alat ukur pdf

8/19/2019 Alat Ukur PDF

1/59

ALAT UKUR DAN PENGUKURAN

i


Oleh

Achmad Hardito

POLITEKNIK NEGRI SEMARANG

2009


2/59


ii

DAFTAR ISI

1. PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

Pengertian Alat Ukur Dan Pengukuran ............................................................... 1

Pengelompokan Alat Ukur .................................................................................. 2

2. SISTEM DIMENSI SATUAN DAN STANDAR ........................................ 3

Satuan Sistem International ................................................................................. 3

Analisa Dimensi .................................................................................................. 5

Besaran-Besaran Listrik Standar ......................................................................... 7

3. KESALAHAN DALAM PENGUKURAN .................................................. 9

Jenis-Jenis Kesalahan .......................................................................................... 9

Perhitungan Kesalahan Sistematis ....................................................................... 10

Penjulahan dua komponen atau lebih .................................................................. 10

Pengurangan ........................................................................................................ 12

Perkalian .............................................................................................................. 13

Pembagian ........................................................................................................... 14

Hubungan Parallel ............................................................................................... 144. ALAT UKUR ............................................................................................... 15

Alat Ukur Azas Kumparan Putar ......................................................................... 15

Mekanisme Kumparan Putar magnet Permanen ................................................ 18

5. AMPERMETER DAN VOLTMETER DC ................................................. 22

Ampermeter ......................................................................................................... 22

Voltmeter ............................................................................................................. 23

Shunt Aryston ...................................................................................................... 26

Cara Menentukan Skala Pada Voltmeter Dan Ampermeter ................................ 29Redaman Dan Pergerakan ................................................................................... 31

Ohm Meter .......................................................................................................... 33

6. ALAT UKUR AZAS BESI PUTAR ............................................................ 35

Konstruksi Dan Prinsip Kerja .............................................................................. 35

Ampermeter Dan Voltmeter ............................................................................... 37

Sebagai Ampermeter ........................................................................................... 37

Sebagai Voltmeter ............................................................................................... 39

7.

ALATUKUR AZAS BESI PUTAR ............................................................. 41


3/59


iii

8. ALAT UKUR AZAS INDUKSI ................................................................... 44

Tipe Ferasis ......................................................................................................... 45

Tipe Shaded pole ................................................................................................ 49

9. WATTMETER ............................................................................................. 50

10. KWH-METER ............................................................................................. 51


4/59


iv

KATA PENGANTAR

Dengan mengucap syukur kepada allah SWT, atas segala kemudahan dan keridhoanya sehingga

kami bisa menyelesaikan buku ALAT UKUR DAN PENGUKURAN pada program studi di

jurusan Teknik Elektro Politeknik Negri Semarang. Dengan selesainya penyusunan buku ini

diharapkan bisa memberikan sumbangan dan memperkaya perbendaharaan pada perpustakaan di

Politeknik Negri Semarang, Serta dengan buku ini akan memberi kemudahan kepada mahasiswa

dalam mencari buku referensi yang tepat.

Tak lupa kami sampaikan terima kasih kepada teman-teman pengajar atas masukan dan kritikserta bantuannya untuk menambahkan beberapa materi sehingga buku ini menjadi lebih kaya

akan ilmu pengetahuan.

Akhirnya penulis ucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada semua pihak terutama

kepada : Allah SWT, Istri dan Anak2 ku yang tercinta, Teman-teman dosen dan mahasiswa yang

telah medorong semangat untuk menjadikan buku ini ada.

Penulis


5/59


1

1. PENDAHULUAN.

1.1. Pengertian alat ukur dan pengukuran.

Pengukuran adalah suatu perbandingan antara suatu besaran dengan besaran lain yang

sejenis secara eksperimen dan salah satu besaran dianggap sebagai standar. Dalam

pengukuran listrik terjadi juga pembandingan, dalam pembandingan ini digunakan

suatu alat bantu (alat ukur). Alat ukur ini sudah dikalibrasi , sehingga dalam

pengukuran listrikpun telah terjadi pembandingan. Sebagai contoh pengukuran

tegangan pada jaringan tenaga listrik dalam hal ini tegangan yang akan diukur

diperbandingkan dengan penunjukan dari voltmeter.

Pada pengukuran listrik dapat dibedakan dua hal:

a.

Pengukuran besaran listrik, seperti arus (ampere), Tegangan (Volt), Daya

Listrik (watt), dll

b.

Pengukuran besaran nonlistrik, seperti suhu, kuat cahaya, tekanan dll.

Dalam melakukan pengukuran pertama harus ditentukan cara pengukurannya. Cara dan

pelaksanaan pengukuran itu dipilih sedemkian rupa sehingga alat ukur yang ada dapat

digunakan dan diperoleh efisiensi setinggi tingginya. Jika cara pengukuran dan alatnya

sudah ditentukan , penggunaanya harus dengan baik pula. Setiap alat harus diketahui

dan diyakini cara kerjanya. Dan harus diketahui pula apakah alat alat yang akan

digunakan dalam keadaan baik dan mempunyai kelas ketelitian sesuai dengan

keperluannya.

Alat ukur listrik yaitu peralatan yang memungkinkan untuk mengamati besaran-besaran

listrik, instrumentasi perlu dipelajari agar dalam pemakaian tidak terjadi kesalahan dan

yang perlu diperhatikan dalam pengukuran adalah:

- Alat ukur tidak boleh membebani/mempengaruhi yang diukur atau disebut

mempunyai impedansi masuk yang besar.


6/59


2

-

Mempunyai keseksamaan yang tinggi, yaitu alat harus mempunyai ketepatan dan

ketelitian yang tinggi (mempunyai accuracy error dan precision error yang

tinggi).

- Mempunyai kepekaan (sensitifitas) yang tinggi, yaitu batas input signal yang

sekecil-kecilnya sehingga mampu membedakan gejala-gejala yang kecil.

- Mempunyai stabilitas yang tinggi sehingga menolong dalam pembacaan dan

tidak terganggu karena keadaan yang tidak dikehendaki.

- Kemampuan baca (realibilitas) yang baik, hal ini banyak tergantung dari skala

dan alat penunjukan serta piranti untuk menghindari kesalahan paralak.

- Kemantapan (reabilitas) alat tinggi, yaitu alat yang dapat dipercaya

kebenarannya untuk jangka waktu yang lama.

Hal-hal yang penting diperhatikan pada pengukuran listrik

Cara pengukuran harus benar

Pada pengukuran listrik terdapat beberapa cara Pilih cara yang ekonomis.

- Alat ukur, harus dalam keadaan baik

- Secara periodic harus dicek (kalibrasi)

- Penyimpanan, transportasi alat harus diperhatikan.

- Operator (orang) harus teliti.

- Keadaan dimana dilakukan penelitian harus diperhatikan.

- Jika diperlukan laporan, maka pencatatan hasil pengukuran perlu mendapatkan

perhatian.

- Untuk catatan digunakan buku tersendiri

- Gunakan FORMULIR tetentu


7/59


3

1.2. PENGELOMPOKAN ALAT UKUR

TIK : Dalam pengelompokan ini untuk memudahkan pengaturan pemakaian,

penyimpanan dan keperluan-keperluan lain. Memudahkan dalam tertib

administrasi.

Alat ukur dikelompokan menjadi beberapa macam antara lain:

Menurut macam arus:

a.

Arus searah (DC)

b. Arus bolak balik (AC)

c.

Arus AC dan DC

- Menurut Instrumen sebagai pengukur besaran:

a. Amper meter

b. Volt meter

c.

Ohmmeter

d. Wattmeter

e. Frequensimeter

f. Cos Ø meter

a.

Menurut Azas kerja

g. Analog : Kumparan putar, elektrodinamis, besi putar, induksi, elektrostatis dll

h. Digital : Mekanik, Elektronik.

b. Menurut Sifat penggunaan

i.

Portable

j. Papan hubung (tetap)


8/59


4

k.

Menurut kecermatan pemakaian

l. Instrumen presisi : biasa digunakan dalam laboratorium.

m. Instrumentasi praktis: kerja lapangan, reparasi,industri.

2. SISTEM DIMENSI SATUAN DAN STANDAR

TIK : Mahasiswa diharapkan tidak akan terjadi kekeliruan dalam menuliskan satuan dari

besaran dan diharapkan dengan mengetahui satuan maka tidak terjadi kesalahan

penggunaan rumus.

2.1. Satuan Sistem International

Alat ukur adalah alat yang dapat digunakan untuk mendapatkan/mengetahui hasil

perbandingan antara suatu besaran/ukuran yang ingin diketahui dengan standar yang

dipakai. Fungsi penting dari alat ukur baik alat ukur listrik maupun mekanik adalah

untuk mengetahui nilai yang telah ditentukan sebagai batasan layak atau tidaknya

peralatan/jaringan akan dioperasikan.

