaran berupa sinyal 1-bit). Jadi sensor
PIR hanya akan mengeluarkan logika 0 dan 1, 0 saat sensor tidak mendeteksi adanya pancaran
infra merah dan 1 saat sensor mendeteksi infra merah. Sensor PIR didesain dan dirancang hanya
mendeteksi pancaran infra merah dengan panjang gelombang 8-14 mikrometer. Diluar panjang
gelombang tersebut sensor tidak akan mendeteksinya. Untuk manusia sendiri memiliki suhu
badan yang dapat menghasilkan pancaran infra merah dengan panjang gelombang antara 9-10
mikrometer (nilai standar 9,4 mikrometer), panjang gelombang tersebut dapat terdeteksi oleh
sensor PIR. (Secara umum sensor PIR memang dirancang untuk mendeteksi manusia).
Sensor PIR memiliki jangkauan jarak yang bervariasi, tergantung karakteristik sensor.
Proses penginderaan sensor PIR dapat digambarkan sebagai berikut:
9
Gambar 2.9 Jangkauan sensor PIR
3. Sensor aliran
Gambar 2.10 Orifice Plate
Orifice Plate adalah salah satu alat yang digunakan untuk mengukur laju kecepatan aliran
fluida di dalam saluran yang tertutup (pipa) berdasarkan prinsip beda tekanan, yaitu prinsip
Bernoulli yang menyatakan bahwa ada hubungan antara tekanan fluida dan kecepatan fluida.
Ketika meningkatkan kecepatan, tekanan berkurang dan sebaliknya.
10
Prinsip Kerja Orifice
Gambar 2.11 Prinsip kerja Orifice Plate
Orifice Plate merupakan suatu pelat tipis dengan lubang ditengahnya. Biasanya dipasang
di pipa dimana ada aliran fluidanya. Ketika fluida mencapai pelat Orifice, fluida akan dipaksa
untuk masuk melalui lubang kecil di pelat orificenya. Dengan begitu, kecepatan dan tekanan dan
aliran berubah. Dapat digunakan pada fluida yang bersih dan gas. Tidak biasa digunakan pada
fluida yang mengandung kotoran/solid.
Vena contracta, adalah suatu titik pada aliran fluida, dimana diameter alirannya adalah
yang paling terkecil, tekanannya minimum dan kecepatannya maksimum. Setelah melewati vena
contracta itu, diameter fluida melebar, kecepatan dan tekananya pun berubah kembali. Dengan
menghitung perbedaan tekanan pada saat di keadaan biasa dan pada saat vena contracta, maka
besarnya laju kecepatan aliran fluida dapat kita cari dengan persamaan Bernoulli.
Berikut adalah pemasangan Orifice Plate
Gambar 2.12 Pemasangan Orifice Plate
11
Jenis-Jenis Orifice Plate :
a. Concentratic Orifice Plate
Merupakan jenis orifice plate yang umum digunakan. Letak lubang penghalang
konsentris dengan penampang pipa. Digunakan untuk mengukur volume gas, liquid dan
steam dalam jumlah yang besar.
Gambar 2.13 Concentric Orifice Plate
b. Eccentric Orifce Plate
Titik pusat lubang penghalang tidak satu garis pusat dengan pusat penampang pipa.
Pemasangan lubang yang tidak konsentris ini dimaksud untuk mengurangi masalah jika
fluida yang diukur membawa berbagai benda padat (solid)
Gambar 2.13 Eccentric Orifice Plate
c. Segmental Orifice Plate
Segmental orifice plates digunakan terutama pada service yang sama dengan
eccentric orifices, sehingga kelebihan dan kekurangan adalah kurang lebih sama.
12
Gambar 2.14 Segmental Orifice Plate
Keuntungan dan Kerugian Penggunaan Orifice Plate
Keuntungan dari penggunaan orifice plate adalah sebagai berikut:
1. Konstruksi sederhana
2. Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan.
3. Harga pembuatan alat cukup murah
4. Output cukup besar
5. Mudah dalam pemasangan
6. Mudah dalam penggantian
Sedangkan kerugian dari penggunaan orifice plate adalah sebagai berikut:
1. Jika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut akan terkumpul
pada bagian pelat disisi inlet.
2. Jangkauan pengukuran sangat rendah
3. Dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan pengukuran jadi
besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer.
4. Tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang bertekanan rendah
Orifice Plate biasanya dipasang pada pipa yang butuh diukur aliranairnya secara berkala.
Biasa juga dipasang di beberapa sungai kecil untuk mengukur laju aliran air pada lokasi dimana
sungai tersebut masuk kesaluran air. Akan tetapi hanya sungai tertentu saja, karena aliran air
yang melewati orifice plate harus tetap penuh dan tidak ada kotoran yang masuk
Orifice plate juga digunakan untuk mengukur aliran air pada perusahaan air minum.
Orifice plate tidak bisa digunakan untuk air yang kotor sehingga air yang stelir seperti air minum
bisa diukur alirannya menggunakan orifive palte.
Berikut adalah beberapa vendor dari orifice plate, yaitu sebagai berikut :(datasheet terlampir.)
13
1. Rosemount
2. Wika
3. Samson
4. Fuji Electric
Rumus yang digunakan dalam perhitungan laju aliran pada orifice plate adalah sebagai
berikut:
Q=C A2 √ 2(P1−P2)
ρ(1−β4)
Dimana
Q = lajualiran volumetric, m³/s
C = koefisienaliran orifice
A2 = luasdarilubang orifice, m²
P1 = tekanan pada pipasebelummasuk orifice, N/m2
P2 = tekananpadapipasetelahmasuk orifice, N/m2
ρ = beratjenis, kg/m³
β = perbandingan diameter lubang orifice dengan pipa
4. Sensor tekanan
Gambar 2.15 Sensor Tekanan
Sensor tekanan - sensor ini memiliki transduser yang mengukur ketegangan kawat, dimana
mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Dasar penginderaannya pada perubahan
tahanan pengantar (transduser) yang berubah akibat perubahan panjang dan luas penampangnya.
14
5. Sensor Jarak
Salah satu sensor jenis ini yaitu sensor ultrasonic. Sensor ultrasonik bekerja berdasarkan
prinsip pantulan gelombang suara, dimana sensor ini menghasilkan gelombang suara yang
kemudian menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya.
Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang
suara tersebut adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya.
Jenis objek yang dapat diindera diantaranya adalah: objek padat, cair, butiran maupun tekstil.
Gambar 2.16 Sensor Ultrasonik
6. Sensor Kelembaban
Jenis – jenis sensor kelembaban (humidity sensor) :
a. Capacitive Sensors
b. Electrical Conductivity Sensors
c. Thermal Conductivity Sensors
Berikut merupakan penjelasan lebih lanjut mengenai jenis-jenis sensor kelembaban :
a. Capasitive Sensors (sensor kapasitif)
Sebuah kapasitor air-filled/terisi-udara dibuat sebagai suatu sensor kelembaban relative karena uap dalam atmosfer merubah permivitas elektrik udara menurut persamaam di bawah ini:
Ps = adalah tekanan saturasi uap air ditemperatur T (dalam mHg)
H = adalah kelembaban relative (dalam %)
Rumus tersebut menunjukan konstanta dielektrik dari udara basah, dan untuk itu kapasitansi adalah sebanding dengan kelembaban relative.
Jarak atau ruang antara plat kapasitor dapat diisi dengan suatu isolator yang tepat yang memiliki konstanta dielektrik yang berubah secara signifikan suatu waktu tergantung kelembaban. Sensor kapasitif dapat dibentuk dari film polimer hygroscopic dengan lapisan metal elektroda pada bagian yang berlawanan. Kapasitansi suatu sensor kira-kira proporsional/sebanding dengan kelembaban relative H
Dimana Co adalah kapasitansinya pada H = 0
Gambar 2.17 Capacitive Moisture sensing system
Pada gambar 2.17 menunjukkan sebuah block diagram system pengukuran kapasitif, dimana konstanta dielektrik dari contoh/sample material tersebut merubah frekuensi osilator. Metode tersebut memiliki beberapa keterbatasan ; sebagai contohnya,keakuratannya kurang ketika pengukuran kelembaban dibawah 0,5%, material yang dijadikan contoh tersebut harus bersih dari parikel asing yang memiliki konstanta dielektrik relative yang tinggi (contohnya: benda metal dan plastic), dan suatu penentuan contoh pengukuran harus dipertahankan.
