Makalah Alat Ukur (Galvanometer)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang.

Pada alat kumparan putar jenis magnet permanen ,jarum penunjuk meter akan berhenti apabila

torsi penyimpang dan torsi kontrol sama besarnya, sehingga torsi penympang sebanding dengan

arus yang mengalir.Karena alat ukur kumparan putar jenis magnet permanent bekerja

berdasarkan gaya Lorentz maka torsi penyimpang yang terjadi apabila arus yang melewati

kumparan menimbulkan gaya dikedua sisinya .hal ini sebanding apabila arus yang malalui

kumparan 1 ampere maka magnitude gaya akan ditimbulkan pada tiap sisi kumparan.

Apabila kumparan dipasang pegas-pegas pengatur ,maka torsi elektromagnetik akan

membangkitkan torsi mekanik pegas yang arahnya berlawanan sehingga kumparan tersebut

dapat berputar. Pada saat terjadi kesetimbangan torsi ,kumparan defleksi dengan sudut

tertentu .bresarnya sudut defleksi ditunjukan oleh jarum penunjuk sehingga dapat ditera antara

arus listrik dan sudut defleksinya. Dan aplikasinya terdapat pada galvanometer arus searah, fluks

meter galvanometer balistik dll.

Dalam penulisan makalah ini penulis akan memaparkan tentang galvanometer jenis

balistik dan suspensi serta menjelaskan beberapa aspek penting yang terdapat pada

galvanometer.

1.2 Batasan Masalah.

Makalah ini membahas tentang beberapa jenis dari Galvanometer. Dalam makalah ini dijelaskan

tentang prinsip kerjanya serta bagian-bagiannya, dan menjelaskan beberapa aspek penting yang

terdapat pada galvanometer.

1.3 Tujuan.

1. Mempelajari tentang galvanometer balistik.

2. Mempelajari tentang galvanometer suspensi.

3. Mengetahui tentang Defleksi Galvanometer dalam Keadaan Mantap (Steady State

deflection ).

4. Mengetahui tentang sifat dinamik galvanometer.

5. Mengetahui tentang mekanisme redaman.

6. Mengetahui tentang gerak d’ Arsonval ( d’ Arsonval movement )

7. Mengetahui tentang sensitivitas galvanometer.

1.4 Metode Penulisan.

Untuk mendapatkan data dan informasi yang diperlukan, penulis menggunakan metode

kepustakaan, yaitu pada metode ini, penulis membaca buku-buku dan literatur serta mencari

informasi di internet yang berhubungan dengan penulisan makalah ini yaitu Galvanometer.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Galvanometer Balistik.

Untuk mengukur fluksi maknit digunakan galvanometer balistik, dimana galvanometer ini

bekerja menggunakan prinsip d’ Arsonval dan dirancang khusus untuk pemakaian selama 20 –

30 sekon dengan kepekaan tinggi.

Pada pengukuran balistik ini, kumparan menerima suatu impuls arus sesaat, mengakibatkan

kumparan berayun ke satu sisi dan kemudian kembali berhenti dalam gerakan berosilasi.

Jika impuls arus berlangsung singkat, maka defleksi mula-mula dari posisi berhenti berbanding

lurus dengan kuantitas pengosongan muatan listrik melalui kumparan. Nilai relatif impuls arus

yang diukur dalam defleksi sudut mula-mula dari kumparan adalah :

Q = K θ

Dimana:

Q = muatan listrik ( coulomb )

K = kepekaan galvanometer ( coulomb / radian defleksi )

θ = defleksi sudut kumparan ( radian )

Harga kepekaan galvanometer ( K ), dipengaruhi oleh redaman dan besarnya diperoleh secara

eksperimental, melalui pemeriksaan kalibrasi pada kondisi pemakaian yang nyata.

Untuk mengkalibrasi galvanometer, digunakan beberapa metoda, yaitu :

1. metoda kapasitor.

2. metoda solenoida.

3. metoda induktansi bersama.

Pada Metoda induktansi bersama, sumber arus di rangkaian primer dikopel melalui ke

galvanometer, melalui pengujian induktansi bersama ( M ). Rangkaian yang digunakan dalam

metoda ini, ditunjukkan pada gambar 1.

Gambar 1. Metoda induksi bersama.