Dalam pengukuran kita membandingkan suatu besaran dengan besaran standar sehingga

dalam pengukuran perlu mengetahui besaran, satuan dan dimensi

- Besaran dasar: besaran yang tidak tergantung dengan besaran lain

- Besaran turunan: besaran yang diturunkan dari besaran dasar . jadi merupakan

kombinasi dari besaran dasar.

- Besaran pelengkap: besaran yang diperlukan untuk membentuk besaran

turunan.

Tabel-1 Besaran Dasar Dan Satuan International


9/59


5

Tabel-2 Perkalian Faktor 10 (satuan SI)

2.2. Analisa Dimensi

Besaran-besaran mekanis dapat dinyatakan dalam tiga bentuk besaran : massa, panjang,

dan waktu. Besaran-besaran lainnya merupakan kombinasi antara tiga besaran satuan

mekanis dasar sebagai contoh adalah:

[V] = [L] / [T] Dalam persamaan ini:

V menyatakan dimensi kecepatan


10/59


6

L menyatakan dimensi panjang

T menyatakan dimensi waktu

Pernyataan diatas menyatakan bahwa kecepatan dapat dihasilkan dari pembagian

panjang dan jarak terhadap waktu.

Besaran muatan listrik [Q] dapat dinyatakan sebagai besaran dimensi dasar ke empat

dari urutan [M], [L], [T]. dari keempat dimensi dasar diatas maka dapat dikembangkan

dimensi besaran lainnya sebagai contoh:

- Gaya [F] = [M] x [percepatan]

= [M] x [L] / [T]2

= [M L T

-2 ] dengan satuan Kg.m/detik 2

-Kerja/usaha [W] = [F] x [jarak]

atau Newton.

= [MLT-2

= [ML

] x [L]

2T-2] dengan satuan Kg m2 / dt2

- Arus [I] = [Q]/[T]

atau Joule atau Nm.

= [QT-1

-Perbedaan Potensial [V] = [W]/[Q]

] dengan satuan Coulomb/detik atau Amper.

= [ML2T-2

= [ML

]/[Q]

2T-2Q-1] dengan satuan Kg m2 /dt2

Tabel-3. Besaran Dasar Dan Satuan Internasional

Coulomb atau Volt.


11/59


7

Latihan soal

1. Tahanan [R] = [V]/[I]

2. Daya [P] = [W]/[T]

3. Flux magnetic [Φ] = [V] x [T]

4.

Induktansi = [V]/[I]/[T]

5. Gaya Pemagnitan [H] = [I]/[L]

6.

Induktansi [C] = [Q]/[V]

2.3. Besaran-besaran Listrik Standar

Amper : adalah besarnya arus listrik dalam tiap kawat lurus dengan panjang tak terbatas

serta sejajar pada jarak pisah satu meter, dimana timbul gaya sebesar 2x10-7

Volt : Perbedaan potensial listrik antara dua titik dari suatu kawat penghantar yang

dialiri arus konstan sebesar satu amper, jika daya yang didisipasikan antara dua

buah titik tersebut sebesar satu watt.

Newton pada setiap meter kawat yang terletak pada ruang vakum.

Ohm : Tahanan listrik antara dua buah titik dari suatu penghantar dimana terdapat

perbedaan potensial yang konstan sebesar satu Volt dan besar arus yang

mengalir dalam penghantar tersebut sebesar satu amper, dimana penghantar

tersebut tidak berada dalam gaya gerak listrik (ggl).

Coulomb : Adalah besaran muatan listrik yang dipindahkan selama satu detik oleh arus

sebesar satu amper.


12/59


8

Farrad : Kapasitansi dari suatu kapasitor yang terbuat dari dua buah plat, diantara plat

muncul beda tegangan satu volt jika ia dimuati muatan listrik sebesar satu

coulomb.

Weber : Adalah fluximagnetig yang terbentuk dalam sebuah kumparan dengan satu

lilitan yang menghasilkan gaya gerak listrik dalam kumparan tersebut sebesar

satu volt dengan laju penurunan fluksi menuju nol secara uniform dalam satu

detik.

Tesla : Adalah kerapatan fluksi dari fluksi magnet yang besarnya satu weber setiap

luasan dalam m2 (1 Wb/m2

).

Tabel-4. Konstanta Fisik

Besaran Simbol Nilai Unit Mks Unit Cgs

Kecepatan cahaya

Muatan electron

Electron volt

Ekivalen dengan

Ekivalen dengan

Ekivalen dengan

Konstanta Plank

©-1

(hc/2e)

c

e

….

….

….

….

h

h/e

2,9979250

1,6021917

4,803250

1,602197

2,41717659

8,065465

1,160485

6,626196

4,135708

10 8 m/sec

10 19− C

….

10 19− J

10 14− Hz

105m

10

-1

4

10

K

-34

10

J-sec

-15

J-sec

10 10 cm/sec

10 20− emu

10 10− esu

10 12− erg

10 3 cm 1−

10-27

10

erg-sec

-7 erg-sec/emu


13/59


9

Bilangan Avogadro

Satuan masa atom

Masa diam electron

Masa diam proton

Perbandinan masa

Proton dengan

Masa elektron

Perbandingan

Muatan elektron

Dengan masanya

Kuantum fluksi

Magnet

Konstanta Boltzmann

Konstanta Gravitasi

N

Amu

me

m

e

m

*

m

p

p

*

M p/m

e

e/m

e

5,272759

k

k/e

6,022169

1,660531

9,109558

5,485930

1,672614

1,00727661

1,836.109

1,7588028

….

2,067854

1,380662

8,617087

6,6732

1026 kmole

10

-1

-27

10

Kg

-31

10

Kg

-4

10

amu

-27

amu

Kg

1011

c/kg

10-15 T/-m

10

2

-23

10

J/K

-5

10

V/K

-11

10

N-m2/kg2

23 mole

10

-1

-24

10

g

-28

10

g

-4

10

amu

-24

amu

g

107

emu/g

1017

esu/g

10-7 G-cm

10-

2

16

erg/K

10-8 dyn-

cm2/kg2

3.

KESALAHAN DALAM PENGUKURAN


14/59


10

TIK : Dapat menyebutkan dan menjelaskan jenis jenis kesalahan dalam alat ukur dan

pengukuran.

3.1. Jenis-Jenis Kesalahan:

a. Kesalahan-kesalahan umum ( gross-error ) diakibatkan oleh kesalahan manusia dalam

pembacaan alat ukur, setting alat ukur, salah menaksir dan alat yang tidak sesuai.

b. Kesalahan-kesalahan sistematis ( systematic-error ) adanya kekurangan dalam

instrument dan lingkungan.

c. Kesalahan-kesalahan yang tidak disengaja/acak ( Random-error) penyebab kesalahan

ini tidak dapat secara langsung diketahui. Kesalahan ini bisa disebabkan oleh

perubahan parameter yang mendadak.

Kesalahan pada alat ukur umumnya dinyatakan dalam klas ketelitian yang dinyatakan

dengan klas 0,1, 0,5, 1.0 dst . Alat ukur dinyatakan mempunyai ketelitian klas 0.1 bila

kesalahan maksimum ialah ± 1 % dari skala penuh efektif. Tergantung dari besar

kecilnya ketelitian tersebut alat-alat ukur dibagi menjadi:

- Alat cermat atau presisi, alat ukur dengan ketelitian tinggi (< 0,5%).

- Alat kerja, alat ukur dengan ketelitian menengah (± 1- 2%)

- Alat ukur kasar, alat ukur dengan ketelitian rendah (≥ 3%)

Tabel-5. Klas Ketelitian Alat Ukur Dan Penggunaanya


15/59


11

3.2. Perhitungan Kesalahan Sistematis

3.2.1. Penjumlahan Dua Komponen Atau Lebih

Misal dalam penghitungan hasil akhir adalah Y, dimana hasil akhir tersebut merupakan jumlah dari hasil pengukuran yang terdiri dari tiga hasil pengukuran U, V, dan W yang

masing masing mempunyai kesalahan ± δU, ±δV, ±δW

Hasil Nominalnya Y = U+V+W,

harga maksimum yang mungkin adalah: Y = U+δU+V+δV+W+δW

dan harga minimumnya adalah Y = U-δU+V-δV+W-δW ; sehingga kesalahan Y

δY = ± (δU+δV+δW) ; Kesalahan ini disebut kesalahan mutlak.

δY/Y = ± (δU+δV+δW)/ (U+V+W) x 100% ; Kesalahan ini disebut kesalahan relatif.

