Sistem Instrumentasi Elektronika.Pengontrol Sistem Elektronika

Blok diagram

Input→

Sistem Pengontrol Elka :- Open Loop Sistem

Supaya out selalu sesuai dengan yang diinginkan, maka diperlukan kalibrasi secara kontinyu.Contoh :

tank – temperature open loop control

- Close Loop System

Transduser

Power Interface Unit

Controller

Rangk.Supervisi

Output

Setting point

outin+-

Procces

Set point

Steam in

Valve

Liquid in

Liquid out

Process+ -

Set point

in out

Contoh :

Transduser : Alat/device yang berfungsi merubah satu bentuk energi ke bentuk enrgi lain, dengan melibatkan energi listrik.

Type/class : - Transduser input : mengubah energi non listrik →listrik- Transduser output :Mengubah energi listrik →non listrik

Sensor : Peralatan yang dipakai untuk mendeteksi dan mengukur suatu besaran(magnitude) energi dan mengubahnya ke dalam besaran energi listrik(arus,tegangan)

Proximity sensor : Mendeteksi keberadaan suatu benda objek (target) tanpa harus kontak fisik.

- Merupakan komponen solid-state (IC) terbungkus kuat untuk mengidari getaran, gangguan kimia, cairan, korosif.

Type : * Induktive Proximity sensor

* Capasitive Proximity SensorPrinsip sama dengan yang inductive, tetapi probenya merupakan elektroda keping kapasitor sehingga mampu menangkap objek baik logam maupun non logam.

Tergantung target

Sensor Cahaya- Photo voltaic cell/solar cell

- Photo Conductive Cell

- Photo Electric

Sensor Hall-Efek (Sensor Maknetik) Mendeteksi keberadaan objek magnet

P N

Lapisan P

Jika lapisan P menerima cahaya, ada perpindahan elektron dan hole → muncul tegangan DC kecil

Jika menerima cahaya, resistansi mengecil, contoh aplikasinya adalah pengontrolan lampu jalanan, pengontrolan selaput pelangi pada kamera dan yang lainnya adalah fotosel sebagai saklar untuk mengontrol on-off.

Jika tidak ada target, output tegangannya = 0 volt. Keberadaan target magnet menyebabkan perubahan posisi mayoritas electron → output tegangan ≠ 0.

Sensor Posisi- LVDT (linear Variabel diferential transformer)

- Ukuran : 0,05 in s/d 10 inchi.- Temperatur kerja -550 s/d 1500c- Akurasi linieritasnya bias sampai 0,25% sebagian untuk ukuran 0.05 in dapat

mengukur sampai ketelitian 0.000125 in.- Amplitudo input : 3 s/d 15 Vrms input.- Frequensi 60 s/d 2.5 khz

- Potensiometer

Parameter-parameter yang harus diperhatiakn pada sensor potensiometer1. Resolusi = Perbandingan daerah pengukuran maksimal dengan jumlah lilitan

=

2. Daya dissipasi Daya yang diserap oleh potensiometer.3. Pengaruh pembebanan yang mempegaruhi linieritas sensor.

Contoh: Suatu poros roda yang bergerak (menggelinding) diharapkan memiliki resolusi gerakan setiap 0 sudut rotasi sebesar 0.1 cm. Sebuah tegangan akan

Sekunder 1 identik dengan sekunder 2 sehingga pada posisi center tegangan output masing-masing sekunder saling menghilangkan Vout = 0 volt karena induksi pada posisi sekunder adalah sama sehingga saling berlawanan satu dan lainnya.Perubahan posisi inti menghasilkan perubahan induktansi mutual untuk masing-masing sekunder → tegangan outputnya adalah selisih antara sekunder 1 dan sekunder 2 dengan fasa yang sama, keduanya tidak saling menghilangkan karena induksi sekunder 1 akan lebih besar dari sekunder 2 atau sebaliknya jika inti digerakkan.

Daerah ukur maxJumlah lilitan

Syarat : resolusi poros P > resolusi sensor

dibangkitkan oleh perputaran kumparan di dalam medan maknitnya dimana keluarannya akan sebanding dengan kecepatan kumparan berputar.Jika poros roda ytersebut bergerak dengan sudut rotasi 2500 yang setara dengan 0.8 dan dihubungkan dengan potensiometer yang dapat berputar max 3000, lilitan 1000 apakah cocok…?

