transducer posisirisa.dosen.ittelkom-pwt.ac.id/wp-content/uploads/sites/4/2018/09/t… · anggota...

TRANSDUCER POSISI RISA FARRID CHRISTIANTI, S.T.,M.T.

TRANSDUCER POSISI

• Salah satu aplikasinya adalah menggunakan Strain Gauge, dengan

menggunakan prinsip gaya, tekanan & regangan.

• Strain Gauge adalah sebuah contoh transducer pasif yg mengubah

pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan.

• Berupa alat seperti biskuit tipis (wafer), yg dapat disatukan ke berbagai

bahan guna mengukur regangan yg diberikan padanya.

TRANSDUCER POSISI

• Konstruksi :

Strain Gauge dibuat dari kawat tahanan berdiameter kecil, yg merupakan paduan

tembaga-nikel, mengandung 60% tembaga dan 40% nikel. Atau dietsa dari

lembaran2 kawat tipis.

Tahanan dari foil kawat atau logam ini berubah terhadap panjang bila bahan dimana

gauge disatukan mengalami tarikan atau tekanan (kompresi).

Perubahan tahanan sebanding dgn regangan yg diberikan & diukur dgn sebuah

jembatan wheat-stone yg dipakai secara khusus.

TRANSDUCER POSISI

• Sensitivitas Strain Gauge

Dijelaskan dengan suatu karakteristik yg disebut Faktor Gauge (K), yg

didefinisikan sbg perubahan satuan tahanan dibagi dengan perubahan satuan

panjang. Dirumuskan :

ll

RRK

percobaanbahan panjangperubahan

ang) tidak teg(kondisipercobaan bahan normal panjang

gaugetahanan perubahan

nominal gauge tahanan

gaugefaktor : dimana

l

l

R

R

K

TRANSDUCER POSISI

Suku ∆l/l dalam penyebut adalah regangan , sehingga persamaan dapat dituliskan

sbg :

dimana = regangan dalam arah lateral

Perubahan tahanan ∆R pada sebuah konduktor yg panjangnya l dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan bagi tahanan dari sebuah konduktor yg

penampangnya serba sama, yaitu :

RRK

24luas

panjang

d

lR

TRANSDUCER POSISI

• Dimana : = tahanan spesifik dari bahan konduktor

l = panjang konduktor

d = diameter konduktor

Tarikan (tension) terhadap konduktor menyebabkan pertambahan panjang l

& pengurangan secara bersamaan pada diameter d. Maka tahanan konduktor

berubah menjadi :

ddd

lll

dd

llRs

214

1

422

TRANSDUCER POSISI

• Dengan menggunakan bilangan Poisson µ yg didefinisikan sebagai perbandingan regangan

dalam arah lateral terhadap regangan dalam arah aksial. Dengan demikian :

• Substitusi µ dalam persamaan menghasilkan :

ll

dd

ll

ll

d

lRs

21

1

4 2

TRANSDUCER POSISI

• Dapat disederhanakan menjadi :

• R jika dibandingkan terhadap l selanjutnya dapat dinyatakan dalam

faktor Gauge, dimana :

l

lRRRRs 211

21

ll

RRK

TRANSDUCER POSISI

• Bil. Poisson bagi kebanyakan logam terletak dalam kisaran 0,25 – 0,35 dan

berarti faktor Gauge akan berada dalam orde 1,5 – 1,7.

• Untuk penggunaan Strain Gauge, sangat diinginkan sensitivitas tinggi.

Sebuah faktor gauge yg besar, berarti suatu perubahan tahanan yg relatif

besar. Semakin besar faktor gauge, semakin besar sensitivitasnya.

KONFIGURASI STRAIN GAUGE

• panjang gauge dipilih menurut bidang regangan yg akan diselidiki.

• Pada kebanyakan pengukuran regangan, Gauge merupakan transducer yg

dapat diandalkan dan mudah pemasangannya.

Strain Gauge satu sumbu : a) kawat; b) foil

KONFIGURASI STRAIN GAUGE

Rosette dua elemen : a) rumpukan foil 900; b) foil datar 900; c) foil geser datar

900

Pengukuran regangan secara simultan dalam arah lebih dari satu dapat dilakukan

dengan menempatkan gauge elemen tunggal pada lokasi yg sesuai. Namun untuk

menyederhanakan pekerjaan ini dan untuk menghasilkan ketelitian yg lebih besar,

tersedia gauge elemen ganda atau disebut Gauge Rosette.

KONFIGURASI STRAIN GAUGE

Rosette 3 elemen : a) foil datar (planar) 600; b) tumpukan kawat 450

Gauge dirangkaikan dalam sebuah rangkaian jembatan Wheatstone guna memberikan keluaran yg paling besar.

