5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Sensor

D Sharon, dkk (1982), mengatakan sensor adalah suatu

peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau

sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti

energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi

mekanik dan sebagainya.. Contoh; Camera sebagai sensor

penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai

sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor

cahaya, dan lainnya.

Menurut William D.C, (1993), mengatakan transduser

adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam

sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam

bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem

transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik,

mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas). Contoh;

generator adalah transduser yang merubah energi mekanik

menjadi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah

energi listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya. Sedangkan

pengertian sensor secara umum.

Sensor adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu

besaran fisis menjadi sinyal besaran fisis yang lain yang dapat

diukur. Sensor juga bisa digunakan sebagai indera suatu alat

(instrument). Sensor merupakan elemen pertama yang

bersentuhan langsung dengan obyek yang diukur. Sinyal dari

sensor akan diteruskan ke unit proses selanjutnya untuk diolah

sehingga menghasilkan output sesuai keinginan. Contoh Besaran

yang paling banyak diukur : posisi, force, kecepatan, percepatan,

tekanan, level, flow, dan temperature. Dalam dunia industry

sensor digunakan sebagai monitoring, controlling dan proteksi.

Tranduser merupakan gabungan dari sensor dan signal

conditioning. Di dalam tranduserlah sistem, proses atau variabl

mlwati komponen – komponen didalamnya misalnya sensor,

5

6

transmitter dan amplifier. Keluaran atau outputnya siap untuk

masuk bagian ketiga dari sistem pengukuran yaitu prossesing data

element.

Transmitter adalah bagian dalam sinyal conditioning di

sistem penukuran. Transmitter mempunyai fungsi sebagai

pembangkit sinyal tanpa harus merubah sistem, proses atau

variabl yang akan diukur ke dalam bentuk eneri yang lain.

Adapun sensor dapat dibagi menjadi 3 macam yaitu sensor optik,

sensor mekanik, dan sensor thermal.

Suatu sensor yang baik mempunyai kriteria sebagai

berikut:

1. Sensitif terhadap besaran yang diukur.

2. Tidak sensitive terhadap besaran lain yang berada

disekitarnya.

3. Tidak mempengaruhi sifat obyek yang diukur.

2.1.1 Tipe sensor :

1. Mekanik. Contoh: panjang, luas, mass low, gaya, Torque,

tekanan, kecepatan, percepatan, panjang gelombang

akustik.

2. Suhu. Contoh : temperature, panas, entropy, heat flow.

3. Elektrik. Contoh : tegangan, arus, muatan, resistance,

frekuensi.

4. Magnetik. Contoh : intensitas medan,fluk density

5. Radian. Contoh : intensitas, panjang gelombang,

polarisasi.

6. Kimia. Contoh : komposisi, konsentrasi, PH, kecepatan

reaksi.

7. Isyarat input

Gambar 2.1 Diagram Blok Sensor

2.1.2 Karakteristik statis sensor

7

Sensor memiliki karakteristik statik yang terbagi dalam

penjelasan sebagai berikut:

2.1.2.1 Accuracy

Accuracy akan menunjukkan range/bound kemungkinan

dari nilai sebenarnya. 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.

2.1.2.2 Sensitivity

Sensitivity merupakan 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 1

oC akan muncul

output sebesar 5 mV.

2.1.2.3 Repeatibility

8

Repeatibility adalah pengukuran terhadap seberapa baik

output yang dihasilkan ketika diberikan input yang sama beberapa

kali. Repeatibility dapat dicari dengan menggunakan persamaan

repeatibility = %100minmax

xfullscale

pers 1

2.1.2.4 Hysteresis

Hysteresis adalah perbedaan output yang terjadi antara

pemberian input menaik dan pemberian input menurun dengan

besar nilai input sama.

2.1.2.5 Linearity

Linearity adalah 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.

2.1.2.6 Tanggapan Waktu

Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat

tanggapannya terhadap perubahan masukan. Sebagai contoh,

instrumen dengan tanggapan frekuensi yang jelek adalah sebuah

termometer merkuri. Masukannya adalah temperatur dan

keluarannya adalah posisi merkuri. Misalkan perubahan

temperatur terjadi sedikit demi sedikit dan kontinyu terhadap

waktu,

2.1.3 Karakteristik Dinamis

Menunjukkan seberapa baik respon sensor terhadap

perubahan pada inputnya secara kontinyu dan teratur. Dilakukan

dengan memberikan input step dan sinusoidal. Jika sensor

berorde satu, parameter yang diamati : rise time, time constant,

dan dead time.

o Rise Time : waktu yang diperlukan agar output

9

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.