= ± (δU/Y + δV/Y + δW/Y ) x 100% ; Σ masing masing komponen.

Contoh:

Dikatahui:

R1= 1000 Ω ± 5%, R2= 2K2 Ω ± 10% , R3= 3K3 Ω ± 5%


16/59


12

Tentukan : a. kesalahan mutlak R

b. Kesalahn relative R

T

T

a. Kesalahan mutlak/absolud R

T

= ± ( 5% x 1000 + 10% x 2200 + 5% x 3300 )

; ΔR = ± ( ΔR1 + ΔR2 + ΔR3 )

= ± ( 50 + 220 + 165 )

= ± 435 Ω

b. Kesalahan relative R T ;

Latihan:

ΔR/R = ± (435 / 6500 ) x 100 % = ± 6,7 %

1. Ampermeter A1

A

= 50 mA ± 5% (BU : 50 mA)

2

Hitung arus total beserta kesalahan mutlak dan relatifnya?

= 100 mA ± 5% (BU : 100 mA)

2. Voltmeter V1

V

= 100 volt ± 5% (BU : 100 V)

2

Hitung tegangan sumber beserta kesalahannya ?

= 200 volt ± 10% (BU : 200 V)

3.2.2. Pengurangan

Y= U – V

Ymak

= ( U

= ( U + ΔU ) – ( V – ΔV )

mak - Vmin

Y

)

min

= U

= ( U – ΔU ) – ( V + ΔV )

min – V

Maka : ΔY = ± ( ΔU + ΔV )

mak

CONTOH


17/59


18/59


14

= UV + UΔV +VΔU + ΔUΔV

Y

diabaikan

min

= UV – UΔV – VΔU +

= (U – ΔU ) ( V – ΔV)

ΔUΔV

Jadi ΔY = ± ( UΔV + VΔU)

diabaikan

ΔY/Y = ± ( ΔU/U + ΔV/V) x 100%

= ± ( ΔU relative + ΔV relative )

CONTOH

Ampermeter BU : 10 mA, klas 5%, terbaca 10 mA

Voltmeter BU : 100 V, klas 5%; terbaca 100 volt.

Dit: a). Absolut error dayanya

b). Relatif error dayanya

Jawab:

watt xVT P 110.10100 3 === −

a) ∆P = ±(V∆I + I∆V)

= ± (100 volt x 5% x 10.10-3

+ 10.10-3

= ± (0,05 watt + 0,05 W) = ± 0,1 watt

A x 5% x 100V)

b) %10%100

1,0=±=

∆

I P

P

3.2.4. PEMBAGIAN

V

U U

V

U Y

∆±∆

∆±→=


19/59


15

∆+

∆±=

∆

∆

+

∆

±=∆

V

V

U

U

Y

Y

V

V U

V

U

Y 2

3.2.5. HUBUNGAN PARALLEL

Rumus umum : Y dy

X X

Z Z ∆+∆=∆

7δ

δ

δ

Dimana :

z : f (x, y)

∆z : kesalahan mutlak z

∆x : kesalahan mutlak x

∆y : kesalahan mutlak y

δz/δy: diferesiasi parsial terhadap x yang dianggap konstan

δy/δz : diferesiasi parsial terhadap y yang dianggap konstan

4. ALAT UKUR

TIK: -Mahasiswa dapat menyebut bagian bagian dari kumparan putar.

-Mahasiswa dapat menjelaskan cara kerja kumparan putar.

4.1. Alat Ukur Azas Kumparan Putar

4.1.1. Prinsip Kerja

Yang dimaksud alat ukur kumparan putar adalah alat ukur yang bekerja atas dasar

prinsip dari adanya kumparan listrik yang ditempatkan pada beban magnet yang berasal

dari suatu magnet permanent .


20/59


16

Didalam alat ukur kumparan putar terdapat magnet permanent, yang mempunyai kutub-

kutub diantaranya ditempatkan disuatu silinder inti besi yang menyebabkan dicelah

udaranya terbentuk medan magnet yang rata, masuk kekutub-kutub tersebut kedalam

silinder secara radial sesuai dengan arah panah pada gambar. Dicelah udara ditempatkan

kumparan putar yang berputar melalui sumbu tiang poros.

Bila arus tidak diketahui besarnya mengalir melalui kumparan tersebut, suatu gaya

elektromagnetik f yang mempunyai arah tertentu akan dikenakan pada kumparan putar

sebagai hasil interaksi antara arus dan medan magnet. Arah gaya f ditentukan menuruthukum tangan kiri Fleming, momen gerak ini diimbangi dengan momen lawan dari

pegas dan posisi seimbang statis di tunjukan oleh jarum pada skala ukurnya.

Gambar-1. Alat ukur kumparan putar Gambar-2. Prinsip kerja meter

Keterangan gambar-1:

1. Magnet tetap 2. Kutub sepatu 3. Inti besi lunak 4. Kumparan putar 5. Pegas spiral

6. Jarum petunjuk 7. Rangka kumparan 8. Tiang poros.

prinsip yang mengatur cara kerja diterapkan secara sama terhadap jenis yang lebih baru

yakni mekanisme kumparan putar magnet permanen (PMMC, Permanent Magnet

Moving-coil Mechanicm).

F= BNIl (Newton)

TD = 2 BNI l d/2 (Newtonmeter) => Deflection Torque (torsi simpangan)


21/59


17

= 2 BNI l d = BNIA

TD

Persamaan diatas menunjukan bahwa torsi yang dibangkitkan berbanding lurus dengan

kerapatan fluksi medan di dalam mana kumparan berputar, arus dalam kumparan dan

konstanta-konstanta kumparan (luas dan jumlah lilitan). Karena kerapatan fluksi dan

luas kumparan merupakan parameter-parameter yang tetap bagi sebuah instrument, torsi

yang dibangkitkan merupakan indikasi langsung dari arus di dalam kumparan. Torsi ini

menyebabkan defleksi (penyimpangan) jarum ke keadaan tetap ( Steady state) yang

dimana diimbangi oleh torsi pegas pengontrol.

= BNIA (Nm).

Tc = k θ dimana k= konstanta pegas

θ= sudut rotasi

Pada kondisi seimbang ( jarum berhenti => θ0 ) Tc = TD

K θ

0

θ

= BNIA

0

Jika BNA/k = k i

= BNIA/k => BNA = Konstan

Jadi θ0 = ki I skala linier θ0

Persamaan tersebut juga menunjukan bahwa perencanaan hanya dapat mengubah nilai

torsi pengatur dan jumlah lilitan kumparan guna mengukur suatu arus skala penuh.Umumnya luas kumparan praktis adalah antara 0,5 sampai 2,5 cm

≈ I

2, sedang kerapatan

fluksi pada instrument-instrumen modern berkisar antara 1500-5000 gauss (0,15 – 0,5

Wb/m2

Contoh :

). Jadi, tersedia pilihan mekanisme yang banyak bagi perencanaaan yang

memenuhi terhadap pemakaian dalam pengukuran.


22/59


18

Milliamper azas kumparan putar menngunakan kumparan berbentuk bujur sangkar

dengan sisi 1,5 Cm. Besar medan magnit dalam celah udara ( kerapatan fluk) = 0,04

Tesla. Banyaknya lilitan 100

a. Tentukan torsi simpangan/penggerak jika arus konstan pada kumparan

sebesar 1mA?

b. Jika perderajad rotasi , pegas menghasilkan torsi control 7,5 x 10 -9

Jawab:

Nm.

Hitung sudut rotasi dari soal diatas ?

B = 0,04 T A = 1,5 x 1,5 Cm2 = 2,25 10-4 m

I = 1 mA = 1. 10-3 A N = 100 lilitan

2

a. TD

= 0,04 x 100 x 1.10

= BNIA

-3 x 2,25 10-4

= 9 10

-7

b. 1

Nm.

o ~ Tc = 7,3 10-9 Nm ~ k = 7,5 10-9 Nm/10

Tc = Td = k θ0 ~ θ0 = TD/k = 9 10-9 Nm / 7,510-9 Nm/10

θ0 = 9 10-7/ 7,5 10-9 x 10 = 120

0

Latihan:

1. Voltmeter kumparan putar memberikan arus simpangan skala penuh Ifs = 5 mA,

N=100, A= 3x 2,5 cm2

2.

Instrumen azas kumparan putar dipakai sebagai voltmeter mempunyai coil 150

belitan dengan lebar 4 cm dan panjang 4 cm. Kerapatan flux pada celah 0,12

. Torsi control untuk full scale deflection = 4,9 10-5 Nm .

Hitung kerapatan flux pada celah udara ?


23/59


19

Wb/m2. Hitung torsi simpangannya jika untuk membaca pada skala penuh 300V.

Tahanan total instrument 200 k Ω.

