tugas ringkasan autp

TUGAS RINGKASAN MATERI Alat Ukur dan Teknik Pengukuran

Prinsip-prinsip dan Pemakaian Potensiometer Jembatan Arus Searah dan PemakaiannyaDisusun Oleh : Agus Dian P Erviana Yohani .R Miftakhul Jannah Rico Putra Pratama Wida Geby Krisanti040900101

Argo Satrio Wicaksono 020900242 020900247 020900253 020900256 020900262

Bab VISTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 1

Prinsip-prinsip dan Pemakaian Potensiometer

1. Definisi Potensiometer adalah sebuah instrument yang digunakan untuk mengukur tegangan yang tidak diketahui dengan cara membandingkannya terhadap tegangan yang diketahui yang biasa di supply dari sebuah sel standar. Pengukuranpengukuran dengan cara ini mampu menghasilkan tingkat ketelitian yang sangat tinggi sebab hasil yang diperoleh tiak bergantung pada defleksi aktual jarum pennjuk, tetapi hanya bergantung pada ketelitian tegangan standar yang diketahui. Selain digunakan sebagai pengukur tegangan, potensiometer juga digunakan untuk menentukan arus dengan hanya mengukur penurunan tegangan yang dihasilkan oleh arus tersebut melalui sebuah tahanan yang diketahui. 2. Prinsip Kerja Diagaram rangkaian potensiometer dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 1. Rangkaian potensiometer

Saat saklar

S dibuat ke posisi operasi dan membuat sakelar kunci

galvanometer K terbuka, batere kerja akan menyalurkan arus ke tahanan geser danSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 2

kawat geser. Arus kerja melalui kawat geser dapat diubah dengan mengubah posisi tahanan geser. Metoda pengukuran tegangan yang tidak diketahui,E, bergantung pada cara mendapatkan suatu posisi kontak geser sedemikian rupa sehingga galvanometer menunujukkan defleksi nol bila saklar galvanometer K ditutup. Arus galvanometer nol berarti bahwa tegangan E yang tidak diketahui sama dengan penurunan tegangan E pada bagian xy dari kawat geser. Penentuan nilai tegangan yang tidak diketahui selanjutnya menjadi masalah penetuan penurunan tegangan E sepanjang kawat geser. Penurunan tegangan seluruh panjang kawat tersebut atau sepanjang sebagaian kawat dapat dikontrol dengan mengatur arus kerja (working current). Langkah awal dalam prosedur pengukuran adalah dengan mengatur atau menstandarkan ke sebuah sumber tegangan refeerensi yang diketahui seperti sel standar. Yang perlu di ingat adalah potensiometer hanya memerlukan satu kali kalibrasi, yang berarti sekali dikalibrasi, arus kerja tidak pernah berubah. Setelah potensiometer distandarkan, setiap tegangan dc yang kecil yang tidak diketahui (maksimum 1,6 V) dapat diukur. Sakelar S dipindahkan ke posisi operasi dan kotak geser digerakkan sepanjang kawat sampai galvanometer tidak menunjukkan defleksi bila sakelar K ditutup. Pada kondisi nol, tegangan E yang tidak diketahui sama dengan penurunan tegangan E sepanjang bagain xy dari kawat geser, dan pembacaan skala kawat geser secara mudah diubah ke nilai tegangan yang sesuai.3. Jenis Jenis Potensiometer 3.1 Potensiometer Satu Rangkuman

Potensiometer kawat geser memiliki konstruksi yang kurang praktis. Potensiometer tipe laboratorium modern mengunakan tahanan tingkat (dial resistor) yang telah dikalibrasi dan sebuah kawat geser berbentuk lingkaran kecil dengan satu atau lebih gulungan. Adapun skema sebuah potensiometer sederhana adalah sebagai berikut :

STTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran

3

Gambar 2. Rangkaian potensiometer dengan tahanan tingkat dan kawat geser bentuk lingkaran

Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa, kawat geser yang panjang diganti oleh gabungan 15 tahanan presisi beserta kawat geser berbentuk lingkaran satu gulungan. Dalam hal ini, tahanan kawat geser berbentuk lingkaran satu gulungan. Dalam hal ini, tahan kawat geser adalah 10 dan tahanan-tahanan piringan (dial) mempunyai nilai masing-masing 10 sehingga tahanan total sakelar tingkat/piringan (dial switch) adalah 150. Kawat geser dilengkapi dengan 200 pembagian skala dan interpolarisasi sebesar seperlima dari satu bagian skala dapat ditaksir dengan baik. Arus kerja potensiometer ini dipertahankan pada 10 mA sehingga setiap satu langkah dari sakelar tingkat menyakatakan tegangan 0,1 V. Masing-masing bagaian skala pada skala kawar geser menyatakan 0,0005 V dan pembacaan dapat ditaksir sampai sekitar 0,0001V.3.2

Pengukuran Tegangan Potensiometrik

Langkah-langkah dalam melakukan suatu pengukuran potensiometrik adalah sebagai beikut :


4

Mengkombinasikan tahanan-tahanan piringan dan kawat geser diatur ke nilai tegangan sel standar (nilai ini biasanya dituliskan pada tubuh sel); Memindahkan sakelar ke posisi kalibrasi dan sakelar galvanometer K

dicabangkan sewaktu tahanan geser diatur untuk memberikan defleksi nol pada galvanometer. Rangkaian pengaman dibiarkan di dalam rangkaian guna mencegah kerusakan galvanometer selama pengaturan tingkat awal. Setelah defleksi nol hampir tercapai, tahanan pengaman dihubung singkatkan dan penyetelan akhir dilakukan dengan mengontrol tahanan geser. Setelah standardisasi selesai, saklar dipindahkan keposisi operasi, berarti

menghubungkan ggl yang tidak diketahui ke rangkaian. Instrumen dibuat setimbang oleh piringan utama (main dial) dan kawat geser, dengan tetap membiarkan tahanan pengaman didalam rangkaian. Begitu

