sensor gaya, torsi dan tekanan force, torque and

APLIKASI SENSOR GAYA, TORSI DAN TEKANAN: TIMBANGAN
PROSES PEMESINAN
INDUSTRI KIMIA DAN INSTALASI AIR BERSIH
PENDAHULUAN
• Sensor
untuk mengukur gaya, torsi atau tekanan
biasanya terdiri dari bagian elastis yang mengubah
besaran mekanik menjadi defleksi atau regangan..
• Biasanya sensor defleksi atau susunan strain gauge
digunakan untuk menghasilkan sinyal elektrik yang
sebanding dengan besaran yang diinginkan yaitu
gaya, torsi atau tekanan.
• Berbagai macam transduser tersedia dipasaran untk
mengukur gaya (load cell), torsi (torque cell) dan
tekanan. Bentuk-bentuk yang tersedia antara lain link,
column, ring, beam, cylinder, tube, washer, diaphragm
dan lain sebagainya.
• Strain
gauge biasanya dipakai sebagai sensor dan
lvdt kadang-kadang juga dipakai khususnya untuk
pengukuran static atau quasi-static.
SENSOR GAYA (LOAD CELL)
Komponen elastis yang digunakan pada load
cell biasanya berupa link, beam, ring dan shear
web.
LOAD CELL TIPE LINK
Load cell tipe link yang dilengkapi dengan strain gauge terlihat pada
gambar disamping. Beban P dapat berupa tarikan atau tekanan. Empat
strain gauge ditempelkan pada link sehingga dua strain gauge kearah
aksial dan dua yang lain kearah melintang, kemudian strain gauge
tersebut dihubungkan membentuk jembatan wheatstone.
• Ketika gaya P diberikan ke link, regangan axial dan melintang εa dan
εt yang terjadi pada ling adalah:
P
a 
AE
vP
t  
AE
• Dimana: a luas penampang link
E = modulus elstisitas link
V = poisson’s ratio.
• Respon dari gauge terhadap beban p diberikan:
Sg P
R1 R3

 S g a 
R1
R3
AE
vSg P
R2 R4

 S g t  
R2
R4
AE
• Tegangan
output jembatan wheatstone jika empat strain gauge
identik sehingga R1=R2 adalah:
vo 
S g P (1  v)vs
2 AE
2 AE
atau P 
vo  Cvo
S g (1  v)vs
• Dari
persamaan ini terlihat bahwa beban p proporsional terhadap
tegangan output vo dan konstanta proporsinalitas atau konstanta
kalibrasi c.
LOAD CELL TIPE BEAM
Load cell tipe beam biasanya digunakan untuk
mengukur beban yang rendah dimana tipe link
terlalu kaku.
• Beban
P menghasilkan momen m=px pada lokasi x, yang menyebabkan
regangan yang sama dan berlawanan:
 1   2   3   4
6M
6 Px

Ebh 2 Ebh 2
• Dimana: b = lebar beam
H = tinggi beam
• Respon dari strain gauge adalah:
6S g Px
R
R1
R
R
 2  3  4 
R1
R2
R3
R4
Ebh 2
• Tegangan output jembatan wheatstone adalah:
v0 
6S g Pxvs
Ebh 2
Ebh 2
atau P 
vo  Cvo
6S g xvs
LOAD CELL TIPE RING
Load cell tipe ring menggunakan ring sebagai
elemen elastis. Elemen ring dapat didesain untuk
mengukur beban yang bervariasi dengan
mengatur radius, ketebalan atau lebar ring.
Jika LVDT digunakan untuk kompresi diameter
atau perpanjangan δ dari ring, maka hubungna
antara perpanjangan δ dengan beban P adalah:
PR 3
  1.79
Ewt 3
Tegangan output LVDT adalah:
Vo=S δvs
Dimana: S adalah sensitifitas dari LVDT
vs tegangan supply LVDT
Hubungan antara tegangan output dan beban
adalah:
SPR3v
Ewt 3
vo  1.79
s
Ewt
3
atau P  0.56
SR 3vs
vo  Cvo
SENSOR TORSI
Torque cell adalah sensor
(transduser) yang mengubah
torsi menjadi sinyal output
elektrik.
Dua tipe torque cell yang sering
dipakai adalah yang dipasang
pada poros yang tetap dan yang
dipasang pada poros yang
berputar.
• Torque cell mirip dengan load cell, terdiri dari elemen mekanik
(biasanya sebuah poros dengan penampang melingkar) dan sebuah
sensor (biasanya strain gauge).
• Tegangan puntir
 xz 
terhadap torsi t diberikan:
TD 16T