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.

2.1.4 Beberapa jenis sensor berdasarkan besaran yang diukur 1. Sensor optik atau cahaya

Sensor optik atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi

perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun

bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. Prinsip kerja

dari sensor ini adalah mengubah energy dari foton menjadi

electron. Contoh :

LDR ( Light Dependent Resistor )

Gambar 2.2 LDR

LDR adalah salah satu sensor cahaya yang terbuat dari

10

semikonduktor dengan resistansi tinggi. LDR memiliki

karakteristik nilai tahanan bergantung dengan jumlah cahaya yang

diterima. Semakin besar intensitas cahaya yang diterima maka

resistansinya akan berkurang. Sebaliknya jika LDR menerima

intensitas cahaya yang sedikit maka resistansinya akan

bertambah.

Pada saat gelap atau cahaya redup, bahan dari cakram

tersebut menghasilkan elektron bebas dengan jumlah yang relatif

kecil. Sehingga hanya ada sedikit elektron untuk mengangkut

muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya redup LDR menjadi

konduktor yang buruk, atau bisa disebut juga LDR memiliki

resistansi yang besar pada saat gelap atau cahaya redup.

Pada saat cahaya terang, ada lebih banyak elektron yang

lepas dari atom bahan semikonduktor tersebut. Sehingga akan ada

lebih banyak elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya

pada saat cahaya terang LDR menjadi konduktor yang baik, atau

bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang kecil pada saat

cahaya terang.

Jadi LDR memiliki karakteristik nilai tahanan bergantung

dengan intensitas cahaya yang di terimanya.

LED

Dioda cahaya atau lebih dikenal dengan sebutan LED (light-

emitting diode) adalah suatu semikonduktor yang memancarkan

cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan

maju.

Ada beberapa karakteristik LED yang perlu diketahui

antara lain:

– Merubah arus menjadi cahaya

– Prinsip kerja kebalikan dari photodiode

– Warna (panjang gelombang) ditentukan oleh band-gap

– Intensitas cahaya hasil berbanding lurus dengan arus

– Non linieritas tampak pada arus rendah dan tinggi

11

– Pemanasan sendiri (self heating) menurunkan efisiensi pada

arus tinggi

Gambar 2.3 Polaritas dan simbol LED

Photodioda

Gambar 2.4 Photodioda

Seperti halnya LDR, photodioda juga bereaksi jika diberi

intensitas cahaya. Hanya saja output yang dihasilkan oleh

photodiode berupa arus. Berbeda dengan LDR yang

menghasilkan outputan berupa hambatan ( resistan ). Besarnya

arus yang dihasilkan bisa berbanding lurus atau berbanding

terbalik terhadap intensitas cahaya yang diterima.

Ada beberapa karakteristik photodioda yang perlu diketahui

antara lain:

Arus bergantung linier pada intensitas cahaya

12

Respons frekuensi bergantung pada bahan (Si 900nm, GaAs

1500nm, Ge 2000nm)

Digunakan sebagai sumber arus

junction capacitance turun menurut tegangan bias mundurnya

Junction capacitance menentukan respons frekuensi arus yang

diperoleh

─ Fotosemikonduktor

Device ini memanfaatkan efek kuantum pada junction,

energi yang diterima oleh elektron memungkinkannya untuk

terpindah. Bila semikonduktor jenis N disinari cahaya maka

elektron yang tidak terikat pada struktur kristal akan mudah lepas.

Jika dihubungkan dengan jenis P akan terjadi beda potensial.

Beda potensial pada bahan silikon umumnya sekitar 0,6-0,8 V.

Fotovoltaic atau sel solar

Sel solar adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar

langsung menjadi energi listrik. Sel solar silikon yang modern

pada dasarnya adalah sambungan PN dengan lapisan P yang

transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P akan

menyebabkan gerakan elektron antara bagian P dan N, jadi

menghasilkan tegangan DC yang kecil sekitar 0,5 volt per sel

pada sinar matahari penuh. Sel fotovoltaic adalah jenis tranduser

sinar/cahaya seperti pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 Cahaya pada sel fotovoltaik menghasilkan tegangan

13

─ Fotokonduktif

Energi yang jatuh pada sel fotokonduktif akan

menyebabkan perubahan tahanan sel. Apabila permukaan alat ini

gelap maka tahanan alat menjadi tinggi. Ketika menyala dengan

terang tahanan turun pada tingkat harga yang rendah. Seperti

terlihat pada gambar 2.3.