kesetimbangan hampir tercapai, tahanan pengaman dihubung

singkatkan dan penyetelan akhir dilakukan guna mendapatkan suatu kondisi setimbang yang sebenarnya. Nilai tegangan yang tidak diuketahui dibaca langsung dari penyetelanpenyetelan piringan. Arus kerja diperiksa dengan mengembalikan keposisi kalibrasi. Jika

penyetelan penyetelan piringan persis sama dengan prosedur kalibrasi semula, pengukuran yang dilakukan telah memenuhi. Jika pembacaan tidak sesuai, pengukuran kedua harus dilakukan dan kembali lagi ke pengujian kalibrasi. 3.3 Potensiometer Dua Rangkuman Potensiometer satu rangkuman dibuat untuk meliput rangkuman tegangan sampai 1,6 V. Oleh karena itu, pengukuran nilai yang lebih rendah dapat dilakukan dengan menambahkan dua tahanan rangkuman dan satu sakelar rangkuman. Diagram skema sebuah potensiometer dua rangkuman ditunjukkan pada gambar berikut :


5

Gambar 3. Potensiometer dua rangkuman yang disederhanakan

Dari gambar diatas, R1 dan R2 adalah tahanan-tahanan rangkuman dan sakelar S adalah sakelar rangkuman. Tahanan pengukuran Rm terdiri dari kawat geser yang dihubungkan seri dengan pringan utama. Piringan utama terdiri 15 tingkatan dengan masing-masing 10 sehinga tahanan total 150. Tahanan kawat geser adalah 10. Untuk mengahasilkan suatu penurunan tegangan sebesar 1,6 V pada piringan utama dan kawat geser, arus pengukuran Im harus 10 mA. Bila sakelar rangkuman dibuat pada posisi x 0,1 maka arus pengukuran Im harus diturunkan menjadi sepersepuluh dari nilai semula yakni 1 mA, agar diproleh suatu penurunan tegangan 0,16 V ada tahanan pengukuran Rm.

Gambar 4. Rangkaian Erlementer dari Potensiometer 2 rangkuman yang menunujukkkan rangkaian (a) pada rangkuman x1 (b) pada rangkuman x 0.1


6

Dari skema gambar diatas, pada rangkuman x 1, tahanan-tahanan rangkuman R1 dan R2 pararel terhadap tahanan total Rm. Pada gambar selanjutnya (b), tahanan rangkuman R1 pararel terhadap kombinasi seri dari R2 dan Rm. Suatu arus batere yang konstan hanya mungkin bila tahanan rangkaian total pada masingmasing rangkuman adalah sama. Sehingga jika disamakan tahanan-tahanan pada gambar diatas diperoleh : Rm(R1+R2) R1+R2+Rm R1(R2+Rm) R1+R2+Rm (1)

Setelah disederhanakan, akan menjadi : R2Rm = R1R2 atau R1=Rm (2)

Dari persamaan diatas dapat dianalisa bahwa tahanan rangkuman R1 harus sama dengan tahanan pengukuran Rm agar batere menyalurkan arus yang sama pada kedua rangkuman. Tegangan E harus pada kedua posisi saklar rangkuman guna mengubah rangkuman-rangkuman tanpa mengacaukan kalibrasi permulaan. Dengan sakelar pada posisi x 1 Dengan sakelar pada posisi x 0,1 Gabungan persamaan (3) dan (4) menghasilkan: Dengan substitusi persamaan (2) ke (5) diperoleh Arus batere It dalam gambar 5.a sebelumnya Arus batere It dalam gambar 5.b sebelumnya Gabungan persamaan (7) dan (8) menggubakan (6) ; I1+Im = I2+0,1Im Atau I1 = 0,1 Im (9) E = ImRm E = I2R1 E = ImRm = I2R1 Im = I2 It = I1+Im It = I2+0,1Im (3) (4) (5) (6) (7) (8)

Penurunan tegangan pada Rm harus sama dengan penurunan tegangan pada kombinasi seri R1 dan R2 jadi ; I1(R1+R2) = ImRm (10)7


Hasil substitusi persamaan (2) dan (9) kedalam (10) menjadi : 0,1 Im (R1+R2) = ImR1 Atau R2 = 9R1 (11)

Kalibrasi potensiometer dua rangkuman dilakukan dengan cara yang biasa yaitu pada posisi rangkuman x 1. Tahanan-tahanan rangkuman R1 dan R2 keduanya adalah tahanan presisi dan kalibrasi permulaaan harus berlaku untuk rangkuman yang lebih rendah. Potensiometer seperti pada gambar 3 dapat digunakan untuk mengukur tegangan-tegangan samai 0,16 V pada rangkuman yang lebih rendah. Pembacaan-pembacaan piringan (dial) hanya dikalikan dengan factor rangkuman sebesar 0,1. 3.4 Potensiometer rangkuman ganda Potensiometer-potensiometer laboratorium presisi biasanya memiliki 3 rangkuman tegangan; rangkuman tinggi (1,6 V), rangkuman menengah (0,16 V) dan rangkuman rendah (0,016 V). Diagram rangkuman yang disederhanakan dari sebuah instrument 3 rangkuman dapat ditunjukkan pada gambar 5 dibawah.

Gambar 5 Potensiometer laboratorium tiga rangkuman

Tingkat ketelitian pengukuran biasanya dihubungkan dengan potensiometer presisi sedemikian rupa sehingga rangkaian memerlukan komponen-komponenSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 8

stabilitas tinggi dan sambngan-sambungan yang dirangkai secara cermat ; sebagai akibatnya beberapa elemen rangkaian harus dilindungi secara temal dan secara elektrostatik.

Gambar 6 Instrument poratabel yang dirancang untuk mengalibrasi instrument yang dioperasikan oleh termokopel pada rangkuman -1 sampai +15 mV dan 0 sampai 80 mV

Gambar 7 Diagram skema yang disederhanakan untuk potensiometer portable

4. Kotak volt


9

Potensiometer untuk pemakaian umum biasanya manyangkut pengukuran dalam rangkuman 0 volt sampai 1.6 volt dc. Jika tegangan yang akan diukur lebih tinggi, digunakan sebuah pembagi tegangan yang presisi atau kotak volt yang memperbesar batas ukur potensiometer.