Jika arus primer ( I ) arahnya dibalik ( dari + I menjadi - I ), akan terjadi penyimpangan

galvanometer ( θ ) sebanding dengan konstanta-konstanta rangkaian dan kepekaan galvanometer

( K ). Akibat perubahan arah arus ini, besar muatan total di dalam rangkaian adalah :

Q =

Dimana:

M = induktansi bersama (Henry atau H)

R = tahanan total rangkaian (ohm atau Ω)

Pengukuran fluksi menggunakan galvanometer balistik yang sudah dikalibrasi,

ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Pengukuran fluksi menggunakan galvanometer.

Dari gambar, dapat dilihat bahwa galvanometer balistik dihubungkan seri dengan sebuah tahanan

variabel dan sebuah kumparan yang melilit maknit permanent yang akan ditentukan fluksinya.

Tahanan variabel diatur untuk menghasilkan redaman kritis bagi galvanometer.

Adapun prinsip pengukuran galvanometer balistik, antara lain:

Jika maknit permanen dilepas dengan cepat dari kumparan, maka akan dihasilkan suatu

impuls arus yang menyebabkan galvanometer menyimpang.

a. Kuantitas muatan melalui galvanometer balistik berbanding lurus dengan fluksi total

( Ф ) maknit permanen dan jumlah lilitan kumparan ( N ) dan berbanding terbalik dengan

tahanan total rangkaian ( R ), dan secara matematis :

b. Subtitusikan persamaan di atas sehingga diperoleh defleksi galvanometer ( θ ):

c. Dari persamaan di atas untuk suatu harga Q , dapat diperoleh harga Ф yang besarnya :

Catatan:

Faktor kepekaan K harus dievaluasi terhadap tahanan rangkaian yang digunakan pada setiap

pengukuran.

2.2 Galvanometer Suspensi ( Suspension Galvanometer ).

Pengukuran-pengukuran arus searah sebelumnya menggunakan galvanometer sistem gantungan,

yang merupakan pelopor instrumen kumparan putar, sebagai dasar pada umumnya instrumen

penunjuk arus searah yang dipakai secara luas saat ini. Dengan beberapa penyempurnaan,

Galvanometer suspensi masih digunakan untuk pengukuran-pengukuran laboratorium

sensitivitas tinggi tertentu, jika keinda-han instrumen bukan merupakan masalah dan portabilitas

bukan menjadi prioritas.

Konstruksi sebuah galvanometer suspensi, ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 3. Galvanometer Suspensi.

1. Sebuah kumparan kawat halus digantung di dalam medan maknet yang dihasilkan oleh sebuah

maknet permanen, berdasarkan hukum gaya elektromaknet , jika dialiri arus listrik , maka

kumparan tersebut akan berputar

( arus listrik mengalir dari dan ke kumparan melalui sebuah gantungan yang terbuat dari

serabut halus dan keelastisan serabut tersebut menghasilkan suatu torsi yang akan melawan

perputaran kumparan ).

2. Kumparanakan terus berdefleksi sampai gaya elektromaknetnya mengim-bangi torsi mekanis

lawan dari gantungan. Dengan demikian defleksi kumparan merupakan ukuran untuk arus

yang dibawa kumparan tersebut.

3. Sebuah cermin dipasang pada kumparan yang berfungsi untuk mende-fleksikan seberkas

cahaya, sehingga sebuah bintik cahaya yang sudah diperkuat bergerak. diatas skala pada

suatu jarak dari instrumen dan efek optiknya adalah sebuah jarum penunjuk yang panjang

dengan massa nol.

2.3 Defleksi Galvanometer dalam Keadaan Mantap (Steady State deflection ).

Prinsip kerja galvanometer suspensi diterapkan sama terhadap jenis instrumen yang lebih baru,

yaitu mekanisme kumparan putar maknet permanen ( PMMC : permanent magnet moving coil ),

dan konstruksi PMMC dan bagian-bagiannya ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Konstruksi PMMC

Prinsip kerjanya yakni Jika arus mengalir di dalam kumparan, akan timbul torsi

elektromaknetik yang menyebabkan berputarnya kumparan, dan torsi ini akan diimbangi torsi

mekanis dari pegas-pegas pengatur yang diikat pada kumparan. Kesetimbangan torsi-torsi dan

posisi sudut kumparan putar, dinyatakan oleh jarum penunjuk terhadap referensi tertentu, yang

disebut skala. Menurut hukum dasar eletromaknetik , persamaan untuk torsi adalah :

Dimana:

T = torsi dalam Newton-meter (N-m)

B = kerapatan fluksi didalam celah udara (Wb/m2)

A = luas efektif kumparan (m2)

I = arus dalam kumparan putar (Ampere, A)

N = jumlah lilitan kumparan

Karena kerapatan fluksi dan luas kumparan merupakan parameter-parameter konstan

untuk sebuah instrumen, maka persamaan diatas torsi berbanding lurus dengan arus I (T~I).