( a ) ( b )

Gambar 2.6 (a) Sel Fotokonduktif ; (b) Cahaya pada sel

fotokonduktif mengubah harga resistansi

2. Sensor Suhu

Sensor suhu adalah sensor yang digunakan untuk

mendeteksi gejala perubahan panas/ temperatur/ suhu pada suatu

dimensi benda atau dimensi ruang tertentu.

Contoh :

Bimetal

Bimetal adalah sensor suhu yang sangat sederhana, terbuat

dari 2 logam yang berbeda koefisien muainya dan direkatkan

menjadi satu. Oleh karena perbedaan reaksi muai, bimetal akan

melengkung kearah logam yang koefisien muainya lebih rendah.

Dalam aplikasinya bimetal dapat dibentuk menjadi saklar

normally closed (NC) atau normally open (NO).

Termokopel

Termokopel merupakan sensor suhu yang bekerja

berdasarkan efek seeback. Efek seeback yaitu jika dua kabel yang

14

terbuat dari logam berbeda disambungkan pada kedua ujungnya

dan salah satu ujung itu dipanaskan, maka akan mengalir arus

listrik.” Prinsip kerja dari Thermocouple adalah Jika dua buah

kabel yang terbuat dari logam yang berbeda disambungkan pada

kedua ujungnya dan logam yang berbeda disambungkan pada

kedua ujungnya dan salah satu ujung sambungan itu dipanaskan,

akan mengalir arus.

Termokopel pada pokoknya terdiri dari sepasang

penghantar yang berbeda disambung las dilebur bersama satu

sisi membentuk “hot” atau sambungan pengukuran yang ada

ujung-ujung bebasnya untuk hubungan dengan

sambungan referensi. Perbedaan suhu antara sambungan

pengukuran dengan sambungan referensi harus muncul untuk alat

ini sehingga berfungsi sebagai thermocouple.

( a )

( b )

Gambar 2.7 (a) Termokopel ; (b) Simbol termokopel

IC LM35

Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang

memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran

listrik dalam bentuk tegangan. Sensor Suhu LM35 berupa sebuah

komponen dari berbagai rangkaian elektronika untuk pengukuran.

15

komponen ini juga merupakan komponen

elektronika yang diproduksi oleh National Semiconductor. LM35

memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika

dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga

mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang

tinggi sehingga dapat

dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus ser

ta tidak memerlukan penyetelan lanjutan.

Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan

tetapi yang diberikan kesensor adalah sebesar 5 volt, sehingga

dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan

bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 µA hal ini

berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas (self-

heating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan

pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC

Gambar 2.8 IC LM35

Gambar diatas menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan

tampak bawah. 3 pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin

diantaranya, pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari

LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai tegangan keluaran

atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai dengan 1,5

Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan

antar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensor ini akan naik

sebesar 10 mV setiap derajad celcius sehingga diperoleh

persamaan sebagai berikut :

VLM35 = Suhu* 10 mV

16

Secara prinsip sensor akan melakukan penginderaan pada

saat perubahan suhu setiap suhu 1 ºC akan menunjukan tegangan

sebesar 10 mV. Pada penempatannya LM35 dapat ditempelkan

dengan perekat atau dapat pula disemen pada permukaan akan

tetapi suhunya akan sedikit berkurang sekitar 0,01 ºC karena

terserap pada suhu permukaan tersebut. Dengan cara seperti ini

diharapkan selisih antara suhu udara dan suhu permukaan dapat

dideteksi oleh sensor LM35 sama dengan suhu disekitarnya, jika

suhu udara disekitarnya jauh lebih tinggi atau jauh lebih rendah

dari suhu permukaan, maka LM35 berada pada suhu permukaan

dan suhu udara disekitarnya .

Jarak yang jauh diperlukan penghubung yang tidak terpengaruh

oleh interferensi dari luar, dengan demikian digunakan kabel

selubung yang ditanahkan sehingga dapat bertindak sebagai suatu

antenna penerima dan simpangan didalamnya, juga dapat

bertindak sebagai perata arus yang mengkoreksi pada kasus yang

sedemikian, dengan mengunakan metode bypass kapasitor dari

Vin untuk ditanahkan.