Gambar 8 Diagram skema sebuah kotak volt

Gambar

diatas

adalah

diagram

kotak

volt.

Tegangan

yang

diukur

dihubungkan ke terminal-terminal hantaran dan rangkuman tegangan yang sesuai dipilih dengan menyetel saklar putar, sehingga keluarannya sama dengan 150mV. Arus yang disalurkan dari sumber tegangan yang diukur dapat dibuat sangat kecil dengan menggunakan pembagi tegangan tahanan tinggi. Namun dalam praktek pemilihan nilai-nilai tahanan mencakup kompromi: tahanan tinggi diinginkan untuk memperkecil arus. Tahanan-tahanan rendah menghasilkan sensitivitas galvanometer yang lebih tinggi dan memperkecil efek kebocoran tahanan tinggi sekitar apitan kutub. Kestabilan yang sangat baik dan ketelitian tinggi dapat dicapai dengan menggunakan komponen-komponen bermutu tinggi.

5. Kotak shunt


10

Gambar 9 Diagram skema sebuah kotak shunt

Kotak shunt dimaksudkan digunakan bersama potensio meter dalam pengukuran presisi arus searah dan untuk kalibrasi ampere meter dc dan watt meter.Seperti yang terlihat pada diagaram, arus yang diukur dimasukan melalui terminal-terminal hantaran kotak dan menghasilkan penurunan tegangan pada tahanan shunt. Sebuah saklar putar memungkinkan pemilihan rangkuman arus yang didnginkan dari 75mA sampai dengan 15 A dc keluarannya sama dengan 150 mV. Dengan tahanan shunt total sebesar 2 ohm disipasi daya terbesar hanya 2.25 watt. dalam situasi pengukuran khas tegangan yang dibangkitkan pada tahanan shunt diukur oleh sebuah potensiometer. Pemakaian komponen-komponen bermutu tinggi seperti tahanan kawat manganin dan kontak-kontak paduan perak pada saklar rangkuman menghasilkan stabilitas listrik yang sangat baik, mengakibatkan suatu batas kesalahan hanya 0.02%. 6. Detektor Nol Ada tiga jenis detektor nol, yaitu : (a) Galvanometer jenis penunjuk dengan suspensi ban kencang (taut-band), umumnya ditemukan dalam instrumen-instrumen portabel. Ini merupakan detektor nol yang cukup kasar dengan sensitivitas 1,0 A setiap bagian skala. (b) Galvanometer refleksi dilengkapi dengan lampu dan skala, khususnya digunakan di laboratorium. Galvanometer ini memiliki sensitivitas tinggi, biasanya dalam rangkuman 0,1 A sampai 0,01 masukan setiap bagian skala.STTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 11

(c) Detektor nol elektronik (electronic null detector) dengan rangkaian semi konduktor memiliki sensitivitas yang sangat baik pada impedansi masukan yang tinggi dan sangat kasar tetapi cukup mahal. Pada galvanometer jarum penunjuk atau galvanometer refleksi, untuk pemilihan tipe detektor nol yang baik bergantung pada beberapa faktor: sensitivitas, tahanan kumparan galvanometer, periode galvanometer, dan tahanan peredam kritis luar (ECDR) dari rangkaian.

Gambar. 10 Skema sebuah galvanometer refleksi bersama lampu dan skala

Gambar di atas menunjukkan skema galvanometer refleksi dengan lampu dan skala lengkap yang telah terpasang. Lampu A dipasang di dalam sebuah rumah dekat bagian belakang instrumen. Cahaya bersinar melalui sebuah tabung berisi sebuah lensa cembung datar B. Permukaan datar lensa ini dilapisi perak, dipasang menghadap lampu, kecuali sebuah celah persegi sempit yang sisi-sisi panjangnya vertikal. Sebuah garis rambut halus menyilang celah paralel terhadap sisi-sisi panjangnya. Lensa-lensa menghasilkan sebuah bayangan dari filamen lampu dan garis rambut melalui sebuah lensa akromatik C ke cermin galvanometer D yang dipasang pada kumparan galvanometer. Cermin berputar menurut perimbangan sewaktu menanggapi arus melalui kumparan, dan memantulkan kembali berkas cahaya melalui lensa C menuju cermin silindris E yang berada di bagian belakang kotak instrumen. Disini bayangan tersebut diperbesar dan dipantulkan ke skala penunjuk FSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 12

di bagian depan. Efek gabungan dari lensa C dan cermin silindris membentuk bayangan utama garis rambut dan digunakan sebagai pedoman untuk menunjukkan defleksi. Sewaktu berkas cahaya dipantulkan oleh cermin galvanometer ke cermin silindris, dia lewat melalui gelas bening G. Hampir semua cahaya lewat melalui gelas tersebut tetapi sebagian kecil dipantulkan ke skala untuk membentuk sebuah bayangan sekunder. Bayangan sekunder ini muncul sebagai bintik terang sempit yang terpusat pada bayangan primer. Dia bergerak sedikit sekali pada defleksi bayangan primer yang relatif besar (rasio 1/10) dan sangat berguna dalam menentukan arah defleksi sekiranya bayangan primer berada di luar skala.7. Kalibrasi Voltmeter dan Amperemeter

Metoda potensiometer adalah dasar untuk mengalibrasi voltmeter, ampermeter, dan wattmeter. Karena potensiometer adalah alat ukur arus searah (dc), instrumen yang akan dikalibrasi harus dari jenis dc atau elektro-dinamometer.