3.

Voltmeter kumparan putar menghasilkan simpangan skala penuh 440 , pegas

pengontrol menghasilkan torsi 18 10-7 Nm/ 10, Jika jumlah belitan 100, luas coil

= 3x3 cm2 dan kerapan flux 0,08 wb/m2

4.2. Mekanisme Kumparan Putar Magnet Permanen

. Berapakah besarnya arus pada

kumparan tersebut?

Gerakan dasar kumparan putar magnet permanen yang di tunjukan pada gambar 1 sering

disebut gerak d’Arsonval. Desain ini memungkinkan magnet besar di dalam suatu ruang

tertentu dan digunakan bila diinginkan fluksi paling besar didalam senjang udara. Dia

adalah instrument dengan kebutuhan daya yang sangat rendah dan arus yang kecil yang

penyimpangan skala penuh (full scale deflection).

Gambar-3 Mekanisme Kumparan Putar Luar

Pengamatan terhadap gambar-3 menunjukan sebuah magnet permanen berbentuk sepatu

kuda dengan potongan-potongan kutub besi lunak yang menempel kepadanya. Antara

potongan-potongan tersebut terdapat sebuah silinder besi lunak yang berfungsi untuk

menghasilkan medan magnet yang serba sama (homogen) di dalam senjang udara antara

kutub-kutub silinder. Kumparan dililitkan pada sebuah kerangka logam ringan dan

dipasang sedemikian hingga dapat berputar secara bebas didalam senjang udara. Jarum

penunjuk yang dipasang dibagian atas kumparan bergerak sepanjang skala yang telah


24/59


20

terbagi-bagi dan menunjukan defleksi sudut kumparan dan berarti menunjukan arus

melalui kumparan tersebut.

Bagian terbentuk Y adalah pengatur nol ( zero adjust ) dan dihubungkan di ujung pegas

pengatur depan ( front control spring). Sebuah pasak eksentrik (accentricpin). Yang

menembus kotak instrument memegang bagian bebentuk Y tersebut sehingga posisi nol

jarum dapat diatur dari luar. Dua pegas konduktif (conductive sping) dari fosfor

perunggu yang umumnya berkekuatan sama, menghasilkan gaya terkalibrasi untuk

melawan torsi kumparan putar. Prestasi pegas yang konstan diperlukan untukmempertahankan ketelitian instrument. Ketebalan pegas diperiksa secara presisi untuk

mencegah kondisi pegas yang permanen (elastisitasnya hilang). Arus disalurkan dari

dan ke kumparan oleh pegas-pegas pengatur.

Gambar-4 perincian sebuah kumparan putar pada gerak magnet permanan

Keseluruhan system yang berputar dibuat setimbang statis oleh tiga buah beban

keseimbangan (balance wight) untuk semua posisi penyimpangan(defleksi) seperti

ditunjukan gambar-3. Jarum, pegas dan titik putar ( pivot ) dirakit ke peralatan kumparan

dengan menggunakan alas titik putar dan sebuah elemen kumparan yang dapat berputar

disangga oleh “ jewel bearing”. Beberapa system bantalan yang berbeda ditunjukan

pada Gambar-5.


25/59


21

Gambar-5. Perincian bantalan-bantalan instrument

(a) bantalan jewel berbentuk V

(b) bantalan jewel tipe “spring back ”

Jewel berbentuk V seperti ditunjukan pada gambar 5(a) dipakai secara umum dalam

bantalan-bantalan intrumen. Titik putar, bantalan dalam lubang di dalam beban mekanis

dan getaran yang aklan dialami oleh instumen. Jari-jari lubang di dalam jewel sedikit

lebih besar dari jari-jari titik putar, sehingga permukaanya mengalami kontak berbentuk

lingkaran hanya beberapa micron jauhnya. Desain jewel V dalam gambar-5 (a)

mempunyai gesekan yang paling kecil diantara semua bantalan praktis. Walaupun

elemen instrument yang berputar dirancang seringan mungkin, luas permukaan kontak

antara titik putar dan jewel menghasilkan tegangan dalam orde 10 kg/ mm2

Tanda-tanda skala pada instrument dasar PMMC biasanya terpusah secara linier sebab

torsi berbanding langsung dengan arus kumparan. Berarti instrument dasar PMMC

. Jika berat

elemen yang berputer masih bertambah lagi, permukaan yang kontaqk tidak akan bertambah secara sebanding sehingga regangan pun lebih besar. Regangan yang

dihasilkan oleh percepatan yang relatif sedang (seperti suara berisik) dapat berakibat

merusak titik putar. Instrumen-instrumen yang dilindungi secara khusus (dibuat kokoh)

menggunakan bantalan jewel dengan pegas penahan (incobloc) seperti ditunjukan pada

gambar-5(b). Dia ditempatkan pada posisi normalnya oleh pegas dan bebas bergerak

secara aksial bila mekanisme ini makin sering mengalami goncangan.


26/59


22

merupakan peralatan DC yang pembacaannya linier. Gaya yang dibutuhkan oleh gerak

d’Arsonval secara menakjubkan adalah kecil nilainya adalah 25 mikron Watt.

Umumnya ketelitian instrument ini adalah oerde 2 - 5% pembacaan scala penuh.

Jika arus bolak balik frekuensi rendah dialirkan ke kumparan putar, penyimpangan

jarum akan naik selama setengah periode berikutnya. Tanda frekuensi jala-jala (60Hz)

dan yang lebih besar, jarum tidak mampu mengikuti pertukaran arah yang cepat

sehingga akan bergetar ringan sekitar harga nol. Dengan demikian, instrument PMMC

tidak sesuai untuk pengukuran arus bolak-balik, kecuali arus tersebut disearahkansebelum memasukannya ke kumparan.

Sistem magnetic didalam mana magnetnya sendiri berfungsi sebagai inti (core) magnet.

Magnet-magnet ini memiliki keuntungan yang nyata yaitu relative tidak terpengaruh

oleh medan-medan magnet luar, meniadakan efek shunt magnetic dalam kontruksi panel

baja sehingga beberapa alat ukur yang bekerja berdekatan dapat saling mempengaruhi

pembacaan masing-masing tanpa adanya gangguan. Kebutuhan akan pelindung

magnetic (shielding) dalam bentuk selubung besi, juga ditiadakan dalam konstuksi

magnet inti. Perincian dari alat ukur magnet ini dengan pelindung sendiri ditunjukan

dalam gambar-6.

Gambar-6 Detail konstruksi dari mekanisme kumparan putar magnet inti

(a) Magnet dengan sepatu kutubnya dikelilingi oleh yoke


27/59


23

(b)

Gerak yang telah dirakit

(c) Pandangan potongan yoke, inti dan sepatu kutub

Pelindung yang dimiliki sendiri menjadikan mekanisme magnet ini sangat bermanfaat

terutama dalam pemakaian pesawat udara dan ruang angkasa, tempat sejumlah

instrument harus dipasang saling berdekatan satu sama lain. Sebuah contoh cara

pemasangan ini ditemukan pada indicator jarum silang (cross printer ) sebanyak lima.

Mekanisme berada di dalam satu selumbung untuk membentuk satu-kesatuan peragaan.

Jelas, peniadaan selubung-selubung besi dan penurunan beban yang sesuai merupakan

keuntungan besar bagi instrument-instrumen pesawat udara dan ruang angkasa.

Laihan soal

1. Sebutkan bagian – bagian dari kumparan putar. Gambar dan beri keterangan !

2. Jelaskan cara kerja dari kumparan putar!

5. AMPERMETER DAN VOLTMETER DC

5.1. Ampermeter.

Gambar-7a. Gulungan Kumparan Gambar-7b Gulungan kumparan

Setelah dialiri arus

Gerakan dasar dari sebuah ampermeter arus searah adalah galvanometer. Karena

gulungan kmparan dari sebuah gerakan dasar adalah kecil dan ringan seperti gambar-7a

kemampuan kumparan dialiri arus besarnya Ifs maka juga mampu diberi tegangan


28/59


29/59


25

5.2. Voltmeter.

Penambahan sebuah tahanan seri atau pengali(multiplier), mengubah gerakan

d’Arsonval menjadi sebuah voltmeter arus searah, seperti ditunjukan pada gambar-5a.

Tahanan pengali membatasi arus searah mengukur beda potensial antara dua titik dalam

sebuah rangkaian arus searah dan dengan demikian dihubungkan parallel terhadap

sebuah sumber tegangan atau komponen rangkaian. Biasanya terminal terminal alat ukur

ini diberi tanda positif dan negative karena polaritas harus ditentukan.

Nilai tahanan pengali yang diperlukan akan memperbesar batas ukur tegangan.