Berikut ini adalah karakteristik dari sensor LM35:

Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier

antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat

dikalibrasi langsung dalam celcius.

Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC

pada suhu 25 ºC seperti terlihat pada gambar 2.2.

Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC

sampai +150 ºC.

Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.

Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.

Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating)

yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam.

Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W

untuk beban 1 mA.

Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.

17

Gambar 2.9 LM35 terhadap suhu

3. Sensor mekanik

Sensor mekanik adalah sensor yang mendeteksi perubahan

gerak mekanis, seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi,

gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dan sebagainya.

Contoh :

Potensiometer

Potensiometer merupakan sensor yang memiliki tiga kaki

dengan tuas yang bisa digeser. Bila semua kaki pada

potensiometer digunakan, maka potensiometer tersebut berfungsi

seperti pembagi tegangan. Sedangkan jika hanya dua kaki yang

digunakan, maka potensiometer tersebut berfungsi seperti

hambatan geser.

Macam-macamnya :

Trimpot (Trimpel Potensiometer), pengaturannya

dengan cara diputar dengan menggunakan obeng.

Pengaturannya sendiri dengan cara memutar secara

langsung pada porosnya.

18

Gambar2.10 Potensiometer

Strain gauge

Gambar 2.11 Strain Gauge

Strain gauge adalah komponen elektronika yang dipakai

untuk mengukur tekanan (deformasi atau strain) pada alat ini.

Alat ini ditemukan pertama kali oleh Edward E. Simmons pada

tahun 1938, dalam bentuk foil logam yang bersifat insulatif

(isolasi) yang menempel pada benda yang akan diukur

tekanannya. Jika tekanan pada benda berubah, maka foilnya akan

ter deformasi, dan tahanan listrik alat ini akan berubah. Perubahan

tahanan listrik ini akan dimasukkan ke dalam rangkaian Jembatan

Wheatstone. Output dari sensor ini adalah berupa perubahan

resistansi yang kemudian dikondisikan dengan menggunakan

wheatstone brige. Sensor inni digunakan dengan cara ditempelkan

pada permukaan logam yang akan diukur regangannya.

19

Besarnya tekanan akan dinyatakan dalam bentuk faktor

gauge, GF yang didefinisikan sebagai

GRR

GF

di mana RG adalah tahanan sebelum ada deformasi, ΔR adalah

perubahan tahanan listrik yang terjadi, dan ε adalah tekanannya.

Piezoelektrik

Gambar 2.12 Piezoelektrik

Piezoelektrik adalah suatu kemampuan yang dimiliki

sebagian kristal maupun bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat

menghasilkan suatu arus listrik jika mendapatkan perlakuan

tekanan.

4. Sensor Aliran Fluida ( Flow Sensor )

Pengukuran aliran mulai dikenal sejak tahun 1732 ketika

Henry Pitot mengatur jumlah fluida yang mengalir. Dalam

pengukuran fluida perlu ditentukan besaran dan vektor kecepatan

aliran pada suatu titik dalam fluida dan bagaimana fluida tersebut

berubah dari titik ke titik.

Pengukuran atau penyensoran aliran fluida dapat digolongkan

sebagai berikut:

1. Pengukuran kuantitas

20

Pengukuran ini memberikan petunjuk yang sebanding dengan

kuantitas total yang telah mengalir dalam waktu tertentu. Fluida

mengalir melewati elemen primer secara berturutan dalam

kuantitas yang kurang lebih terisolasi dengan secara bergantian

mengisi dan mengosongkan bejana pengukur yang diketahui

kapasitasnya.

Pengukuran kuantitas diklasifikasikan menurut :

a. Pengukur gravimetri atau pengukuran berat

b. Pengukur volumetri untuk cairan

c. Pengukur volumetri untuk gas

2. Pengukuran laju aliran

Laju aliran Q merupakan fungsi luas pipa A dan kecepatan V

dari cairan yang mengalir lewat pipa, yakni:

Q = A.V

tetapi dalam praktek, kecepatan tidak merata, lebih besar di pusat.