Gambar 11. Kalibrasi sebuah voltmeter arus searah dengan metode potensiometer

Gambar diatas menunjukkan bahwa sebuah rangkaian pembagi tegangan yang terdiri dari dua tahanan geser guna pengaturan tegangan kalibrasi secara kasar dan peka, dihubungkan antara terminal-terminal sumber daya. Tegangan pada voltmeter diturunkan ke suatu harga yang sesuai untuk hubungan ke potensiometer dengan menggunakan sebuah kotak volt. Tegangan yang dimasukkan ke kotak volt tersebut diatur oleh dua tahanan geser sampai jarum penunjuk berhenti pada suatu bagian skala utama. Potensiometer digunakan untuk menentukan nilai sebenarnya dari tegangan ini. Bila pembacaan potensiometer tidak sesuai dengan penunjukan voltmeter, kesalahan positif atau negatif akan ditunjukkan. Sejumlah bagian skalaSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 13

utama yang dipilih diperiksa melalui cara ini, pertama-tama pada pertambahan tegangan dan kemudian pada penurunan tegangan. Setelah pembacaan ini dilakukan pada titik-titik skala yang dipilih, kurva kalibrasi digambarkan. Sebuah contoh data yang diperlukan untuk membuat sebuah kurva kalibrasi diberikan pada tabel 1 berikut. Tabel 1 Hasil kalibrasi sebuah voltmeter dc dengan metoda potensiometerpembacaan skala voltmeter dc (volt) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Pembacaan potensiometer sebenarnya (volt) 0.00 0.95 2.00 3.05 4.10 5.10 6.15 7.10 8.15 9.20 10.25 Koreksi (volt)

0.00 -0.05 0.00 +0.05 +0.10 +0.10 +0.15 +0.10 +0.15 +0.20 +0.25


14

Gambar 12 Kurva kalibrasi khas

Gambar 13 Kalibrasi sebuah amperemeter dengan metode potensiometer

Gambar diatas menunjukkan rangkaian yang digunakan untuk mengalibrasi sebuah ampermeter. Sebuah kotak shunt seperti yang terlihat pada gambar sebelumnya dihubungkan seri dengan ampermeter yang akan dikalibrasi. Tegangan pada kotak shunt diukur oleh potensiometer, dan arus melalui shunt yang berarti melalui ampermeter ditentukan. Karena tahanan shunt diketahui secara tepat dan tegangan pada shunt diukur oleh potensiometer, metoda kalibrasi ampermeter iniSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 15

sangat teliti. Prosedur kalibrasi aktual di berbagai titik pada skala alat ukur sangat mirip dengan kalibrasi pada voltmeter.

8. Potensiometer yang menyetimbangkan sendiri (self balacing potensiometer)

Dalam instrumen self- balancing, ggl yang tidak setimbang dalam sebuah potensiometer normal akan menghasilkan defleksi galvanometer, dimasukkan ke sebuah penguat melalui sebuah converter. yang Keluaran dihubungkan penguat antara tersebut keluaran menggerakkan sebuah motor induksi dua fasa yang membuat kontak geser potensiometer setimbang. Converter, potensiometer dan masukan penguat, mengubah tegangan dc yang tidak setimbang menjadi tegangan ac yang tidak setimbang yang dengan mudah dapat diperkuat oleh sebuah penguat ac ke nilai yang diinginkan.

Gambar 14 Diagram rangkaian potensiometer Speed-O-Max yang menyetimbangkan sendiri

Diagram

rangkaian

diatas

menunjukkan

perincian

skematis

dari

potensiometer yang menyetimbangkan sendiri yang dalam hal ini digunakan untukSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 16

mengukur temperatur oleh sebuah termokopel. Converter terdiri dari sebuah batang bergetar, digerakkan secara sinkron dari tegangan jala-jala 60 Hz, yang bekerja sebagai saklar yang membalik arus melalui gulungan pemisah dari kumparan primer transformator pada tiap getaran batang. Pembalikan arus yang konstan pada masing-masing siklus vibrasi batang mengubah tegangan dc yang tidak setimbang dari rangkaian potensiometer menjadi tegangan bolak-balik pada kumparan sekunder transformator. Keluaran ac dari converter yang sebanding dengan masukan dc ke converter, dimasukkan ke penguat. Output penguat terdapat pada gulungan pengontrol dari motor induksi dua fasa, gulungan lain dari motor disuplai oleh tegangan jala-jala. Tegangan jala-jala ac tergeser sebesar 90 terhadap tegangan output kapasitor di dalam rangkaian penggerak converter. Bergantung pada tegangan dc, fasa tegangan keluaran penguat akan mendahului atau ketinggalan fasa sebesar 90 dari tegangan jala-jala yang dimasukkan ke motor induksi. Jadi jika ggl yang diukur lebih kecil dari tegangan kesetimbangan yang dihasilkan oleh potensiometer, maka keluaran penguat akan tergeser sebesar 180 dan motor akan berputar dalam arah yang berlawanan. Poros motor dihubungkan secara mekanis ke kontak kawat geser sehingga perputaran motor memperkecil ketidaksetimbangan dalam rangkaian potensiometer. Bila ggl yang akan diukur sama dengan tegangan potensiometer, tegangan output penguat adalah nol dan motor tidak berputar, jadi dalam setiap kondisi tidak setimbang tegangan output penguat akan menyebabkan motor menggerakkan potensiometer ke kedudukan setimbang. Motor yang menggerakkan kontak kawat-geser untuk mempertahankan kesetimbangan potensiometer secara mekanis di kopel ke sebuah mekanisme pena, dan setiap gerakan kontak kawat geser diikuti oleh suatu gerak simultan dari pena pada kart-jalur (strip-chart). Ggl yang dihasilkan oleh termokopel pada Gambar 14 adalah fungsi dari selisih temperatur antar ujung panas dan ujung dingin. Variasi temperatur titik referensi dikompensir oleh sebuah rangkaian kompensir elektris. Penurunan tegangan pada tahanan D, yang terbuat dari paduan nikel-tembaga mengkompensir perubahan temperatur titik referensi. Tahanan G menyetimbangkan penurunan tegangan pada D pada temperatur dasar yang diinginkan. Tahanan K dan kawatSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 17

geser S membentuk rangkaian pengukuran yang aktual, dan tahanan B menghasilkan penurunan tegangan yang tepat untuk mengalibrasi rangkaian terhadap tegangan referensi, yang dalam hal ini adalah referensi dioda zener. Sinyal yang disuplai ke masukan rangkaian potensiometer dilewatkan melalui sebuah penapis (filter) yang melewatkan frekuensi rendah. Kapasitor-kapasitor filter tidak mempunyai efek terhadap tegangan searah yang disalurkan ke masukan, tetapi setiap perubahan sinyal masukan yang cepat dan setiap sinyal-sinyal ac terpencar yang mungkin dihasilkan pada sinyal masukan, diratakan oleh kapasitor