Suatu sensor potensio memiliki data-data nominal sbb:R = 150 ΩPrated = 1W (kemampuan) ini akan turun 100 mw/ C untuk suhu > 600C)Thermal power Ө =300 C/W → tegantung bahan (terdapat di data sheet) dapatkah potensio meter dipakai pada suhu 800C, tegangan 10v.Jawab:

Pdissipasi = = = 667 mW → daya yang diserap

Temperatur potensiometer = 800 + Pdissipasi X Ө= 800C + (0,667 x 30)0C= 1000C ….> 600C

Daya yang diijinkan :P = Prated – (1000-600)(10 mW/ 0C)

= 1W – 400mW= 600mW

Karena Pdissipasi > Ppermitted → tidak boleh

Sensor Ultrasonik

Prinsip : Mengirimkan sinyal suara dan menerimanya lagi kemudian diukur waktunya.Kecepatan suara konstan sehingga diketahui jarak suatu target terhadap sensor.

- Target dapat berupa : bahan padat, cair, tekstil, benda-benda kecil- Suara dapat memantul baik untuk semua target/object diatas

Jawab : Resolusi sensor = = 0,30/lilitan

Resolusi poros =

Maka poros dan potensio cocok → dapat di pakai

3000

1000 lilitan

tan/3125,01,080

250 00

lilicmxcm

Sensor GayaStrain Gauge : Memanfaatkan elastisitas dan resistansi bahan (logam / konduktor). Contohnya adalah Gage Rosette sering digunakan dalam transduser gaya dimana Rosette dirangkaikan pada sebuah rangkaian jembatan wheatstone guna mendapatkan output yang besar.

Rumus dasar :

Resistansi : ohm = hambat jenis [ohm/m]

Konstruksi Strain Gauge

Arah gaya F harus searah dengan kawat-kawat strain gauge

A1

A2

F

A1 < A2

E = modulus elastisitas / modulus Young

Pengaruh Peletakan Strain Gauge terhadap perubahan R

Metode-metode untuk meningkatkan efek strain gauge :

-

-

Anggap ΔR << R

Untuk menghilangkan pengaruh temperatur terhadap ketelitian sensor strain gauge :

Pertanyaan :a). Hitung Vo karena pengaruh F sajab). Hitung Vo karena pengaruh ΔT saja c). Hitung Vo karena pengaruh F & ΔT

Jawab : Untuk rangkaian diatas berlaku Vo = ΔR

a)

b)

E = 10 VoltRo = 240 ΩPengaruh F menyebabkan ΔR1 = 0,013ΩPengaruh ΔT menyebabkan ΔR1 = ΔR2 = 9,4Ω

V0 = VA - VB

= 0,13 mV

V0 = VA - VB

= 0 mV

c)

Kesimpulan, perubahan suhu tidak berpengaruh terhadap rangkaian strain gauge ini.

Sensor TemperaturType :

- Thermocouple

Kelebihan : - Tanpa catu - Sederhana, kokoh, murah, jenisnya banyak dengan variasi range

suhu Kekurangan : - Non linier

- Tegangan out rendah, butuh referensi suhu, tidak stabil dan tidak sensitive

→ Merupakan sepasang konduktor yang berbeda, membentuk ‘junction’ pengukur dan ‘junction’ suhu referensi.

Perbedaan suhu antara junction pengukur dengan junction suhu referensi menghasilkan perbedaan tegangan pada A & B, karena jenis logamnya berbeda.Junction suhu referensi harus dijaga konstan → direndam air es 00 C / 320 F / 2730 K, atau dihubungkan dengan IC AD594/595 (IC thermocouple pair).

V0 = 5 – 4,9987 = 0,13 mV

- RTD (Resistance Temperature Detector)

Kelebihan : - Paling stabil - Paling akurat- Lebih linier daripada thermocouple

Kekurangan : - Mahal - Butuh catudaya- Perubahan resistansi ((ΔR) kecil)- Mudah panas

- Thermistor

Kelebihan : - High out → mudah dibaca- Tanggapan cepat

Kekurangan : - Tidak linier - Range temperature terbatas - Butuh catudaya- Mudah panas

Cara pemanasan : Langsung dan tidak langsung

RTD dan Thermistor biasanya dirangkai sebagai rangkaian jembatan.

Jenis :NTC Tup, Rdown

PTC Tup, Rup

Sensor IC

Kelebihan : - Paling linier- Out paling besar- Murah

Kekurangan : - T < 2000 C- Butuh catudaya- Respon lambat- Mudah panas- Konfigurasi terbatas

Sensor Putaran

TachometerPrinsip : Merupakan motor dc magnet tetapyang rotornya (magnet tetap) terkopel

dengan motor mesin yang diukur putarannya, sehingga perubahan putaran akan menimbulkan perubahan tegangan output tachometer.