Jadi kecepatan terukur rata-rata dari cairan atau gas dapat berbeda

dari kecepatan rata-rata sebenarnya. Gejala ini dapat dikoreksi

sebagai berikut:

Q = K.A.V

di mana K adalah konstanta untuk pipa tertentu dan

menggambarkan hubungan antara kecepatan rata-rata sebenarnya

dan kecepatan terukur. Nilai konstantaini bisa didapatkan melalui

eksperimen.

Pengukuran laju aliran digunakan untuk mengukur kecepatan

cairan atau gas yang mengalir melalui pipa. Pengukuran ini

dikelompokkan lagi menurut jemis bahan yang diukur, cairan atau

gas, dan menurut sifat-sifat elemen primer sebagai berikut:

a. Pengukuran laju aliran untuk cairan:

1) jenis baling-baling defleksi

2) jenis baling-baling rotasi

3) jenis baling-baling heliks

21

4) jenis turbin

5) pengukur kombinasi

6) pengukur aliran magnetis

7) pengukur aliran ultrasonic

8) pengukur aliran kisaran (vorteks)

9) pengukur pusaran (swirl)

b. Pengukuran laju aliran gas

1) jenis baling-baling defleksi

2) jenis baling-baling rotasi

3) jenis termal

3. Pengukuran metoda diferensial tekanan

Jenis pengukur aliran yang paling luas digunakan adalah

pengukuran tekanan diferensial. Pada prinsipnya beda luas

penampang melintang dari aliran dikurangi dengan yang

mengakibatkan naiknya kecepatan, sehingga menaikan pula

energi gerakan atau energi kinetis. Karena energi tidak bisa

diciptakan atau dihilangkan ( Hukum perpindahan energi ), maka

kenaikan energi kinetis ini diperoleh dari energi tekanan yang

berubah..

Lebih jelasnya, apabila fluida bergerak melewati penghantar

(pipa) yang seragam dengan kecepatan rendah, maka gerakan

partikel masing-masing umumnya sejajar disepanjang garis

dinding pipa. Kalau laju aliran meningkat, titik puncak dicapai

apabila gerakan partikel menjadi lebih acak dan kompleks.

Kecepatan kira-kira di mana perubahan ini terjadi dinamakan

kecepatan kritis dan aliran pada tingkat kelajuan yang lebih tinggi

dinamakan turbulen dan pada tingkat kelajuan lebih rendah

dinamakan laminer.

Kecepatan kritis dinamakan juga angka Reynold,

Pers 2

dituliskan tanpa dimensi:

VDRD

22

di mana :

D = dimensi penampang arus fluida, biasanya diameter

ρ = kerapatan fluida

V = kecepatan fluida

μ = kecepatan absolut fluida

Batas kecepatan kritis untuk pipa biasanya berada

diantara 2000 dan 2300.Pengukuran aliran metoda ini dapat

dilakukan dengan banyak cara misalnya: menggunakan pipa

venturi, pipa pitot, orifice plat (lubang sempit), turbine flow

meter, rotameter, cara termal, menggunakan bahan radio aktif,

elektromagnetik, ultar sonic dan flowmeter gyro. Cara lain dapat

dikembangkan sendiri sesuai dengan kebutuhan proses. Yang

dibahas dalam buku ini adalah sensor laju aliran berdasarkan

perbedaan tekanan.

2.2 Signal Conditioning

Signal Conditioning merupakan proses untuk

memanipulasi suatu sinyal (pengkondisi), bisa dimanipulasi

menjadi lebih besar, menjadi bentuk sinyal yang lain (sinyal

segitiga menjadi kotak), dsb.

Biasanya proses pengkondisian/ manipulasi sinyal ini

dilakukan untuk mempersiapkan sinyal agar dapat diproses di

tahap processing. Sebagai contoh LM35 adalah sensor suhu

dengan output analog. Output yang dihasilkan sangat kecil, skitar

10mV/derajat celcius, yang dimana berarti tiap kenaikan 1 derajat

celcius, tegangan output LM35 naik 10mV. Bisa dibayangkan

bila tegangan sekecil itu langsung dimasukkin ke ADC yang

dinamakan tahap processing. Selain sulit untuk memproses

datanya karena terlalu sensitif, mungkin pula terlalu kecil buat

diproses di ADC, yang tergantung ADC yang dipakai. Untuk itu

diperlukan proses pengkondisian sinyal/ signal conditioning.