18

Soal dan Pembahasan Buku Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran, Hal 146-147Pertanyaan:1. GGL sebuah bsel standar diukur dengan sebuah potensiometer yang memberikan

pembacaan 1,01892 V. Bila sebuah tahanan 1 M dihubungkan keterminalterminal sel standar, pembacaan potensiometer turujn menjadi 1,01874 V. Tentukan tahanan dalam Ri dari sel standar. 3. Potensiometer dalam gambar 1 mempunyai batere kerja dengan tegangan terminal 4,0 V dan tahanan-tahanan yang diabaikan . Kawat geser 200 Cm, mempunyai tahanan 100 dan tahanan dalam galvanometer 50. Ggl sel standar adalah 1,0191 V dan tahanan dalam 200. Tahanan geser diatur sehingga potensiometer distandarkan dengan menyetl kontak geser pada tanda 101,91 Cm pada kawat geser. (a)Tentukan arus kerja dan nilai tahanan geser. (b) Jika sambungan-sambungan ke sel standar dibalik secara kebetulan tentukan arus melalui sel standar. (c) Sebuah tahanan pengaman dihubungkan seri dengan galvanometer untuk membatasi arus melalui galvanometer sampai 10A pada kondisi (b). Tentukan nilai tahanan pengaman ini. 6. Sebuah potensiometer yang memiliki 15 langkah masing-masing 5 dan sebuah kawat geser 5,5 dihubungkan seri dengan batere kerja 2,40 V dan sebuah tahanan geser. Rangkuman maksimal instrumen adalah 1,61 V. Sensitifitas voltmeter adalah 0,05A/mm dan tahanan dalam 50 . (a) Tentukan nilai penyetelan tahanan geser. (b) Tentukan resolusi instrumen jika kawat geser mempunyai 11 gulungan, 100 bagian setiap gulungan, dan dapat diinterpolarisasi pada seperlima dari satu bagian skala. (c) Sebuah sumber 1,10 V dengan tahanan dalam yang diabaikan diukur dengan potensiometer ini. Tentukan kesalahan (dalam V) dari galvanometer berdefleksi 1 mm. kesetimbangan yang sebenarnya agar bintik


19

9. Rencanakan sebuah kotak volt dengan tahanan 20 ohm/V dan rangkuman 3V,

10V, 30V, dan 100V. Kotak volt ini akan digunakan bersama sebuah potensiometer yang mempunyai rangkuman ukur 1,6 V10. Rencanakan sebuah shunt dengan rangkuman 1A,5A,10A,dan 20 A. Shunt ini

akan digunakan bersama sebuah potensiometer yang mempunyai batas ukur 1,6V Penyelesaian: 1. Pada kondisi awal

V = I x Ri Pada kondisi kedua setelah dipasang tahanan

V = I x (Ri pararel Rm) V = I x (Ri//1 M)


20

Jika kedua keadaan di samakan I=I V1/Ri V1 x (Ri//Rm) V1 x ( Ri Rm) ( Ri + Rm) V1 Ri Rm Ri (V1 Rm) 1,01892 V x 1M 1018920 V 1018920 V - 1018740 V Ri Ri = V2 Ri2 + V2 Ri Rm = Ri ( V2 Ri + V2 Rm) = (1,01874 V x Ri) + (1,01874 V x 1 M) = (1,01874 V x Ri) + 1018740 V = (1,01874 V x Ri) = (1018920 1018740) V / 1,01874 V 176,7 = V2/ (Ri//Rm) = V2 x Ri = V2 x Ri

3. (a) Bila instrumen distandarkan, tanda 101,91 Cm pada skala sesuai dengan 1,0191 V (E dalam gambar 1). 101,91 Cm kawat geser menyatakan tahanan sebesar 101,91/200 x 100 = 50,955. Karena galvanometer yang memiliki tahanan dalam 50 ttotaerpasang secara seri dengan kawat geser maka tahanan dalam total adalah 50,995 + 50 = 100,995. Berarti arus kerja akan menjadi 1,0191 V / 100,995 = 0,0100945 A 10,1 mA. (b) Jika sambungan sel standar di balik, maka sumber tegangan akan menjadi searah dengan batere kerja. Hal ini akan mengakibatkan tegangan total adalah jumlah tegangan sel standar dan tegangan batere kerja yaitu 4,0 V + 1,0191 V = 5,0191 V. Tahanan total berdasarkan perhitungan sebelumnya adalah 100,995. Sehingga arus yang melalui sel standar adalah 5,0191V / 100,995 = 0,04969 A 50 mA.


21

(c) Tahanan pegaman dipasang seri dengan galvanometer untuk membatasi arus yang mengalir pada galvanometer. Secara sederhana dapat digambarkan sebagai berikut :

R pengaman

galvanometer

Dari gambar di atas di ketahui bahwa i=E total/(Rpengaman+Rgalvanometer) R pengaman = ( E total / i ) R galvanometer R pengaman = ( 5,0191 V / 0,04969 A) 50 = 101,008 - 50 = 51,008 6. (a) Rm = RG + R piringan + R kawat = (50+75+5,5) = 130,5 Rmax = 1,6 V Maka = satuan = (1,6 V/15 langkah ) = 0,1073 Setiap = (0,107/ 5) = 0,0214 A = 21,4 mA V tot = V batere Vr = (2,40-1,61) V = 0,79 V Maka, tahanan geser = (0,79 V/21,4mA)=37. (b) ResolusinyaSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 22

11 gulungan, 100 bagian tiap gulungan total = 11 x 100 = 1100 bagian. Diinterpolarisasi pada 1/5 bagian, maka : 1/5 x 1100 bagian = 220 bagian / skala = 2,2 gulungan / skala. (c) V batere V diukur V tot = 2,40 V = 1,10 V = (2,40-1,10) V = 1,30 V

Berdefleksi sejauh 1 mm, 1mm = 0,05A Tahanan Rm = 130,5 V = Rm x 0,05A V = 130,5 x 0,05 A V = 0,000006525 volt 9.