Gambar-7e. rangkaian tahanan pengali pada voltmeter.

Pada rangkaian gambar diatas :

Vfs = Ifs ( Rs + Rd) besarnya Rs = (Vfs – Ifs Rd )/Ifs = Vfs /Ifs

Keterangan: I

-Rd

fs

Rd = tahanan dalam alat ukur

= arus defleksi dari alat ukur

Rs = tahanan pengali

Vfs

Biasanya untuk batas ukur sedang sampai 500 volt pengali dipasang didalam kotak

voltmeter. Untuk tegangan yang lebih tinggi, pengali tersebut dipasang pada sepasang

apitan kutub diluar kotak untuk mencegah kelebihan panas dibagian dalam kotak

voltmeter.

= Tegangan rangkaian maksimum dari instrument

Untuk penggunaan voltmeter dengan cara memasang alat ukur secara parallel dengan

beban, seperti pada gambar-7f.


30/59


26

Gambar-6f. Cara penyambungan alat ukur voltmeter.

Contoh:

Alt ukur kumparan putar mempunyai kemampuan arus simpangan skala penuh (Ifs)

5mA dangan tahanan dalam dari kumparan sebesar 0,5 Ω. Berapakah besarnya tahanan

yang diperlukan dan bagaimana cara menghubungkannya jika

a. Digunakan sebagai Ammeter dengan batas ukur 100 mA?

b.

Digunakan sebagai Voltmeter dengan batas ukur 100 Volt ?

Jawab:

Ifs = 5 mA

Rd = 0,5 Ω

Jadi Vfs = Ifs x rd

= 5 mA x 0,5 Ω

= 2,5 mV

a. Sebagai ampermeter dengan BU 100 mA

R sh = Vsh / Ish

= 2,5 mV/ 95 mA = 0,026Ω

= 2,5 mV/ (I-Ifs)

Atau Rsh = Rd/n-1

Rsh = 0,5 Ω / ((100/5))-1= 0,5Ω/19=0,026Ω


31/59


27

b. Sebagai Voltmeter dengan BU = 100V

Rs=Vrs/Ifs= (V-Vfs)/Ifs= (100V-2,5mV)/5ma

= 99997,5V/5mA=19999,5Ω

Atau

Rs=Rd(n-1)=0,5Ω(100V/2,5mV-1)=0,5(40000-1)

Rs=19999,5Ω

Latihan

1. Dari gambar dibawah, cari harga Rsh1 dan Rsh2 ?

2. Cari harga Rs1 dan Rs2?


32/59


28

5.3. Shunt Ayrton

Batas ukur sebuah ampermeter arus searah (dc) masih dapat diperbesar dengan

menggunakan sejumlah tahanan shunt yang dipilih melalui saklar rangkuman ( range

switch ). Alat ukur seperti ini disebut ampermeter rangkuman ganda (multirange

ammeter ). Alat ini ditunjukan pada gambar-9a. Rangkaian ini memiliki empat shuntR a,Rb,Rc dan R d

Shunt universal atau shunt Ayrton dalam gambar-8b mencegah kemungkinan pemakaian

alat ukur tanpa tahanan shunt. Keuntungan yang diperoleh adalah nilai tahanan total

yang sedikit lebih besar. Shunt aryton ini memberikan kemungkinan yang sangat baik

untuk menerapkan teori dasar rangkaian listrik dalam sebuah rangkaian praktis.

yang dihubungkan pararel terhadap alat ukur agar menghasilkan empat

belas ukur (rangkuman ) yang berbeda. Saklar S adalah sebuah saklar posisi ganda dari

jenis menyambung sebelum memutuskan (make-before-break), sehingga alat pencatat

tidak akan rusak, tidak terlindung dalam rangkaian tanpa sebuah shunt sewaktu

pengubahan batas ukur.

Gambar-9a diagram skema amperemeter rangkuman ganda sederhana


33/59


29

Gambar-9b shunt universal atau Aryton

Contoh :

Rancangan sebuah shunt aryton yang menghasilkan amperemeter dengan batas ukur

(rangkuman) 1A, 5A dan 10A. gerakan d’Arsonval yang digunakan pada konfigurasi

gambar-12 mempunyai tahanan dalam R m

Penyelesaian :

= 50Ω dan defleksi penuh 1mA.

Pada batas ukur 1A; R a + R b + R c

Pada batas ukur 5A : R

pararel terhadap 50Ω. Karena gerakan alat ukur

memerlukan 1 mA untuk defleksi penuh diperlukan shunt untuk mengalirkan arus

sebesar 1A – 1mA = 999mA

a + R b pararel terhadap R c + R m (50Ω). Dalam hal ini arus 1 mA

akan mengalir melalui R m + R c dan 4999 mA melalui R a + R b

Pada batas ukur 10 A : dalam posisi ini R

sehingga di dapat :

a menjadi shunt dan R b + R c seri dengan RM.

Arus , melalui R m adalah 1mA dan melalui shunt (R a

Dengan penyelesaian ketiga persamaan simultan ini (I,II dan III) diperoleh :

) adalah sisanya sebesar 9999mA.

Dengan mengulangi persamaan sebelumnya, diperoleh :

4,999 x (1) : 4,999 R a + 4,999 R b + 4,999 R c

(II) : 4,999 R

= 250,2

a + 4,999 R b – R c

Dengan mengurangkan (II) dari (I) diperoleh :

= 50

5,000 R c

R

= 200,2

c

Dengan cara sama,

= 0,04004 Ω

9,999 x (I) : 9,999 R a + 9,999 R b + 9,999 R c

(III) : 9,999R

= 500,45

a – R b – R c = 50


34/59


30

Dengan kemungkinan (III) dari (1),diperoleh :

10,000 R b + 10,000 R c

Substitusikan harga R

450,45

c

10,000 R

yang telah diperoleh ke dalam persamaan ini memberikan

:

b

R

= 450,45 – 400,4

b

R

= 0,005005Ω

a =

Perhitungan ini menunjukan bahwa untuk arus besar nilai tahanan shunt bias

menjadi lebih keci.

0,005005Ω

Ampermeter arus searah secara komersil tersedia dalam berbagai rangkuman dari 20 µA

sampai 50A skala penuh dengan shunt yang berada di dalam alat ukur, dan sampai 50 A

dengan shunt luar. Amperemeter presisi jam laboratorium dilengkapi dengan kart

kalibrasi, sehingga pembacaan untuk setiap kesalahan pada skala dapur . Tindakan

pencegahan yang harus diperhatikan bila menggunakan sebuah amperemeter adalah :

(a)

Periksa polaritas yang tepat. Polaritas yang terbalik menyebabkan defleksi yang

berlawanan yang dapat merusak jarum penunjuk .

(b)

Bila mengugunakan alat ukur rangkuman ganda, mula – mula gunakan

rangkuman yang trtinggi; kemudian turunkan sampai diperoleh defleksi yang

sesungguhnya. Untuk memperbesar ketelitian pengukuran, gunakan rangkuman

yang akan menghasilkan pembacaan terdekat ke skala penuh.

(c) Jangan sekali- sekali menghubungkan amperemeter ke sumber tegangan. Karena

tahanannya yang rendah akan mengalirkan arus yang tinggi sehingga merusak

alat tersebut. Sebuah ampermeter harus selalu dihubungkan seri terhadap beban

yang mampu membatasi arus.


35/59


31

5.4. Cara Menentukan Skala Pada Volt dan Amper Meter

Gambar-10 Grafik torsi simpagan terhadap arus

Cara Menentukan Skala (V & A) meter

IFS = 5 mA menghasilkan TD T

T

D5

D5

Suatu missal θ

θ sebesar θ5

5 besarnya = 60

0

Gambar-10b Penunjuk jarum pada alat ukur

Maka arus sebesar:


36/59


32

1 mA TD1 θ1 12.5

600

==

2 mA TD2 θ2 = 2θ1 = 24

3 mA T

0

D3 θ3 = 3θ1 = 36

4 mA T

0

D4 θ4 = 4θ1 = 48

5 mA T

0

D5 θ5 = 5θ1 = 60

Jika kita gunakan sebagai voltmeter maka skala tersebut kita gantikan dengan skala volt

yang besarnya : I yang mengalir x tahanan dalam alat ukur.

0

Suatu missal tahanan dalam sebesar 1 Ω maka skalanya:

Cara membaca Skala

Skala-skala tersebut (A & V) dapat diperluas batasnya yang perluasannya dengan cara

menambah tahanan seperti perhitungan sebelunya sehingga skala.