Sebuah sensor kelembaban film tipis dapat terbuat padasebuah substrat silicon. Sebuah lapisan dari SiO2 3000 Å thick ditempatkan pada suatu substrat n-Si (gbr. 13.4 B) Dua metal elektroda ditempatkan pada lapisan SiO2 tersebut Metal-metal tersebut terbuat dari aluminium, chromium, atau phosphor yang didoping polysilikon (LPCVD)2. Kerapatan elektroda berkisar 2000-5000 Å. Elektroda tersebut terbentuk dalam pola integritas yang ditunjukkan pada gbr.2.18.
Sensor yang paling baik dilapisi dengan sebuah lapisan dielektrik. Untuk lapisan ini, beberapa material dapat digunakan seperti vapor deposited SiO2 atau phosphorosilicate glass (CVDPSG).Kerapatan dari lapisan berkisar antara 30-4000 Å.
b. Electrical Conductivity Sensors (Sensor Konduktivitas Elektrik)
Resistansi dari banyak konduktor nonmetal secara umum tergantung pada kandungan air konduktor tersebut, yang merupakan suatu dasar dari sensor kelembaban resistif atau hygrostator
Gambar 2.19 Composition of a conductive humidity sensor
Sensor tersebut berisi suatu material yang secara relative resistivitasnya rendah yang berubah secara signifikan dibawah perubahan kondisi kelembaban.Contoh lainnya dari sensor kelembaban konduktivitas adalah disebut dengan “Pope element”, yang terdiri dari polystyrene yang dilakukan/diperlakukan dengan asam sulfur untuk memperoleh karakteristik surface-resistivitas yang diinginkan. Material lainnya yang menjanjikan untuk pembuatansuatu film dalam sensor konduktivitas adalah solidpolyelectrolytes karena konduktivita elektrik dari bahan itu bervariasi/berubah terhadap kelembaban.
Sensor kelembaban solid-state dapat dibuat dengan substrat silicon. Silikon tersebut harus berkonduktansi tinggi, yang menyediakan garis edar elektrik dari elektroda aluminium hampa udara/vacuum yang ditempatkan pada permukaan sensor. Suatu lapisan oksida yang dibentuk pada bagian atas lapisan aluminium konduktiv, dan pada bagian atas itu, alektroda lainnya dibentuk. Lapisan aluminium tersebut dianodized dalam suatu cara untuk membentuk permukaan oksida berpori.
Elektroda bagian paling atas/diatasnya terbuat dari suatu bentuk emas berpori yang dapat ditembus gas, dan diwaktu yang sama dapat menyediakan kontak elektric.
Oksida aluminium (Al2O3), seperti banyak material-material lainnya, yang dengan siap mengabsorbsi air ketika terkontak/terhubung dengan campuran gas yang mengandung air dalam keadaan beruap air.
c. Thermal Conductivity Sensors (Sensor Konduktivitas Thermal)
Penggunaan konduktivitas thermal dari gas untuk mengukur kelembapan dapat di ukur oleh sebuah sensor thermistor / dasar (gambar 2.20).Dua thermistor kecil (Rt1 dan Rt2) didukung dengan kawat-kawat tipis untuk memperkecil rugi konduktivitas thermal. Thermistor pada sebelah kiri dibuka agar gas yang berada di luar masuk melalui lubang, dan thermistor sebelah kanan tertutup dengan rapat dalam udara kering. Thermistor tersebut memperkuat / menghasilkan self- heating pada penerimaan arus rangkaian.
Gambar 2.20 Absolute humiditysensor with self-heating thermistor
Awalnya, jembatan diseimbangi dalam udara kering untuk menentukan suatu nilai referensi nol. Keluaran dari sensor ini bertambah secara berangsur-angsur seperti kenaikan kelembapan absolute dari nol.
7. Sensor posisi
Sensor posisi merupakan suatu sensor yang dapat mendeteksi orientasi posisi dari suatu objek. Berikut merupakan beberapa jenis sensor posisi.
a. LiDAR Sensor ( Light Detection and Ranging )
LiDAR Sensor adalah sebuah sensor yang berfungsi sebagai pemancar sinar laser ke
object dan merekam kembali gelombang pantulannya setelah mengenai objek target. Sinar laser
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) merupakan suatu mekanisme
pemancaran radiasi elektromagnetik dalam bentuk cahaya tunggal dan koheren pada spectrum