10.


23

Bab VII Jembatan Arus Searah dan Pemakainnnya

1. Pendahuluan Rangkaian-rangkaian jembatan dipakai untuk pengukuran nilai-nilai komponen seperti tahanan, induktansi, atau kapasitansi, dan parameter rangkaian lainnya yang diturunkan dari nilai-nilai komponen, seperti frekuensi, sudut fasa dan temperatur. Rangkaian jembatan hanya membandingkan nilai komponen yang tidak diketahui dengan komponen yang besarnya diketahui (sebuah standar), ketelitian pengukurannya bisa tinggi sekali. Sebab pembacaan pengukuran dengan cara perbandingan, yang didasarkan pada penunjukan nol dari kesetimbangan rangkaian


24

jembatan, jadi ketelitian pengukuran adalah langsung sesuai dengan ketelitian komponen-komponen jembatan, bukan dengan indikator nolnya sendiri. 2. Jembatan Wheat Stone 2.1 Operasi Dasar

Gambar 1. Skema Rangkaian jembatan wheatstone yang disederhanakan

Rangkaian jembatan ini mempunyai 4 lengan resistif dan sebuah sumber ggl serta sebuah detektor nol (biasanya galvanometer). Pada dasarnya rangkaian jembatan wheatstone hanya membandingkan nilai komponen yang tidak diketahui dengan komponen yang besarnya diketahui secara tepat (sebuah standar) dan ketelitian pengukurannya tentu saja bisa tinggi sekali hal ini disebabkan pembacaan pengukuran dengan cara perbandingan yang didasarkan pada penunjukan nol dari kesetimbangan rangkaian jembatan (pada dasarnya tidak bergantung pada karakteristik detektor nol). Jadi ketelitian pengukuran adalah langsung sesuai dengan ketelitian komponen-komponen jembatan, bukan dengan indikator nolnya sendiri. Jembatan disebut setimbang jika I galvanometer = 0 .


25

Kondisi ini terjadi jika Vca=Vda atau Vcb=Vdb I1R1 = I2R2 IG = 0 sehingga dan sehingga I1 = I3 = E / (R1+R3) I2 = I4 = E / (R2+R4) R1 / (R1+R3 ) = R2 / (R2+R4) R1R4 = R2R3 (1) (2) (3) (4) (5)

Jika R4 tidak diketahui, tahanannya Rx dapat dinyatakan oleh tahanan-tahanan yang lain: Rx = (R3 R2 )/ R1 dimana : R3 R1 dan R2 = lengan standar = lengan-lengan pembanding (6)

Jembatan Wheatstone dipakai secara luas pada pengukuran presisi tahanan dari sekitar 1 sampai rangkuman mega ohm rendah.

2.2 Kesalahan pengukuran Kesalahan-kesalahan pengukuran dapat terjadi karena : Kesalahan batas dari ketiga tahanan yang diketahui.

Sensitivitas detektor nol yang tidak cukup Perubahan tahanan lengan-lengan jembatan karena efek pemanasan arus melalui tahanan-tahanan tersebut Rangkaian galvanometer dapat juga mengakibatkan masalah sewaktu mengukur tahanan-tahanan rendah Kesalahan-kesalahan karena tahanan kawat sambung dan kontak-kontak luar memegang peranan dalam pengukuran nilai-nilai tahanan yang sangat rendahSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 26

2.3 Rangkaian Pengganti Thvenin Sensitivitas pada rangkaian ini dapat ditentukan dengan memecahkan persoalan rangkaian jembatan pada ketidaksamaan yang kecil. Pemecahan ini didekati dengan mengubah jembatan Wheatstone ke penggantinya Thevenin. Rangkaian pengganti Thevenin ditentukan dengan memeriksa terminal galvanometer c dan d. Untuk memperoleh pengganti Thevenin dilakukan dua langkah : Menyangkut penentuan tegangan ekivalen (pengganti) yang muncul pada terminal c dan d bila galvanometer dipindahkan dari rangkaian. Menyangkut penentuan tahanan pengganti dengan memperhatikan terminal c dan d dan mengganti batere dengan tahanan dalamnya.

Gambar 2 Pemakaian teorema thevenin terhadap jembatan wheatstone. (a) Konfigurasi Jembatan wheatstone; (b) Tahanan thevenin dengan memeriksa terminal c dan d; (c) Rangkain lengkap Thevenin dengan galvanometer tersambung ke terminal c dan d.

Dari gambar rangakaiam diatas :STTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 27

Ecd = Eac Ead = I1R1-I2R2 Rth = (R1R3 /R1+R3) + (R2R4 / R2+R4) I1 = E / R1+R3 I2 = E / R2+R4 (7)

Dengan demikian Ecd = E ((R1/R1+R3)-(R2/R2+R4))

3. Jembatan Kelvin Jembatan kelvin merupakan modifikasi dari jembatan Wheatstone dan menghasilkan ketelitian yang jauh lebih besar dalam pengukuran tahana-tahanan rendah ( low values resistances ), umumnya di bawah 1.