Sinyal dapat dimanipulasi dengan cara dikuatkan sebanyak 10

kali. Maka dikuatkan (amplify) tegangan output LM35 dengan

memakai OP-AMP dengan perhitungan penguatan 10x, lalu

23

kemudian hasil manipulasi (output dari OP-AMP) dimasukkan ke

ADC. Proses manipulasi inilah yang dinamakan signal

conditioning.

Gambar 2.13 Signal Conditioning

2.2.1 Bentuk – bentuk Analog Signal Conditioning :

Perubahan Level Sinyal. Misalnya dengan menguatkan atau

melemahkan level tegangan. Faktor yang penting dalam

pemilihan amplifeier adalah impedansi input.

Linearisasi. Ada rangkaian analog yang berfungsi untuk

melinearkan sinyal.

Konversi. ASC berfungsi untuk mengubah bentuk perubahan

elektris tertentu ke bentuk lain. Misalnya banyak sensor yang

menghasilkan perubahan resistansi akan diubah ke bentuk

sinyal arus atau tegangan melalui rangkaian jembatan.

Filtering dan Impedance Matching. ASC berguna untuk

menghilangkan sinyal-sinyal yang tidak diinginkan pada

frekuensi tertentu. ASC juga berguna untuk menghilangkan

error akibat impedansi internal transducer atau impedansi line

(kabel).

Beberapa contoh pengkondisian sinyal yang dapat dibuat

menggunakan rangkaian pasif sederhana antara lain :

a. Pembagi tegangan ( Voltage Divider )

Power divider/combiner merupakan komponen pasif

mikrowave yang digunakan untuk membagi atau menggabung

Process

Cmax

Cmin

Sensor

Signal

Conditio

ning

ymax

ymin

24

daya, karena baik port input maupun port outputnya match,

seperti yang ditunjukkan pada Gambar Dengan kata lain, power

divider berfungsi sebagai reciprocal passive device, yang dapat

digunakan sebagai power combiner. Dalam membagi daya,

sebuah input sinyal dibagi oleh power divider/combiner menjadi

dua atau lebih sinyal dengan daya yang lebih kecil.

Struktur Divider/Combiner

Jumlah perangkat yang digabung untuk tipe struktur

combiner/divider ini adalah biner. Ini berarti bahwa perangkat

yang dipakai harus sama dengan 2N. Tipe ini disebut juga

tree/corporate structure.

Gambar2.14 Struktur Divider

Wilkinson Power Combiner / divider

Wilkinson power divider berfungsi membagi sinyal

masukan menjadi beberapa sinyal keluaran dengan fasa yang

sama. Prinsip utamanya adalah menyediakan isolasi tinggi

antar output, dengan membatasi efek dari refleksi sinyal,

karena lossless reciprocal, three-port network tidak mempunyai

port-port yang secara simultan match. Wilkinson

menambahkan sebuah resistor untuk mengupayakan port

output match dan secara penuh mengisolasi port 2 dari port 3

pada frekuensi tengah (fc). Keuntungannya adalah resistor

tidak menimbulkan resistive loss pada power divider/combiner,

sehingga idealnya Wilkinson divider memiliki efisiensi 100%.

Jenis power divider ini memiliki empat bagian yang berbeda

yaitu sebagai berikut:

25

1. Input port

2. Quarter-wave transformers

3. Isolation resistors

4. Output ports

Adapun daya yang dibagi sama besar, maka power

divider dapat dikatakan power splitter.

Gambar 2.15 Wilkinson Power Dvider

Pada bagian ini dijelaskan bagaimana Wilkinson

power divider bekerja sebagai pembagi daya. Ketika

sebuah sinyal input masuk port 1, dibagi kedalam sinyal

keluaran yang memiliki amplitudo dan fasa sama pada port

2 dan 3. Karena tiap ujung ada resistor isolasi antara port 2

dan 3, sehingga tidak ada arus yang mengalir

sepanjangnya. Terminasi pada dua port keluaran paralel

terhadap input, sehingga harus ditransformasikan menjadi

2Z0 pada masing-masing port input untuk dikombinasikan

ke Z0. Transformer λ/4 digunakan dalam rangkaian ini

untuk memudahkan kita dalam memahami kondisi match,

tanpa quarter-wave transformer, impedansi yang

menggabungkan dua keluaran pada port 1 menjadi Z0/2.