Torsi menyebabkan defleksi jarum ke keadaan mantap, dimana torsi diimbangi oleh torsi pegas

pengontrol.

Perencana hanya dapat mengubah nilai torsi pengatur dan jumlah lilitan kumparan untuk

mengukur arus skala penuh. Umumnya luas kumparan praktis 0,5 – 2,5 cm, kerapatan fluksi

untuk instrumen modern 1500 – 5000 gauss ( 0,15 – 0,5 Wb/m2).

2.4 Sifat Dinamik Galvanometer.

Jika arus bolak balik dialirkan ke sebuah galvanometer pencatat, maka pencatatan yang

dihasilkan oleh gerakan kumparan putar meliputi karakteristik respons dari elemen yang berputar

itu sendiri, dengan demikian adalah penting untuk mempertimbangkan sifat dinamiknya.

Sifat dinamik galvanometer adalah : kecepatan respons, redaman dan over-shoot. Sifat

dinamik galvanometer dapat diamati dengan memutuskan arus input secara tiba-tiba, sehingga

kumparan berayun kembali dari posisi defleksi menuju posisi nol. Sebagai akibat dari

kelembaman ( inersia ) dari sistem yang berputar, jarum berayun melewati titik nol dalam arah

berlawanan dan berosilasi kekiri dan kekanan, dan secara perlahan-lahan osilasi ini akan

mengecil sebagai akibat dari redaman elemen berputar dan akhirnya jarum berhenti pada posisi

nol.

Gerakan sebuah kumparan didalam medan maknet, diketahui dari tiga kuantitas, yaitu :

1. Momen inersia kumparan putar terhadap sumbunya ( J ).

2. Torsi lawan yang dihasilkan oleh gantungan kumparan ( S ).

3. Konstanta redaman ( D ).

Penyelesaian persamaan diferensial yang menghubungkan ketiga faktor diatas, menghasilkan

tiga kemungkinan yang masing-masing menjelaskan sifat dinamik kumparan dan sudut

defleksinya ( θ ).

Ketiga jenis sifat-sifat tersebut ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 5. Sifat dinamik galvanometer.

Dari gambar 5 diatas dapat dijelaskan sebagai berikut :

Kurva I : Keadaan terlalu redam, dimana kumparan kembali secara perlahan ke posisi diam tanpa

lonjakan atau osilasi.

Kurva II : Keadaan kurang redam, dimana gerakan kumparan dipengaruhi oleh osilasi sinusoida

teredam. Laju dimana osilasi berhenti ditentukan konstanta redaman ( D ), momen

inersia ( J ) dan torsi lawan ( S ) yang dihasilkan gantungan kumparan.

Kuva III : Keadaan redaman kritis, dimana jarum kembali dengan cepat ke keadaan mantap

tanpa osilasi.

Idealnya, respons galvanometer adalah sedemikian rupa, sehingga jarum jam bergerak ke

posisi akhir tanpa lonjakan, berarti gerakan tersebut harus pada keadaan redaman kritis, akan

tetapi dalam praktek, pada umumnya galvano- meter sedikit kurang teredam, sehingga jarum

sedikit melonjak sebelum berhenti, dan lebih lambat dari redaman kritis.

2.5 Mekanisme Redaman.

Redaman galvanometer terjadi dalam dua mekanisme, yaitu :

1. Redaman mekanis, disebabkan :

a. perputaran kumparan di udara sekelilingnya dan tidak bergantung pada arus

listrik di kumparan.

b. gesekan di bantalan-bantalannya karena gerakan.

c. pembengkokan pegas-pegas gantungan.

2. Redaman elektromaknetik, disebabkan : efek induksi di dalam kumparan, yang

berputar di dalam medan maknet.