Gambar 3 Rangkaian jembatan Wheatstone, menunjukkan tahanan Ry dari kawat titik m ke tiutik n

Persamaan setimbang untuk jembatan memberikan : Rx + Rnp = R1/R2 (R3+Rmp) Dimana Ry = tahanan kawat penghubung dari R3 ke Rx Rnp/Rmp = R1/R2STTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 28

(8)

Rx + (R1/R1+R2)Ry = R1/R2 ( R3 + (R2/R1+R2)Ry) (9) Rx = (R1/R2)R3 (10)

Persamaan setimbang ini umum yang dikembangkan terhadap jembatan wheatstone dan dia menunjukkan bahwa efek tahanan kawat penghubung dari titik m ke n telah dihilangkan dengan menghubungkan galvanometer ke posisi p yang umumnya dikenal sebagai jembatan kelvin Jembatan ganda kelvin digunakan sebab rangkaian memiliki pembanding lengan kedua seperti dalam gambar ini,

Gambar 4 Rangkaian dasar jembatan ganda kelvin

Pasangan lengan kedua yang diberi nama a dan b menghubungkan galvanometer ke titik p pada potensial yang sesuai antara m dan n dan dia menghilangkan efek tahanan gandar (yoke) Ry. Syarat jembatan ganda kelvin : a/b = R1/R2 Galvanometer akan nol bila potensial k = potensial Ekl = Elmp Rx = R3 R1/R2 (11)29


Menunjukkan bahwa tahanan gandar tidak mempunyai efek pengukuran asalkan kedua pasangan lengan-lengan pembanding mempunyai perbandingan tahanan yang sama.

Gambar 5. Rangakaian jembatan ganda kelvin yang disederhanaan, digunakan pada pengukuran tahanan yang sangat rendah

4. Uji Simpal Dengan Perangkat Uji Portabel 4.1 Uji Simpal Murray Uji simpal murray digunakan untuk menemukan kerusakan pada pentanahan di dalam kabel terbungkus. Konduktor yang rusak dengan panjang l2 dibentuk oleh kedua konduktor ini dihubungkan ke susunan pengujian dengan seperti pada gambar dan jembatan disetimbangkan melalui lengan pembanding A yang dapat diatur.

atau

(12)

RL adalah tahanan total simpal dan Rx adalah tahanan konduktor dari terminal jembatan lokasi tanah yang rusak. Tahanan kawat sebanding dengan panjang dan luas penampang konduktor, maka: (13)


30

Gambar 6 Menentukan kerusakan tanah (hubungan singkat) dengan uji simpal Murray

Konduktor balik l2 memiliki panjang dan penampang yang sama denga kawat yang rusak, l1=l2=l maka: (14) l adalah panjang kabel kawat banyak diukur dari terminal jembatan ke titik ujung.

4.2 Pengujian Simpal Varley


31

Gambar .7 Uji simpal Varley, digunakan untuk menemukan tanah,persilangan atau hubungan tingkat di dalam kabel kawat banyak.

Metode

ini

merupakan

modifikasi

dari

uji

simpal

murray

dengan

menggunakan jembatan Wheatstone, tetapi dengan dua lengan perbandingan yang tetap A dan B dan sebuah tahanan geser atau lengan standar. Pada pengukuran perbandingan perkalian dari lengan A dan B dibuat tetap, dan jembatan dibuat setimbang ke defleksi nol galvanometer oleh tahanan geser dalam lengan standar. X1 dan X2 yang menyatakan tahanan bagian kabel pada tiap sisi kawat yang rusak. dan (15)

Tahanan sebanding dengan panjang dan luas penampang, jarak ke kerusakan dapat segera ditentukan dengan menggunakan satu hasil sebagai pembanding terhadap yang lain. Pengujian simpal varley yang sederhana namun kurang teliti seperti gambar b, perbandingan lengan A dan B sama dan rasio perkalian adalah satu, maka: karena A/B=1, maka kerusakan. 5. Jembatan Sheatstone Dengan Pengaman 5.1 Rangkaian Pengaman Dalam pengukuran, efek lintasan yang bocor biasanya dihilangkan dengan bentuk rangkaian pengaman. Tanpa rsebuah rangkaian pengaman, arus kebocoran It sepanjang permukaan apitan kutub yang terisolasi bergabung dengan arus IxSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 32

yang selanjutnya mengarah ke lokasi

melalui komponen yang diukur agar menghasilkan arus total rangkaian yang dapat jelas kelihatan lebih besar daripada arus peralatan aktual. Sebuah kawat pengaman yang secara sempurna mengelilingi permukaan kutub terisolasi, menahan arus kebocoran ini dan mengembalikannya ke batere. Pengaman apitan kutub Rx yang ditunjukkan oleh lingkaran kecil sekitar terminal,tidak menyentuh satu bagianpun dari rangkaian jembatan dan dihubungkan langsung ke terminal batere.

Gambar 8 Kawat sederhana pada terminal Rx dari sebuah jembatan Wheatstone berpengaman menghilangkan kebocoran pemukaan.

Gambar 9 Terminal yang dilindungi mengembalikan arus kebocoran ke batere.

5.2 Tahanan Tiga Terminal


33

Tahanan tinggi dihubungkan pada dua kutub isolasi yang terpasang pada sebyah pelat logam. Kedua terminal utama dari jembatan menurut cara yang biasa. Terminal ketiga dari tahanan adalah titik bersama dari tahanan R1 dan R2, yang menyatakan lintasan kebocoran terminal utama sepanjang kutub-kutub isolasi ke pelat logam atau pengaman. Pengaman dihubungkan ke terminal pengaman pada panel depan jembatan. Sambungan ini membuat R1 paralel terhadap lengan pembanding RA, tetapi karena R1 jauh lebih besar dari RA maka efek paralelnya diabaikan. Dengan cara yang sama, tahanan kebocoran R2 paralel terhadap galvanometer, tetapi tahanan R2 lebih tinggi dri tahanan galvanometer sehingga efek yang ada hanya penurunan yang kecil pada sensivitas galvanometer. Lintasan kebocoran luar dihilangkan dengan menggunakan rangkaian pengaman pada tahanan tiga terminal.