Contoh:BU : 50mA, Jarum menunjuk angka 2 Berarti yang diukur : 2mA xmA

mA

5

50

BU : 50V misal Jarum angka 2 Terbaca : 2mA x mA

mA

5

50


37/59


33

5.5. REDAMAN DAN PERGERAKAN

TIK= Mahasiswa bisa mengamati proses redaman pada alat ukur secara manual

Peredam dari alat ukur azas kumparan putar ini dihasilkan dari kerangka kumparannya

Eddy current damper. (Peredam arus Eddy / arus pusar redaman elektromagnetis)

Sebelum ke redaman arus pusar kita ambilkan contoh sebuah redaman mekanis pada

sebuah timbangan tepung yang menggunakan pegas.

Gambar-11 Proses Redaman

Redaman alat ukur kumparan putar:

Ggl induksi E = φZN/60 P/A Volt

A

B=φ , 7 = Σ kumparan 1 = kerangka

n = Putaran (rpm)

P = Σ kutub, A = Σ cabang parallel belitan = 2 2

sisi kerangka I pusar = R

E


38/59


34

Gambar-12c. Gelombang dari suatu redaman

5.6. OHM Meter Kumparan Putar

contoh:

V = 1,5 volt ra + R FIXED + R vas = R d

Cara menentukan skala:

= 100Ω


39/59


35

o I TD

I

θ

FS TD θmak

HS di AB RxmAV I FS →Ω=→

=

Ω= 015100

5,1

0Ω

Missal 15 mA θ = 60

∴Rx= 0Ω I

0

FS / θ = 60

0

o

00

305

60

5,72

15

?....

2/1

==

==

→=

θ

mAmA I

Rx

skala

Rx = Rd = 100Ω atau

Ω=Ω−Ω=

−=

1001002005,7

5,1 Rd

mA

V Rx

o Skala ∞ I = 0; θ = 0

∴Rx = ∞

=

∞= A

V

Rx

V 0

5,1

= terminal AB di open!!

o

Bagaimana menentukan / meletakkan angka-angka 1Ω, 2Ω, 3Ω, 4Ω, 5Ω,

10Ω, 50Ω dan sebagainya?


40/59


36

00

00

0

00

2060155;5

3005,1200

406015

10;10

150

5,150

110

5,110

...6015

;105

5,15

,....596015

,....14

,......14101

5,1

RxRd

1,5V

I1

===Ω

=→Ω=

===Ω

=→Ω=

=Ω

→Ω=

===Ω

=→Ω=

==

=Ω=+=→Ω=

x mAV I Rx

x mAV

I Rx

V I Rx

mAV

I Rx

x

mA

V

Rx

θ

θ

θ

θ

θ

5. ALAT UKUR AZAS BESI PUTAR

TIK : Mahasiswa diharapakan bisa mengetahui cara keja alat ukur besi putar

Mahiswa bisa memahami diagram rankaian pada alaut ukur besi putar

Alat ukur besi putar dapat digolongkan kedalam dua jenis / tipe:

1.

Tipe tarikan / attraction type.

2. Tipe tolakan / repulsion type.

6.1. Konstruksi & Prinsip Kerja

Gambar-12 Besi putar

• Pada jenis tarikan besi bergerak bersama-sama dengan poros yang berbentuk

piringan dari besi lunak. Piringan ini ditempatkan sedikit keluar dari belitan. Jika I


41/59


37

(arus) mengalir kedalam kumparan maka medan didalam kumparan akan lebih kuat

dari medan magnit yang diluar akibatnya piringan akan tertarik kedalam.

•

Pada jenis tolakan terdapat dua buah batang / kepingan dari besi yang ditempatkan

dalam kumparan. Kepingan besi yang satu diikatkan pada bagian yang diam /

kerangka kumparan sedangkan besi yang satunya dihubungkan dengan bagian yang

bergerak yaitu poros. Jika arus (I) dialirkan pada kumparan maka akan timbul medan

magnit. Kedua besi yaitu besi yang diam dan besi yang dapat bergerak di magnitisir

dengan arah yang sama, sehingga timbul kutub-kutub yang sama pada kedua besi

tersebut akibatnya terjadilah tolakan.

Adanya torsi dari alat ukur besi putar dapat diturunkan sebagaiberikut:

Arus yang mengalir dalam kumparan I. Induktansi kumpatan L dan simpangan yang

terjadi ϑ. Dengan bertambahnya arus sebesar da dan kumparannya sebesar dL.

Akibat penambahan arus dI mengakibatkan penambahan tegangan:

dt

dI

Ldt

dL

I LI dt

d

e +==

)(

Energy listrik yang diberikan:

dI ILdL I eI dt += 2

Energy tersimpan berubah dari:

L I 2

2

1 ke )()(

2

1 2dL LdI I ++

Maka besarnya perubahan energy tersimpan

L I dL LdI I 22

2

1)()(

2

1−++

Dengan mengabaikan bentuk-bentuk urutan yang lebih tinggi pada harga yang kecil

maka persamaan menjadi:

I L d I + ½ I2 dL


42/59


38

Dari Prinsip konservasi energy:

Energy listrik yang diberikan : perubahan pada energy tersimpan + kerja mekanis

I2 dL + I L d I = (I L d I + ½ I 2

Tda = ½ I

dL) + Tda

2 dL atau T = ½ I2

da

dL

Dimana:

T = dalam Nm

I = dalam amper

L = dalam tleny

a = dalam radian

6.2. Ampermeter & Voltmeter Besi Putar

6.2.1. Sebagai Ampermeter

10 −=⇒

= n R Rsh

X DC

L


43/59


39

Untuk AC XL

I

= 2πfL = ωL

FS x (R + j ω L) = Ish

Z

Zsh

L j R

Lsh j Rih

I

I

sh

FS =

+

+=

ω

ω

(Rsh + j ω Lsh)

Perbandingan bagian dari arus tersebut akan tergantung dari frekuensi jika time-

urutan dari kumparan instrument dan kumparan shunt adalah sama yaitu:

Rih

Lsh

R

L=

Factor pengganti (Perhiasan besar ukur)

11

1

−→+=

+=+

==

n

R Rsh

Rih

R N

I

I

I

I I

I

I N

FS

ih

FS

shFS

FS

Contoh soal.

1. Ampermeter azas besi putar dengan data

Z R = q1 Ω dan L = 0,4 H dengan kemampuan arus simpangnya penuhnya

10 mA.

Akan diperluas batas ukurnya menjadi 100 mA.

Tentukan Zsh dimana frekuensi arus yang diukur 50 Hz.


44/59


40

:

H x

L R

Rsh Lsh

Rsh

Rsh

Rsh

Rsh

R

N

90

44,01,0

9/1,0

90

1

9

1,0

1,09

1,0110

1

==

=

Ω==

=

+=

+=

2. Berapakah besarnya tegangan kumparan alat tersebut (pada Z) dan besarnya

tegangan pada Zsh.

Jawab:

Volt mA

mAmA

mA I V

volt

mA xmama

xmA

JXL R I V V

sh Zih

FS FS z

257,1)1257(1

)12561(190/125690

190

90/4.50.290

190

257,1

)(12577,12510)6,1251,0(10

)4,0.50.21,0(10

)(

=Ω=

Ω+=Ω

+=

+==

=

Ω==+=

Ω+=

+==

π

π

6.2.2. Sebagai Voltmeter

Alat Ukur besi putar ini sederhana dan kuat dalam konsruksi, juga dapat pula dipakai

alat yang mempunyai sudut yang sangat besar. Gaya Elektromagnetis dapat

dibangkitkan dengan berbagai cara yaitu cara tolakan dan tarika.


45/59


41

Gambar -13 Rangkaian Impedansi pada alat ukur besi putar

Untuk pengukuran tegangan DC, induktansi dari kumparan tetap tidak berpengaruh.

Untuk memperbesar skala pada Voltmeter disini dapat dilakukan dengan menambah

tahanan yang dipasang seri dengan impedansi dari voltmeter.

Gambar-14. Gambar rangkaian impedansi dengan R seri

Jika batas ukur sekarang menjadi (n+1) kali batas ukur semula. Sedangkan untuk

pengukuran tegangan DC bila ditambahkan dengan kapasitor yang dipasang secara

paralel dengan Rs untuk menghilangkan pengaruh frekuensi harga C didapatkan

persamaan C= 0,14 L/Rs

Dimana Rs= Tahanan yang dipasang seri dengan impedansi dalam dari voltmeter

2

L = Induktansi dari Voltmeter

C= Kapasitor yang dipasang paralel dengan Rs untuk menghilangkan frekuensi

dari jala-jala.


46/59


42

Gamabar-9c Rangkaian Penghilang frekuensi pada voltmeter

7. ALAT UKUR AZAS ELEKTRODINAMIK

Gambar-16 Diagaram rangkaian alat ukur Elektrodinamik

Alat ukur elektrodinamik adalah alat ukur moving coil namun medan magnitnya bukan

dihasilkan dari magnet permanent tetapi dari kumparan tetap.