Impedansi karakteristik saluran quarter-wave harus sama

26

dengan sehingga masukan menjadi match ketika port 2 dan

3 diterminasi Z0.

b. Wheatstone bridge

Wheatstone bridge merupakan suatu rangkaian yang

ditemukan oleh Samuel Hunter Christie dan kemudian

dikembangkan dan dipopulerkan oleh Sir Charles Wheatstone.

Jembatan wheatstone merupakan suatu susunan rangkaian listrik,

untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui harganya.

Tujuan dari percobaan ini adalah untuk menentukan besarnya

suatu hambatan dengan menggunakan metode jembatan

wheatstone dimana prinsip dari metode ini adalah berdasarkan

hukum ohm dan menentukan harga tahanan sebagai fungsi dari

perubahan suhu. Metode jembatan Wheatstone dapat di gunakan

untuk mengukur hambatan listrik. Cara ini tidak memerlukan alat

ukur voltmeter dan amperemater,cukup satu Galvanometer untuk

melihat apakah ada arus listrik yang melalui suatu rangkaian.

Rangkaian Jembatan Wheatstone digunakan untuk

mengkonversi variasi impedansi menjadi variasi tegangan. Salah

satu keuntungan dari rangkaian ini adalah, tegangan yang

dihasilkan dapat bervariasi sekitar nol. Artinya, penguatan dapat

digunakan untuk menaikkan level tegangan, sehingga sensitivitas

terhadap variasi impedansi juga meningkat. Aplikasi lainnya

adalah pada ketepatan pengukuran impedansi. Rangkaian ini juga

digunakan untuk aplikasi signal conditioning, di mana sebuah

sensor dapat mengubah nilai hambatan, ketika variabel proses

juga berubah.

Cara pengukuran hambatan listrik dengan voltmeter dan

ampermeter, dapat menggunakan rangkain seperti gambar (1) dan

gambar (2).

27

Gambar 2.8 Pengukuran Hambatan Cara I

Pengukuran Hambatan cara pertama

Bukti pengukuran gambar 1 menghasilkan harga R :

A

ac

ac RI

VR

Gambar 2.9 Pengukuran hambatan cara kedua

Bukti pengukuran gambar 2 menghasilkan harga R :

V

ABA

AB

R

VI

VR

Metode jembatan Wheatstone dapat di gunakan untuk

mengukur hambatan listrik. Cara ini tidak memerlukan alat ukur

voltmeter dan amperemater, cukup satu Galvanometer untuk

melihat apakah ada arus listrik yang melalui suatu rangkaian.

Prinsip dari rangkaian jembatan

b

I

R

R c

a

V

A IR

I

R R

I

V

a b

V

IA A

28

Prinsip dasar dari jembatan Wheatstone ini adalah

Hukum Kirchoff pertama, yang dimana menyatakan pada setiap

titik percabangan jumlah aljabar arus adalah nol :

In = 0 (1)

Disini In adalah arus yang menuju atau meninggalkan titik

percabangan. Hal ini berarti jumlah arus yang masuk sama

dengan jumlah arus yang keluar.

Hukum Kirchoff kedua menyatakan di dalam suatu rangkaian

tertutup dari suatu jaringan, jumlah potensial sama dengan nol

atau dapat ditulis :

vn = 0 (2)

Apabila terdapat titik-titik a,b,c,d,e,……, maka Vaa = Vab + Vbc +

Vcd + …….+ V…a

Hukum Kirchoff II ini berlaku pada jaringan penghantar linear

dan pada setiap kondisi material tidak reaktif.

Ekspresi lain dari hukum Kirchoff dengan memperhatikan arus

dan tegangan serta konvensi tanda yang benar :

(In.Rn - Vn) = 0 (3)

Disini Rs adalah hambatan dari penghantar ke-n dan Vn besar

tegangan.

Skema rangkaian wheatstone bridge dapat dilihat dibawah

ini :

Gambar 2.15 Wheatstone bridge

29

Keterangan Gambar :

S: Saklar penghubung

G:Galvanometer

E: Sumber tegangan arus

Rs:Hambatan geser

Ra dan Rb : Hambatan yang sudah di ketahui nilainya.

Rx: Hambatan yang akan di tentukan nilainya.

Prinsip kerja dari rangkaian wheatstone bridge ini

diperlihatkan pada gambar 2.7 di atas :

Saat saklar S di tutup,maka arus akan melewati rangkaian.