Gambar 10. Tahanan tiga terminal

5.3 Jembatan Megaohm Piringan besar di tengah-tengan instrument adalah lenga pembanding variable RB. Peringan pengali tahanan di sebelah kanan piringan perbandingan besar menyatakan tahanan standar Re pada diagram rangkaian danmelengkapi pengalian perbandingan dalam beberapa kelipatan sepuluh. Sumber tegangan dari 10 V sampai 1000 V, sedangkan untuk menghubungkan sebuah generator luar dibuat ketentuan. Detektor nol adalah sebuah penguat arus searah pada sebuah alat pencatat keluaran mencakup sensivitas yang diperlukan untuk mendeteksi tegangan tidak setimbang yang kecil. Titik sambungan dari lengan pembanding RA dan RB dibuat sebagai terminal pengaman panel depan, yang akan digunakan sewaktu mengukur tahanan tiga terminal.


34

Gambar 11 Tahanan tiga terminal dihubungkan ke jembatan megaohm tegangan tinggi berpengaman.


35

Soal dan Pembahasan Buku Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran, Hal 165-167Pertanyaaan :1. Keempat lengan dari sebuah jembatan wheatstone mempunyai tahanan 100,

1000, 500 dan 50,5 ditempatkan berurutan di sekeliling jembatan. Sebuah galvanometer dengan tahanan dalam 75 dihubungkan dari titik pertemuan tahanan 100 dan 50,5 ke titik pertemuan tahanan 1000 dan 500. Sebuah baterai 4 volt dihubungkan kekedua pojok atau simpang jembatan lainnya. Gunakan teorema thevenin untuk memperoleh (a) Rangkaian pengganti jembatan di acu terhadap terminal-terminal galvanometer. (b) Arus melalui galvano2. Lengan-lengan pembanding jembatan Wheatstone pada gambar 1 adalah

R1=1000

dan R2=100, tahanan standar R3=400, yang tidak diketahui

Rx=41. Sebuah batere 1,5V dengan tahanan dalam diabaikan dihubungkan dari a ke b. Tahanan dalam galvanometer adalah 50 dan sensivitas arus adalah 2mm/A. (a) Tentukan rangkaian pengganti jembatan yang di acu terhadap terminalterminal galvanometer. (b) Tentukan defleksi galvanometer yang disebabkan oleh ketidaksetimbangan rangkian. 3. Ulangi soal 2 dengan mempertukarkan tempat galvanometer dan batere dan tentukan konfigurasi mana yang lebih sensitive terhadap ketidaksetimbangan.6. Pada rangkaian jembatan Gambar 1, R1=1000, R2=4000, R3=100 dan

R4=100 menunjukkan bahwa jembatan tersebut setimbang. Galvanometer mempunyai tahanan dalam 100 dan snsivitas arus 100mm/A. Tegangan batere adalah 3V. Tentukan defleksi galvano pada ketidaksetimbangan sebesar 1 dalam lengan tahanan R4. 10.Lengan-lengan pembanding jembatan Kelvin pada gambar 4 masing-masing adalah 100. Galvanometer mempunyai tahanan dalam 500 da sensitivitas arus 200 mm/A. Tahanan yang tidak dikenal Rx= 0,1002, dan tahanan standar disetel pada 0,1000. Arus searah sebesar 10 A dilewatkan melalui tahanan standar dan tahanan yang tidak dikenal melalui sebuah batere 2,2 V seri denganSTTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 36

tahanan geser . Tahanan gandar dapat diabaikan. Tentukan (a) Defleksi galvanometer dalam millimeter; (b) Ketidakseimbagan tahanan yang diperlukan agar mengahasilkan defleksi galvanometer sebesar 1mm (petunjuk : dalam perhitungan tegangan dan tahanan thevenin , perkirakan efek lengan-lengan pembanding dan tahanan geser, dan abaikan suku-suu yang sesuai). Pembahasan : 1.

a) Eth = EAD EAB = 4

x

100 100+50,5

1000 1000+500

=4 x

150000-150500 225750

= -8,86 mV

Rangkaian Pengganti Thevenin Rth = 100 x 50,5 150,5 Rth = 366,86 + 1000 x 500 1500


37

b) Ig =

Eth Rth+Rg

=

-8,86 V (366,88+75)

=

-8,86

V

= -0,02 A

441,88

2. a. Rangkaian pengganti jembatan yang di acu terhadap terminal-terminalA

galvanometer:R2 100 D R4 41

1000 R1 C 1,5V E R3 400 B

1000 A 100 R2 R1 C R3 714,79C RTH 7,6mV ETH R4 400 B 41 Ig Rg 20,8A 50 D

D

b. Defleksi galvanometer yang disebabkan oleh ketidaksetimbangan rangkian:

3.STTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 38

a. Rangkaian pengganti jembatan yang di acu terhadap terminal-terminalC 1000 R1 1,5V E A R2 100 D B R3 400 B R4 41

galvanometer:

1000 C 100 R2 R1 A R3 R4 400 D 41 714,79 A Ig RTH 7,6mV ETH B Rg B

20,8A 50

b. Defleksi galvanometer yang disebabkan oleh ketidaksetimbangan rangkian:

A 4000 1000 R2 R1 Konfigurasi soal nomor dua lebih sensitive terhadap ketidaksetimbangan D 3V E C R4 R3 100 401 B 4000 1000 A R2 R1 C R3 R4 D

100 B 401 455,37 Defleksi galvano pada ketidaksetimbangan sebesar 1 dalam lengan tahanan R4 C Ig 11,1A RTH STTN-BATAN | Tugas Alat Ukur dan Teknik Pengukuran 39 Rg 50 E 0,62mVTH

6.

D

10.


40

a) Eth = 2,2

100 100+0,1

100 100+0,1002

Eth = 0,0022V = 22 mV Rth = 100 x 0,1 100+0,1 Rth = 0,199 Ig = Eth Rth + Rg Ig = 43,98 A Defleksi = 43,98 A x 200 mm/A = 8796 mm b) Ig = 1 mm 200 mm/A Ig = 0,005 A Ig = Eth / (Rth+Rg) 0,005 = 22mV/ (Rth+500) 0,005 (Rth + 500) = 22 0,005 Rth + 2,5 0,005 Rth Rth = 22 100 x 0,1002 100+ 0,1002

= 19,5 = 3900


41

tugas ringkasan autp

Documents