Arus yang lewat kumparan tetap adalah I1 dan dan pada kumparan bergerak adalah I2.

Kuat medan magnit dan juga kerapatan fluk sebanding dengan I1

Jadi B = KI1


47/59


43

Kita asumsikan bahwa moving coil berbentuk persegi panjang(dapat juga berbentuk

lingkaran) dengan ukuran l x b. Maka gaya pada masing-masing sisi dari kumparan yang

mempunyai N belitan adalah :

F = BNI2

Momen putar atau torsi simpangan pada kumparan adalah :

l Nuwton

TD = BNI1 lb = BNI2

Jika KNlb = K

lb Nm

1 Maka TD = K 1 K 2 K

Dengan demikian Torsi simpangan sebanding dengan arus yang mengalir pada

kumparan tetap dan arus pada moving coil ( kumparan bergerak ).

3

Jika alat ukur kita gunakan pengontrol dengan pegas maka:

Tc = Kc θ

Saat seimbang Tc = TD

Kc θ = K 1 I1 I2 ≈ K 2 = K 1

Salah satu alat ukur arus bolak-balik yang paling penting adalah elektrodinamometer.

Dia sering digunaka sebagai voltmeter dan ampermeter akurat bukan hanya pada

frekuensi jala-jala ( power line), tetapi juga dalam daerah frekuensi audio yang rendah.

Dengan sedikit modifikasi, elektrodinamometer dapat digunakan sebagai pengukur daya

(wattmeter ), pengukur VAR (VAR meter, pengukur faktor daya ( power factor meter )atau pengukur frekuensi ( frequency meter ). Gerak elektrodinamometer dapat juga

berfungsi sebagai alat ukur alih (transfer instrument ), sebab alat ini dapat dikalibrasi

pada arus searah dan digunakan langsung pada arus bolak-balik, menyatakan cara

langsung yang pasti untuk menyamakan pengukuran tegangan dan arus (dc dan ac )

/Kc

Kalau gerak d’Arsonval menggunakan magnet permanen untuk menghasilkan medan

magnet, elektrodinamometer memanfaatkan arus yang akan diukur guna menghasilkan

fluksi medan yang diperlukan. Gambar-10 menunjukkan skema alat ini. Sebuah

kumparan yang stasioner (diam) dibuat menjadi dua bagian yang sama membentuk


48/59


44

medan magnet didalam mana kumparan itu berputar. Kedua kumparan ini dihubungkan

seri ke kumparan yang stasioner (diam) dibuat menjadi dua bagian yang sama

membentuk medan magnet di dalam mana kumparan itu berputar. Kedua kumparan ini

dihubungkan seri kekumparan yang berputar dan dialiri oleh arus yang diukur.

Kumparan-kumparan yang diam ditempatkan agak berjahuan memberikan tempat pada

poros kumparan berputar. Kumparan berputar menggerakan jarum yang diimbangi oleh

beban-beban lawan. Perputaran jarum dikontrol oleh pegas-pegas pengatur sama halnya

seperti konstruksi d’Arsonval. Keseluruhan peralatan dibungkus oleh penutup yang telah

dilaminasi guna melindungi alat ukur dari medan magnet tersebar (stray magnetic field )

yang dapat mempengaruhi operasinya. Redaman dilengkapi dengan baling-baling

alumunium yang bergerak didalam sektor berbentuk rongga-rongga (chamber). Seluruh

peralatan ini dibuat kuat dan kokoh guna mempertahankan kesetabilan dimensi-dimensi

mekanis dan mempertahankan kalibrasi yang tetap sempurna. Pandangan potongan

elektrodinamometer ditunjukan pada gambar-17

Gambar-17 Gambar maya sebuah elektrodinamometer

Bekerjanya alat ukur ini dapat dipahami dengan meninjau kembali persamaan torsi yang

dibangkitkan oleh sebuah kumparan yang tergantung didalam medan magnet.

Persamaan sebelumnya menyatakan


49/59


45

T = B x A x I x N

Keterangan : T = torsi

B = kerapatan fluksi

A = luas penampang

N = jumlah lilitan

Jika elektrodinamometer semata-mata direncanakan hanya untuk pemakaian arus searah,

skla kuadratnya mudah mati : yaitu tanda-tanda skala yang banyak pada nilai-nilai arus

yang sangat rendah, dan menyebar maju pada nilai arus yang frekuensinya lebih tinggi.

Pada pengukuran arus bolak-balik, torsi yang dibangkitkan setiap saat sebanding dengan

kuadrat arus sesaat (I2). Nilai dari I2

Sifat-sifat pengalihan elektrodinamometer menjadi jelas bila kita membandingkan nilai

efektif arus bolak-balik terhadap arus searah berdasrkan efek pemanasan atau

pengalihan dayanya. Suatu arus bolak-balik yang menghasilkan panas didalam sebuah

tahanan yang besarnya diketahui pada laju rata-rata yang sama dengan arus searah (I),

menurut definisi akan mempunyai nilai sebesar I amper. Laju rata-rata pengeluaran

panas oleh arus searah sebesar I amper didalam sebuah tahanan R adalah I

selalu positif dan akibatnya dihasilkan torsi yang

bergetar. Namun gerakan jarum tidak dapat mengikuti perubahan torsi yang cepat

sehingga dia menempati suatu posisi dalam mana torsi rata-rata diimbangi oleh torsi

pegas-pegas pengatur. Dengan demikian defleksi alat ukur merupakan fungsi rata-rata

kuadrat arus. Skala elektrodinamometer biasanya dikalibrasi dalam akar kuadrat arus

rata-rata, dan berarti alat ukur membaca nilai rms atau nilai efektif (effective value) arus

bolak-balik.

2R watt. Laju

rata-rata pengeluaran panas oleh arus bolak-balik I amper selama satu periode dalam

tahan R yang sama adalah. Berarti bedasarkan definisi dan selanjutnya arus I ini

adalah disebut nilai rms (root mean square) atau nillai efektif dari arus bolak-balik dan

sering disebut nilai arus searah ekivalen.


50/59


46

Jika elektrodinamometer dikalibrasi untuk arus satu amper dan pada skala diberi tanda

yang menyatan nilai satu amper meter ini, maka arus bolak-balik yang akan

menyebabkan jarum menyimpang ke tanda skala untuk satu amper dc tersebut harus

memiliki nilai rms sebesar 1 A. Dengan demikian kita dapat ”mengalihkan” pembacaan

yang dihasilkan oleh arus searah ke nilai bolak-balik yang sesuai dan karena itu

menetapkan hubungan antara dc dan ac. Karena itu elektrodinamometer menjadi sangat

bermanfaat sebagai sebuah instrument kalibrasi dan sering digunakan unutuk keperluan

ini karena ketelitian yang dimilikinya.

Namun demikian, elektrodinamometer mempunyai kekurangan-kekurangan tertentu.

Salah satunya adalah konsumsi daya yang besar sebagai akibat langsung dari

kontruksinya. Arus yang diukur tidak hanya harus mengalir melalui kumparan putar

tetapi juga harus menghasilkan fluksi medan. Untuk memperoleh medan magnet yang

cukup kuat diperlukan ggm(gaya gerak magnet) yang tinggi dan untuk itu sumber harus

menyalurkan arus dan daya yang tinggi. Berlawanan dengan konsumsi daya yang besar,

medan magnet jauh lebih lemah dari yang dihasilkan oleh gerak d’Arsonval yang setaraf

sebab tidak terdapat besi didalam rangkaian (seluruh lintasan fluksi berisi udara).

Beberapa alat ukur telah dirancang menggunakan baja laminasa khusus bagi sebagian

lintasan fluksi, tetapi penggunaan logam ini menimbulkan masalah kalibrasi oleh

frekuensi dan bentuk gelombang. Nilai khas dari nilai kerapatan fluksi

elektrodinamometer adalah dalam rangkuman sekitar 60 gauss. Ini memberikan

perbandingan yang tidak menyenangkan terhadap gerak d’Arsonval yang baik memiliki

rapat fluksi tinggi (1000-4000 gauss). Rapat flusi yang rendah dengan cepat

mempengaruhi fluksi yang dibangkitkan dan dengan demikian sensivitas alat ukur ini

secara khasnya adalah sangat rendah. Penambahan sebuah tahanan seri mengubah

elektrodinamometermenjadi voltmeter. Yang juga dapat digunakan untuk tegangan

searah dan bolak-balik. Berdasarkan alas an yang telah disebutkan sebelumnya,

sensivitas voltmeter elektrodinamometer adalah rendah yakni sekitar 10 – 30 ohm per

volt (terhadap 20Ω/V pada alat ukur d’Arsonval). Reaktansi dan tahanan kumparan-

kumparan juga bertambah terhadap pertambahan frekuensi sehingga pemakaian

voltmeter elektrodinamometer terbatas untuk daerah frekuensi rendah. Namun alat ini


51/59


47

sangat akurat untuk frekuensi jala-jala dank arena itu sering digunakan sebagaij standar

sekunder.