Cara-cara peredaman antara lain:

a. Alat-alat ukur PMMC dibuat agar menghasilkan redaman viskos yang minimum dan

derejat redaman diperbesar.

b. Beberapa instrumen menggunakan prinsip elektromaknetik ( hukum Lenz ), dimana

kumparan digulung pada sebuah rangka aluminium ringan, perputaran kumparan dalam

medan maknet menghasilkan arus sirkulasi pada logam peng-hantar, sehingga torsi

penahan dibangkitkan untuk melawan gerakan kumparan.

c. Sebuah galvanometer dapat juga diredam dengan sebuah tahanan dihubungkan ke

kumparan, jika kumparan berputar dalam medan maknet tegangan dibangkit-kan di

kumparan yang akan mensirkulasi arus melalui kumparan dan tahanan luar, sehingga

dihasilkan torsi yang meredam gerakan kumparan.

2.6 Gerak d’ Arsonval ( d’ Arsonval movement )

Gerakan dasar kumparan putaran maknet permanen yang ditunjukan pada gambar 4, sering

disebut dengan gerak d’Arsonval. Konstruksi ini memungkinkan maknet besar di dalam suatu

ruangan tertentu dan digunakan bila diinginkan fluksi terbesar di celah udara. Dia adalah

instrumen dengan kebutuhan daya sangat rendah dan arus kecil untuk defleksi skala penuh.

Gambar 6, menunjukkan sebuah pandangan maya dari gerakan d’Arsonval.

Gambar 6. Gerak d’ Arsonval

Pengamatan pada gambar 6, menunjukkan :

- Sebuah maknet permanen berbentuk sepatu kuda dengan potongan-potongan besi lunak

menempel padanya.

- Antara potongan-potongan tersebut, terdapat sebuah silinder besi lunak yang berfungsi

untuk menghasilkan medan maknet yang homogen.

- Kumparan yang dililitkan pada sebuah kerangka logam ringan dan dipasang sedemikian

rupa hingga dapat berputar bebas di celah udara.

- Jarum penunjuk dipasang dibagian atas kumparan, bergerak sepanjang skala yang sudah

dibagi-bagi dan menunjukkan defleksi sudut kumparan yang berarti juga menunjukkan

arus melalui kumparan.

- Bentuk “ Y “ adalah pengatur nol ( zero adjust ) dan dihubungkan ke ujung tetap pegas

pengatur depan.

- Sebuah pasak eksentrik ( pin ) yang menembus kotak instrumen yang memegang bagian “

Y “, sehingga posisi “ nol “ jarum dapat diatur dari luar.

- Dua pegas konduktif dari fosfor-perunggu biasanya berkekuatan sama, yang

menghasilkan gaya terkalibrasi untuk melawan torsi kumparan putar dan prestasi pegas

yang konstan dibutuhkan untuk mempertahankan ketelitian instrumen.

- Ketebalan pegas diperiksa secara teliti untuk mencegah kondisi pegas yang permanen

( eksitasinya hilang ). Arus dialirkan dari dan ke kumparan melalui pegas-pegas

penghantar.

- Keseluruhan sistem yang berputar dibuat setimbang statis oleh tiga buah beban

kesetimbangan untuk semua posisi defleksi, seperti ditunjukkan pada gambar 7.

Gambar 7. Tiga buah beban kesetimbangan.

- Jarum, pegas dan titik putar ( pivot ) dirakit ke peralatan kumparan dengan

menggunakan alas titik putar dan ditopang oleh bantalan jewel ( jewel bearing ), seperti

ditunjukkan pada gambar 8. Jewel berbentuk “ V “ ditunjukkan pada gambar 8 a

digunakan secara umum pada bantalan-bantalan instrumen dan mempunyai gesekan

paling kecil diantara semua bantalan.

Gambar 8. bantalan jewel ( jewel bearing )

2.7 Sensitivitas galvanometer.

Untuk menyatakan sensitivitas sebuah galvanometer, umumnya digunakan tiga buah defenisi,

yaitu :

1. Sensitivitas arus ( current sensitivity )

2. Sensitivitas tegangan ( voltage sensitivity )

3. Sensitivitas mega-ohm ( megohm sensitivity )

4. Sensitivitas balistik

1. Sensitivitas Arus, didefinisikan sebagai :

Perbandingan defleksi galvanometer terhadap arus yang menghasilkan defleksi tersebut.