Rosette 3 elemen sering digunakan untuk menentukan arah dan besarnya regangan utama yg dihasilkan dari

pembebanan struktural yg kompleks.

Jenis yg paling terkenal memiliki sudut sebesar 450 atau 600 antara elemen2 pengindera.

Rosette 600 digunakan bila arah regangan utama tdk diketahui.

Rosette 450 memberikan resolusi sudut yg lebih besar dan biasanya digunakan bila arah regangan utama

diketahui.

UNBONDED STRAIN GAUGE

UNBONDED STRAIN GAUGE

• Strain Gauge ini terdiri dari sebuah kerangka diam & sebuah jangkar

(armature) yg ditopang pd pertengahan kerangka.

• Jangkar hanya dpt bergerak dalam satu arah. Gerakannya dlm arah tsb

dibatasi oleh 4 filamen kawat sensitif regangan, dililitkan antara isolator-

isolator kaku yg dipasang pd kerangka & jangkar.

• Bila sebuah gaya luar diberikan terhadap Strain-gage, jangkar akan bergerak,

panjang elemen A & D bertambah, sedangkan panjang elemen B & C

berkurang.

TRANSDUCER PERGESERAN (DISPLACEMENT TRANSDUCER)

• Konsep pengubahan sebuah gaya terpasang menjadi pergeseran merupakan dasar bagi

berbagai jenis transducer.

• Elemen mekanis yg digunakan untuk mengubah gaya terpasang menjadi pergeseran

disebut alat2 penjumlah gaya (force summing devices).

• Bagian-bagian dari alat ini adalah sebagai berikut :

a. Diafragma

b. Tiupan (bellows)

c. Tabung Boundon, melingkar atau berbelit

d. Tabung/pipa lurus

e. Kantilever massa, suspensi tunggal atau ganda

f. Torsi ujung berputar (pivot torque)

TRANSDUCER PERGESERAN

TRANSDUCER PERGESERAN

• Umumnya transducer tekanan menggunakan salah satu dari 4 jenis pertama dari

anggota penjumlah gaya, sedang kategori e) dan f) akan ditemukan dalam

accelerometer dan pengukur getaran (vibrasi).

• Pergeseran yg ditimbulkan oleh tindakan alat penjumlah gaya diubah menjadi

perubahan suatu parameter elektris.

• Prinsip-prinsip listrik yg paling sering digunakan adalah:

Kapasitif, Induktif, Transformator selisih, Ionisasi, Osilasi, Fotolistrik, Piezoelektris,

Potensiometrik, Kecepatan.

TRANSDUCER PERGESERAN

• Transducer kapasitif

Kapasitansi dari sebuah kapasitor plat paralel diberikan oleh :

dielektrik konstanta k

(F/m) 10 9,85

(m)plat keduajarak d

)(mplat masing-masing luas A : dimana

(farad)

12-

0

2

0

d

kAG

TRANSDUCER PERGESERAN

• Transducer kapasitif (seijin Statham Instruments) :

TRANSDUCER PERGESERAN

Prinsip Kerja :

• Karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak kedua plat paralel, setiap

variasi dalam d menyebabkan variasi yg berkaitan pd kapasitansi.

• Sebuah gaya yg diberikan pd diafragma yg berfungsi sebagai salah satu plat

sebuah kapasitor sederhana, mengubah jarak antara diafragma & plat yg diam.

Perubahan kapasitansi yg dihasilkan ini dpt diukur oleh sebuah jembatan AC,

tetapi biasanya diukur dengan sebuah rangkaian osilator.

• Transducer sebagai bagian dari rangkaian osilator menyebabkan perubahan

frekuensi osilator. Perubahan frekuensi ini menentukan ukuran dari besarnya

gaya yg dipasang.

TRANSDUCER PERGESERAN

Kelebihan & Kekurangan :

• Transducer kapasitif memiliki respon frekuensi yg sangat baik & dapat digunakan

untuk mengukur fenomena statik & dinamik.

• Kekurangannya adalah kepekaan terhadap variasi suhu & kemungkinan sinyal-

sinyal yg tak teratur atau cacat (distorsi) karena kawat yg panjang.

• Untuk aplikasi pd instrumentasi pencatatan, sering membutuhkan sebuah osilator

kedua dengan frekuensi yg tetap untuk tujuan pencampuran frekuensi

(heterodyning). Jadi frekuensi selisih dpt dibaca oleh alat keluaran yg sesuai

seperti halnya pencacah elektronik.

TRANSDUCER INDUKTIF

TRANSDUCER INDUKTIF

Prinsip kerja :

• Pengukuran gaya dilakukan dengan mengubah perbandingan induktansi dari

sepasang kumparan atau dengan mengubah induktansi kumparan tunggal.