Gerak elektrodinamometer (juga tanpa shunt) dapat dianggap sebagai ampermeter, tetapi

untuk merencanakan sebuah kumparanputar yang dapat membaea arus lebih dari sekitar

100mA menjadi agak sulit. Arus yang lebih besar ini harus dialirkan kekumparan putar

melalui kawat-kawat besar, yang akan kehilangan fleksibilitasnya. Sebuah shunt bila

digunakan biasanya hanya ditempatkan pararel terhadap kumparan yang berputar.

Kemudian kumparan-kumparan yang diam dibuat dari kawat besar yang dapatmengalirkan arus yang besar dan adalah layak untuk membangun ampermeter sampai 20

A. nilai-nilai arus yang lebih besar biasanya diukur dengan menggunakan sebuah

transformator arus dan sebuah ampere-ampere standart 5A ac.

8. ALAT UKUR AZAS INDUKSI

TIK: Diharapkan mahasiswa mengetahui prinsip kerja alat induksi dan penggunaan alat

ini dalam kehidupan sehari-hari

Gambar-18 Alat ukur azas Induksi


52/59


48

Alat ukur induksi merupakan alat ukur yang momen geraknya ditibulkan oleh suatu

fluks magnit dan arus bolak-balik alat lazim untuk mengukur energi (KWh meter)

walaupun ada juga untuk arus maupun tegangan.

Arus energi mempunyai dua fluks magnet yang dihasilkan dari suatu arus mengalir pada

kumparan . Kedua magnet fluks tersebut memotong piringan. Piringan dipotong oleh

dua fluks magnet Ф1 dan Ф2 pada titik P1 dan P2. Fluks ke-1 Ф1 menyebabkan arus

pusar I1. Arus pusar ini melalui titik P 1 dan P2 interaksi yang terjadi antara I1 dan Ф1

menyebabkan momen gerak 1 ( Mg1) demikian juga Ф2 menyebabkan momen arus pusar 2 (I2) yang melalui P1 dan interaksi arus pusar 2 (I2) yang melalui P1 dan

interaksi arus pusar 2 (I2) dan fluks 2 (Ф2

Tegangan efektif yang terjadi : E

) menyebabkan momen gerak 2 (Mg2).

1

Arus pusar ini berbeda sudut fasanya terhadap tegangan induksi sebesar α demikian juga

di Φ2 dimana tegangan E

= W. Φ

2 tertinggal 90o terhadap Ф2 dan I2 tertinggal α terhadap E2

sudut fasanya antara I1 dan Ф2 adalah 90o

Mg

– β + α.

1 = K.Ф1 .Ф2 . cos (90o

Beda sudut fasa antara I

– β + α.)

2 dan Ф2 adalah 90o

Resultan Kedua momen tersebut menyebabkan berputarnya piringan.

+ β + α.

Mg = Mg1 – Mg

Mg = K . Ф

2

1 . Ф2

Untuk mendapatkan momen bergerak yang besar diusahakan :

sin β cos α

1. sin β = 1 maka beda fasa sudut antara Ф1 dan Ф2 adalah 90

2. cos α = 1 maka ada beda sudut fasa antara I dan E

o

Ada 2 macam tipe AUI, yaitu

8.1.Tipe Ferasis


53/59


49

Gambar-19 Gabar Alat Besi Putar Tipe Ferasis dan Diagram Vektor

Seperti dalam gambar terpasang 2 pasang kumparan. Pasangan kumparan pertama

dihubungkan seri dengan induktor besar. Kedua pasang kumparan tersebut

dihubungkan dengan tegangan yang sama. Arus yang mengalir pada kumparan

pertama (IR ) mempunyai beda sudut fasa sebesar β terhadap arus kumparan kedua (

IL), harga β hampir mendekati 90

Fluksi yang timbul akan merupakan medan putar, medan putar ini akan

menyebabkan arus pusar pada motor. Dan interaksi medan putar dengan arus pusar

akan mengakibatkan, momen gerak yang memutar rotor-rotor tersebut akan berputar

searah putaran medan putar seperti KWh meter. Tetapi bila rotor tersebut akan

berhenti pada saat terjadi keseimbangan. Dimana :

o

V : Tegangan sumber

I : Arus yang melalui I seri dengan R

IL

Ф

: Arus yang melalui kumparan 2 seri dihasilkan L

2 : Fluksi magnetik yang menhasilkan I

Ф

R

L : Fluksi magnetik yang menghasilkan IL

ER : Tegangan induksi karena ФR


54/59


50

EL : Tegangan induksi karena ФL

IER : Arus pusar karena E

I

R

ER : Arus pusar karena E

Momen yang ditimbulkan adalah :

L

Mg = K . Ф1 . Ф2

Mg = K . I

sin β cos α

R .I

Lsin

Harga IR dan IL sebanding dengan arus I dan juga sebanding dengan tegangan

β cos α

V

Untuk Ampermeter

Mg = K . I2

Momen lawan Me- S θ

. sin β cos α

θ = I2

Untuk Volt meter

Sin β Cos α Mg = KV2

θ = V

sin β Cos θ

2

sin β Cos α

8.2. Tipe Shaded Pole


55/59


51

Gambar-20 Alat ukur Tipe Shaded Pole

Pada tipe ini memakai piringan satu kumparan yang menimbulkan fluks magnet agar

sistem ini terdapat 2 fluks yang mempunyai beda fasa tertentu, maka fluks utama

tersebut dibagi dua dengan membagi pada intinya.

Untuk membuat beda fasanya disalah satu dari bagian inti yang terbagi dua tersebut

ditambah cincin/ring tembaga keadaan ini disebut Shaded pole.

Laihan soal

1.

Sebutkan bagian – bagian dari kumparan putar. Gambar dan beri keterangan !

2. Jelaskan cara kerja dari kumparan putar!

3. Jelaskan cara kerja alat ukur azas induksi

9. WATTMETER

Alat ukur ini untuk mengetahui besarnya daya nyata (daya aktif). Pada wattmeter

terdapat Spoel/belitan arus dan spoel/belitan tegangan, sehingga cara penyambungan

watt pada umumnya merupakan kombinasi cara penyambungan voltmeter dan ampere

meter sebagaimana pada gambar dibawah in:


56/59


52

Gambar-21 Pemasangan Wattmeter

Jenis lain dari wattmeter berdasarkan besarannya adalah

- kW-meter (kilo Wattmeter)

- MW-meter (mega wattmeter)

Alat untuk mengukur daya pada beban atau pada rangkaian daya itu adalah nilai

rata-rata pada beban atau pada rangkaian daya itu adalah nilai rata-rata dari perkalian

yaitu nilai sesaat dari tegangan dan arus pada beban atau rangkaian tersebut.


57/59


53

gambar -22 Rangkaian Wattmeter

Rangkaian potensial wattmeter dibuat bersifat resistif, sehingga arus dan tegangan

pada rangkaian tersebut satu fasa iV satu fasa dengan e karena

Zv = Rv

Wattmeter yang didasarkan atas instrumens elektrodinamik

Torsi pada alat ini adalah : Td = K dM/dθ .i1.i

Maka Td = K.dM/dθ.iV.i

2

Dimana iV = e/Zv = e/ Rv

iTd = KdM/dθ . e/Rv

10. KWH – Meter

Kwh-meter digunkan untuk mengukur energi arus bolak-balik, merupakan alt ukur yang

sanat penting, untuk Kwh yang diproduksi, disalurkan atau pun Kwh yang dipakai

konsumen-konsumen listrik. Alat ukur ini sangat populer dikalangan masyarakat umum,

karena banyak terpasang pada rumah-rumah penduduk (konsumen listrik) dan

menentukan besar kecilnya rekening listrik si pemakai.


58/59


54

Mengingat sangat pentingnya arti Kwh meter ini baik bagi PLN ataupun si pemakai,

maka agr diperhatikan benar cara penyambungan ala ukur ini.

Gambar penyabunga adalah sebagai berikut

Gambar -23 kwh meter


59/59


DAFTAR PUSTAKA

* Sapiie, Soedjana & Osamu Nishito 1976, Pengukuran Dan Alat-Alat Ukur Listrik.

Jakarta Pradanya Pratama.

* Sahat Pakpahan. Ir Intrumen Elektronik dan Pengukuran 1993. Jakarta

alat ukur pdf

Documents