2J D 3
• Dimana: d = diameter poros
•
J = momen inersia polar.
• Karena tegangan normal σx = σy = σz
yang diberi torsi murni, maka:
 1   2   xz 
16T
D 3
= 0 untuk untuk poros bulat
• Regangan utama diperoleh dari persamaan diatas dan hukum hook,
sebagai:
16T  1  v 
16T  1  v 
1  3 
 2   3 

D  E 
D  E 
• Respon dari strain gauge adalah:
R1
R2 R3
R4 16T  1  v 




S g
3 
R1
R2
R3
R4 D  E 
• Tegangan output strain gauge adalah;
16T  1  v 
D 3 E
vo 
vo  Cvo
 S g vs atau T 
3 
D  E 
16(1  v) S g vs
SENSOR TEKANAN
Sensor
(transduser)
tekanan
adalah
peralatan yang dapat
mengubah
tekanan
yang
diberikan
menjadi sinyal elektrik
melalui
pengukuran
pergeseran, regangan
atau
respon
piezoelektric.
SENSOR TEKANAN TIPE PERGESERAN
Sebuah transduser tekanan yang menggunakan sensor pergeseran
untuk menghasilkan tegangan output diperlihatkan pada gambar
Transduser ini dilengkapi dengan sebuah pipa bourdon sebagai elemen
elastisdan sebuah LVDT sebagai sensor.
Pipa bourdon adalah sebuah kondultor berbentuk C dengan penampang
oval rata yang akan lurus apabila dikenai tekanan internal.
Pipa bourdon ini pada salah satu ujungnya tetap dan ujung yang lain
bebas bergerak.
Inti LVDT dihububgkan dengan ujung pipa bourdon yang bebas.
Jika tekanan diberikan pada pipa bourdon, pipa bourdon ini akan
menarik inti dari LVDT melalui koilnya sehingga akan terjadi tegangan
output.
Tegangan output LVDT merupakan fungsi linear dari tekanan.
SENSOR TEKANAN TIPE DIAPRAGMA
Sensor tekanan tipe diapragma berupa plat bulat yang
di klem (diaphragm) atau sebuah silinder berlubang
sebagai elemen elastis dan strain gauge sebagai
sensor.
Diapragma digunakan untuk tekanan rendah dan
menengah (0 – 30000 psi) dan silinder digunakan
untuk tekanan tinggi dan sangat tinggi (30000 –
100000 psi).
Distribusi regangan yang dihasilkan dari tekanan
seragam pada diapragma adalah:
3 p(1  v 2 ) 2
2
 rr 
(
R

3
r
)
0
2
8Et
3 p(1  v 2 ) 2 2
  
( R 0 r )
2
8Et
dimana:
p = tekanan
t = tebal diapragma
R0
=
diameter
diapragma
r = parameter posisi
luar
SENSOR TEKANAN TIPE PIEZOELECTRIC
Transduser tekanan tipe piezoelectric menggunakan kristal piezoelectric
sebagai elemen elastis maupun sensor.
Quartz merupakanbahan piezoelectric yang paling banyak digunakan
karena modulus elestisitasnya tinggi, frekwensi resonansi tinggi, linearitas
ring besar dan histerisisnya rendah.
Jika tekanan diberikan pada permukaan kristal maka akan timbul muatan
listrik statis.
Besarnya muatan listrik tergantung pada tekanan, ukuran kristal dan
orientasi sumbu kristal.