Jika jarum Galvanometer menyimpang artinya ada arus yang

melewatinya,yaitu antara titik C dan D ada beda potensial.Dengan

mengatur besarnya Ra dan Rb juga hambatan geser Rs akan dapat

di capai galvanometer G tak teraliri arus,artinya tak ada beda

potensial antara titik C dan D.

Dengan demikian, berlaku persamaan :

S

B

a RR

R=Rx

Untuk menyederhanakan rangkaian dan untuk menghubungkan

besarnya R bergantung pada panjang penghantar, maka rangkaian

jembatan Wheatstone dapat di ubah menggunakan kawat

penghantar seperti gambar di bawah ini:

30

Gambar 2.16 Rangkaian Jembatan Wheatstone menggunakan

kontak geser di atas kawat penghantar

Pada kawat penghantar AB di berikan suatu kontak geser yang

berasl dari ujung Galvanometer. Gunanya untuk mengatur agar

tercapai pengukuran panjang L1dan L2 yang akan menghasilkan

arus di Galvanometer sama dengan NOL. Oleh karena itu pada

kawat AB perlu di lengkapi skala ukuran panjang.

c. Rangkaian Filter

Rangkaian filter merupakan rangkaian penyaring jalur

frekuensi tertentu dengan melakukan penguatan atau pelemahan

pada frekuensi tertentu. Filter dapat dibedakan menjadi beberapa

jenis tergantung pada frekuensi yang dilewatkannya, yakni low

pass filter, high pass filter, band pass filter, dan band stop filter.

Low pass Filter

Disebut low pass filter karena filter tersebut melewatkan

frekuensi rendah dan menahan frekuensi tinggi. Rangkaian tapis

low-pass merupakan salah satu aplikasi dari rangkain

jenis non inverting op-amp.

S

R

X

Ra G

E

31

Rumus :

pers 13

Gambar 2.17 Low pass filter.

Sumbu vertikal adalah rasio tegangan output terhadap tegangan

input dengan tanpa memperhatikan fasenya. Jika nilai rasionya

adalah satu, maka sinyal yang dilewatkan tanpa efek pembiasan.

Jika nilainya sangat kecil, atau mendekati nol, maka sinyal

berhasil ditahan. Sedangkan sumbu horizontal adalah rasio

perbandingan antara frekuensi sinyal input terhadap frekuensi

kritis. Frekuensi kritis adalah frekuensi dimana perbandingan

antara tegangan output terhadap tegangan input adalah 0,707.

Gambar 2.18 Rangkaian Low pass filter

32

High pass filter

Filter yang melewatkan frekuensi tinggi dan meredam

frekuensi rendah. Persamaan untuk mencari nilai rasio

tegangan output terhadap input sebagai frekuensi ditunjukkan

sebagai berikut :

pers 14

Maka penguatan tegangan Absolut :

pers 15

Gambar 2.19 Respon High Pass Filter

33

Gambar 2.20 Rangkaian HPF

Band Pass Filter

Band pass filter adalah rangkaian filter yang merupakan

gabungan seri antara low pass filter dan high pass filter

.Sehingga frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi yang

tidak terlalu tinggi dan tidak terlalu rendah. Rangkaian filter ini

melewatkan frekuensi hanya jika frekuensi inputannya berada

dalam range frekuensi kerja dari filter tersebut,dengan kata lain

diantara frekuensi cut off atas (foh) dengan frekuensi cutt off

bawah ( fol ).

Gambar 2.21 respon band pass Filter

Gambar 2.22 rangkaian BPF

34

Pada Band Pass Filter ini ada 2 macam rangkaian yaitu

BPF bidang lebar dan BPF bidang sempit. Untuk membedakan

kedua rangkaian ini adalah dilihat dari nilai figure of merit

(FOM) atau Faktor kualitas (Q).

Bila Q < 10, maka digolongkan BPF bidang lebar.

Bila Q > 10, maka digolongkan BPF bidang sempit.

Perhitungan faktor kualitas (Q) adalah :

pers 16

Sedangkan :

pers 17

Band Stop Filter

Band stop filter adalah rangkaian filter yang merupakan

gabungan pararel antara low pass filter dan high pass filter.

Rangkaian filter ini melewatkan frekuensi hanya jika frekuensi

inputnya berada diluar range frekuensi cut-off (foh) dengan

frekuensi cutt-off bawah (fol).

Gambar 2.23 respon Band stop filte

35

Gambar 2.24 Rangkaian Band Stop Filter

36

Halaman ini sengaja dikosongkan