Untuk galvanometer yang skalanya tidak dikalibrasi dalam milimeter ( mm ), defleksi dapat

dinyatakan dalam bagian skala, maka sensitivitas arus :

Dimana:

d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm.

I = arus galvanometer dalam mikroamper ( μA )

2. Sensitivitas Tegangan, didefinisikan sebagai : Perbandingan defleksi galvanometer terhadap

tegangan yang menghasilkan-nya, jadi :

Dimana:

d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm.

V = tegangan yang diberikan ke galvanometer dalam milivolt ( mV ).

Adalah lazim untuk memandang galvanometer bersama-sama dengan tahanan redaman kritis

( CDRX ) dan kebanyakan pabrik menyatakan sensitivitas tegangan dalam mm / mV.

3. Sensitivitas Mega-ohm, didefinisikan sebagai :

Tahanan ( dalam mega-ohm ) yang dihubungkan seri dengan galvanometer , agar

menghasilkan defleksi sebesar satu bagian skala bilamana tegangan sebesar 1 V diberikan ke

rangkaian tersebut.

Karena tahanan ekivalen dari galvanometer yang diparalelkan diabaikan terhadap tahanan

( dalam mega-ohm ) yang seri dengannya, maka arus masuk praktis sama dengan 1 / R ( μA )

dan menghasilkan defleksi satu bagian. Secara numerik, sensitivitas mega-ohm sama dengan

sensitivitas arus ;

Dimana:

d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm

I = arus galvanometer dalam mikroamper ( μA ).

4. Sensitivitas Balistik Sensitivitas ini ditemukan pada galvanometer balistik dan didefinisikan

sebagai : Perbandingan defleksi maksimal galvanometer ( dm ) terhadap jumlah muatan listrik

( Q ), jadi :

Dimana:

dm = defleksi maksimal galvanometer dalam bagian skala atau mm.

Q = muatan listrik dalam mikrocoulomb ( μC ).

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan.

Untuk mengukur fluksi maknit digunakan galvanometer balistik, dimana galvanometer ini

bekerja menggunakan prinsip d’ Arsonval dan dirancang khusus untuk pemakaian selama 20 –

30 sekon dengan kepekaan tinggi.

Galvanometer suspensi masih digunakan untuk pengukuran-pengukuran laboratorium

sensitivitas tinggi tertentu, jika keinda-han instrumen bukan merupakan masalah dan portabilitas

bukan menjadi prioritas.

Prinsip kerja galvanometer suspensi diterapkan sama terhadap jenis instrumen yang lebih

baru, yaitu mekanisme kumparan putar maknet permanen ( PMMC : permanent magnet moving

coil ), Prinsip kerjanya yakni Jika arus mengalir di dalam kumparan, akan timbul torsi

elektromaknetik yang menyebabkan berputarnya kumparan, dan torsi ini akan diimbangi torsi

mekanis dari pegas-pegas pengatur yang diikat pada kumparan.

Sifat dinamik galvanometer adalah : kecepatan respons, redaman dan over-shoot. Sifat dinamik

galvanometer dapat diamati dengan memutuskan arus input secara tiba-tiba, sehingga kumparan

berayun kembali dari posisi defleksi menuju posisi nol.

Redaman galvanometer terjadi dalam dua mekanisme, yaitu: Redaman mekanis dan

Redaman elektromaknetik. Gerakan dasar kumparan putaran maknet permanen sering disebut

dengan gerak d’Arsonval.

Untuk menyatakan sensitivitas sebuah galvanometer, umumnya digunakan tiga buah defenisi,

yaitu :

1. Sensitivitas arus ( current sensitivity )

2. Sensitivitas tegangan ( voltage sensitivity )

3. Sensitivitas mega-ohm ( megohm sensitivity )

4. Sensitivitas balistik

3.2 Saran.

Dalam sebuah penulisan, tentu diperlukan dilakukannya penulisan lanjutan guna meningkatkan

ilmu pengetahuan. Dalam membuat makalah, disarankan mencari referensi yang lebih luas lagi,

sehingga pembahasan akan semakin mendalam dan lebih efektif. Sehingga akan benar-benar

memberikan manfaat dimana akan didapat sebuah pengetahuan yang dapat diterapkan di dalam

masyarakat hendaknya.