Sensor Enkoder

Decimal0123456789101112131415

Abu-abu0000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000

Rangkaian SuperVisi

Input→

Rangkaian supervisi berfungsi untuk menyesuaikan signal sehingga cocok dengan range controller.Alasan penggunaan :

- Output transduser/sensor terlalu kecil - Terkadang harus menempuh jarak yang cukup jauh- Harus diubah ke format lain → merupakan konverter- Sesuai standar internasional (0-5 Volt, 0-10 Volt, 4-20 mA, etc)

OP-AMP- Merupakan general purpose device (amplifier, comparator, diff amplifier, dll) yang

open loop.

Power Interface Unit

Controller

Output

Setting point

Transduser Rangk.Supervisi

Instrumentation Amplifier- Sudah dalam bentuk IC (AD 524) yang closed loop.

- Untuk menghilangkan tegangan offset, kaki no.6 (ref) dihubungkan dengan sumber tegangan.

gR

RV

21120

Stage 1

Stage 2

Gain = 1Untuk normal operation, sense terhubung dengan out dan ref digroundkan

- Juga untuk menggeser sinyal sensor ke Zero point yang berbeda untuk beban yang jauh berlaku

- Untuk beban yang membutuhkan arus besar

Rangkaian Zero dan Span Dengan Inverting Amplifier

Sehingga G2 > 1

Kompensasi drop tegangan di wire

G2 = gain stage 2

Contoh : Dalam sistem pengturan suhu, sensor menghasilkan tegangan out 2.48 V untuk temperatur minimal dan 3.9 V untuk temperatur maksimal. A/D Converter memiliki range input 0-5 Volt, rencanakan rangkaian Zero & Span nya !

Span :

Zero :

Pilih

i

f

in

out

R

Rm

VR

Rb

os

f

= Slope, gain, span

= Y intercept, offset, zero

(orde kilo)

Tentukan tegangan referensi V= -12 Volt

Rcomp = Ros // Ri // Rf = 62,9 KΩPilih R = 2,2 KΩ (orde kilo) R/2 = 1,1 KΩ

V/I Converter untuk beban ditanahkan

Beban maksimal diperoleh dengan syarat :

Jika range ℓin = 0 s/d 1Volt, Iout = 4 mA s/d 20 mA, rencanakan V/I converter grounded loadJawab : Untuk ℓin = 0V ; IL = 4 mA → 4 mA . Rs = 0 - ℓref

ℓin = 1V ; IL = 20 mA → 20 mA . Rs = 1- ℓref - 16 mA Rs = -1

Rs = = 62,5 Ωℓref = - 4 mA x 62,5 = - 0,25 VoltPilih Ra = 3,3 kΩ dan ~ = -15 volt

Maka ℓref

→ Rb = 55,9 Ω pakai pot 100Ω

Beban max yan diijinkan Vsat > IL RL + ℓ2-1 + 0,6

Ros = 454 KΩ

* Untuk IC V/I : XTR 110

VSat = Vout + 0,6 karateristik IC-opamp

Vsat >ILRL + Vout + 0,6

Vsat = (ℓin - ℓref) + 0,6

1V16 mA

Anggap Vsat = 13 volt

RL <

RL <

RL < 568 Ω

I /V converter untuk beban ditanahkan

ℓi min = 4 mA x RL ℓi max = 20 mA x RL

Vout min dan Vout max tergantung kemampuan controller

V/ I Converter untuk beban mengapung (floating load)Dilengkapi dengan offset (span 8 zero)

Contoh : Untuk ℓin = 0 s/d 5 Volt Iout = 4 mA s/d 20 mA Rencanakan V/I converter beban mengapung

R = Ω

ℓref = 2 x 156,25 x 20 mA – 5 Volt = 1,25 Volt

)()(2

)()(

AIBI

ABR

(Span)I(A) = arus min = 4mAI(B) = arus max = 20mA

Tegangan referensi ℓref = 2RI(B) - ℓ(B)

(Span)

I /V Converter untuk beban mengapung

Contoh : Untuk I = 4 mA s/d 20 mA dan Vout =0s/d 10 Volt rencanakan I/V floating load

Pilih Ri = 2,2 KΩAmbil Rf = 10 x Ri → Rf = 22 KΩ

R span = Ω

Vz = 0V -