• Jangkar ferromagnetik yg digerakkan (digeser) oleh gaya yg akan diukur

mengubah reluktansi rangkaian magnetik.

• Perubahan induktansi yg dihasilkan menentukan ukuran dari besarnya gaya yg

diberikan.

TRANSDUCER INDUKTIF

Kelebihan & Kekurangan :

• Transducer induktif memberi respon terhadap pengukuran statik & dinamik, serta

memberi resolusi yg kontinyu & keluaran yg cukup tinggi.

• Kekurangannya adalah bahwa respon frekuensi (variasi gaya yg dimasukkan) dibatasi oleh

konstruksi anggota penjumlah gaya.

• Medan magnet luar dapat mengakibatkan pengukuran yg salah.

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

• Linear variable differential transformer (LVDT) adalah suatu jenis

transformator elektrik yg digunakan untuk mengukur perpindahan linier.

Trafo ini memiliki 3 kumparan solenid ditempatkan pd masing-masing sisi

tabung. Kumparan pusat adalah kumparan primer, dan 2 kumparan luar

lainnya adalah kumparan sekunder.

• Sebuah inti ferromagnetik silindris, mengambil suatu obyek yg posisinya akan

diukur, bergeser sepanjang sumbu tabung.

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

Prinsip kerja :

• Arus AC digerakkan melalui kumparan primer, menyebabkan tegangan terinduksi di

masing-masing kumparan sekunder sesuai dengan induktansi bersamanya terhadap

kumparan primer. Biasanya jangkauan frekuensinya antara 1 - 10 KHz.

• Saat inti bergerak, perubahan induktansi bersama ini, menyebabkan tegangan terinduksi

dalam kumparan sekunder. Kumparan-kumparan terkoneksi dalam arah seri terbalik,

sehingga tegangan keluarannya berbeda-beda (maka disebut "differential") di antara 2

tegangan sekunder. Ketika inti berada pada posisi tengah, pada jarak yg sama antara 2

kumparan sekunder, sama tetapi tegangannya berlawanan diinduksikan ke dalam 2

kumparan, sehingga tegangan keluarannya adalah nol.

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

Prinsip kerja :

• Bila inti dipindahkan di satu arah, tegangan di satu coil meningkat, bersamaan dengan

penurunan tegangan di sisi yg lain, menyebabkan tegangan keluaran meningkat dari nol ke

nilai maksimum. Tegangan ini sefasa dengan tegangan masukannya. Bila inti berpindah ke

arah lain, tegangan keluaran juga meningkat dari nol ke nilai maksimum, tetapi fasanya

berlawanan dengan fasa primernya. Besaran tegangan keluaran adalah sebanding dengan

perpindahan jarak oleh inti (sampai ke batas nya maksimum), itulah sebabnya mengapa alat

ini disebut" linier". Fasa tegangan menandai arah pergeseran.

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

Keunggulan :

• Karena pergeseran inti tidak menyentuh bagian dalam tabung, inti dapat

bergerak tanpa friksi, membuat LVDT adalah suatu alat sangat dapat

diandalkan sebagai transducer. LVDT secara menyeluruh terisolasi/tersegel

terhadap lingkungan.

• LVDT biasanya digunakan untuk umpan balik posisi di dalam servomekanik,

dan untuk pengukuran yang diotomatisasi di dalam alat-alat bermesin dan

dalam banyak industri lainnya, serta aplikasi-aplikasi ilmiah.

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

Pengukuran pergeseran dengan menggunakan dua transformator selisih di dalam

sebuah sistem servo gaya imbang (force balancing servo)

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

• Prinsip Kerja Sistem Servo Gaya Imbang :

1. Terminal keluaran dari sebuah transformator masukan & transformator

imbang dihubungkan seri secara berlawanan.

2. Penjumlahan aljabar dari kedua tegangan diumpankan ke sebuah penguat

yg mengemudikan sebuah motor 2 fasa.

3. Bila kedua trafo berada pd posisi referensinya, penjumlahan tegangan2nya

nol & tidak ada tegangan yg dicatukan ke servomotor.

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

• Prinsip Kerja Sistem Servo Gaya Imbang :

4. Bila inti trafo masukan dijauhkan dari posisi referensinya oleh sebuah

masukan pergeseran yg diberikan dari luar, timbul tegangan keluaran ke

penguat, sehingga motor berputar.

5. Poros motor digandeng secara mekanis ke inti trafo imbang.

6. Karena keluaran trafo imbang ini melawan keluaran trafo masukan,

motor terus berputar sampai keluaran kedua trafo tsb sama.

7. Indikator pd poros motor dikalibrasi agar menunjukkan pergeseran trafo

imbang & secara tdk langsung menunjukkan pergeseran dari trafo masukan.

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

Transformator selisih dengan inti berbentuk E dan jangkar bertitik putar.

LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL

TRANSFORMER)

• Kumparan primer dililitkan pada kaki tengah dari inti berbentuk E &

kumparan sekunder dililitkan pada kaki luar dari inti berbentuk E tersebut.

• Jangkar diputar terhadap sebuah titik putar (pivot) di bagian atas kaki tengah

inti oleh gaya yg diberikan dari luar.

• Bila jangkar digeser dari kedudukan setimbang/posisi referensinya, reluktansi

rangkaian magnetik melalui satu kumparan sekunder berkurang, sedang

secara bersamaan reluktansi rangkaian magnetik melalui kumparan sekunder

yg lain bertambah.

Keunggulan :

1. LVDT menghasilkan resolusi kontinyu & memperlihatkan histeresis yg

rendah.

2. Sangat cocok jika digunakan sebagai instrumen pencatat.

TRANSDUCER OSILASI

Elemen-elemen dasar dari sebuah transducer osilasi

1. Prinsip kerjanya menggunakan anggota penjumlah gaya untuk mengubah

kapasitansi atau induktansi dalam sebuah rangkaian osilator LC.

2. Frekuensinya dipengaruhi oleh suatu perubahan dalam induktansi kumparan.

3. Kestabilan osilator harus diutamakan guna mendeteksi perubahan frekuensi

osilator yg disebabkan oleh gaya yg bekerja dari luar.

TRANSDUCER OSILASI

Keunggulan & Kelemahan :

Transducer ini mengukur kedua fenomena statik & dinamik, serta

menyenangkan untuk digunakan dalam pemakaian telemetri.

Keterbatasan rangkuman frekuensi, kestabilan termal yg buruk &

ketelitian yg rendah, membatasi penggunaannya pada pemakaian

ketelitian rendah.

TRANSDUCER FOTOLISTRIK

• Transducer ini memanfaatkan sifat2 sel emisi cahaya atau tabung cahaya

(phototube).

• Tabung cahaya = alat pemancar energi yg mengatur pancaran atau emisi

elektronnya bila dihadapkan ke cahaya yg datang.

• Elemen setengah lingkaran yg besar = katoda yg sensitif cahaya

• Kawat tipis yg menuju pusat tabung = anoda

• Kedua elemen ini ditempatkan di dalam sebuah pembungkus (envelope)

gelas yg telah dihampakan.

TRANSDUCER FOTOLISTRIK

TRANSDUCER FOTOLISTRIK

• Bila antara anoda & katoda diberikan suatu tegangan konstan, arus di

dalam rangkaian berbanding langsung dengan banyaknya cahaya atau

intensitas cahaya yang jatuh pada katoda.

• Perhatikan untuk tegangan di atas sekitar 20V arus keluaran hampir tidak

bergantung pada tegangan anoda yg masuk, tetapi bergantung pada

banyaknya cahaya yg masuk. Arus yg masuk kecil sekali, biasanya dalam

rangkuman beberapa mikroampere.

• Dengan demikian tabung cahaya biasanya dihubungkan ke sebuah penguat

guna menghasilkan suatu keluaran yg bermanfaat.

TRANSDUCER FOTOLISTRIK

Elemen-elemen dari sebuah transducer fotolistrik

TRANSDUCER FOTOLISTRIK

• Transducer ini menggunakan sebuah tabung cahaya & sebuah sumber cahaya

yg dipisahkan oleh sebuah jendela kecil yg celahnya dikontrol oleh anggota

penjumlah gaya dari transducer tekanan.

• Pergeseran anggota penjumlah gaya memodulasi besaran cahaya yg masuk

ke elemen sensitif cahaya.

• Perubahan intensitas cahaya mengubah sifat-sifat emisi cahaya pada laju yg

mendekati linier terhadap pergeseran.

TRANSDUCER FOTOLISTRIK

Keunggulan & kelemahan :

Keuntungan transducer jenis fotolistrik adalah efisiensinya yg tinggi, serta kesesuaiannya

untuk mengukur kondisi statik & dinamik.

Alat ini memiliki stabilitas jangka panjang yg jelek, tidak memberi respon terhadap variasi

cahaya berfrekuensi tinggi & memerlukan pergeseran yg besar bagi anggota penjumlah

gaya.

REFERENSI

• http://www.wisegeek.com/what-are-transducers.htm

• http://www.answers.com/transducer.htm

• J. Allocca and A. Stuart, Transducers: Theory and Application, Reston 1984.

• William David Cooper, Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran, Erlangga

1994.

• http://en.wikipedia.org/wiki/LVDT