bab ii dasar teori

 BAB II
DASAR TEORI
2.1 Instrumentasi
Pengukuran
Dalam hal ini, instrumentasi merupakan alat bantu yang digunakan dalam
pengukuran dan kontrol pada proses industri. Sedangkan pengukuran merupakan suatu
cara yang digunakan untuk mengetahui variabel proses. Alat bantu untuk mengetahui
variabel proses disebut instrumen ukur. Berdasarkan fungsinya sebagai pengubah sinyal
dari variabel proses, alat ukur dapat digambarkan menurut blok komponen. Blok
komponen ini dapat membantu dalam mempelajari fungsi setiap alat ukur yang ingin
kita rancang. Blok komponen instrumentasi ini dapat dilihat pada gambar 2.1.
Level
Pengkondisi
Sinyal
Sensor
Display
Gambar 0.1 Blok Diagram Instrumen
Sistem pengukur pada umumnya terbentuk atas 3 bagian, yaitu:
1. Sensor, sensor ini merespon nilai yang terukur dengan mengeluarkan sinyal output
yang tergantung dari nilai yang terukur pada inputnya.
2. Pengkondisian sinyal (signal conditioner), elemen ini mengambil sinyal output sensor
dan mengkonversi sinyal tersebut ke dalam kondisi yang sesuai untuk elemen
selanjutnya.
3. Tampilan(display), elemen ini menampilkan data atau hasil dari pengukuran yang
berasal dari sinyal yang telah diolah oleh elemen sebelumnya.
2.2 Input
Input merupakan suatu acuan dalam sistem pengukuran, input menjadi acuan
dalam menentukan keakuratan suatu alat ukur, input merupakan nilai sebenarnya dari
sebuah alat ukur.
4
5
2.2.1 Error Error merupakan perbedaan nilai antara nilai hasil pengukuran dan nilai yang
sebenarnya. Besarnya error selalu tidak pasti,
error
itu sendiri dipengaruhi oleh
material used, calibration, dan noise.
2.3 Sensor Sensor adalah suatu komponen yang mampu merespon dari besaran yang diukur
dan mengubahnya menjadi besaran fisik tertentu.
Sensor dapat dikelompokan kedalam beberapa golongan yaitu : ( Tri Hutomo,
Bambang 2012 : II-5 )
1. Dari sisi pola aktifitasnya
1.1 Sensor Aktif
Sensor aktif adalah sensor yang dalam pengukurannya membutuhkan energi pada
pengukurannya, contohnya resistif potensiometer
1.2 Sensor pasif
Sensor pasif adalah sensor yang dalam pengukurannya tidak membutuhkan energy
pada pengukurannya, contohnya termokopel
2. Dari sisi sifatnya
2.1 Sensor analog
Sensor analog merupakan sensor yang menyediakan sinyal secara terus menerus
mengenai waktu dan isi ruang
2.2 Sensor digital
Sensor digital merupakan sensor yang menampilkan sinyal berupa diskrit. Sensor
digital biasanya merupakan kode biner (on atau off )
2.4 Resistive Potensiometer
Resistif potensiometer merupakan tahanan yang dapat digerakan, pergerakan
tahanan tersebut dapat ke atas ke bawah ( translation ) atau rotasi, untuk pergerakan
translation resistan dengan digerakan sejauh 0.1 – 20 inci sedangkan untuk rotasi yakni
10 derajat sampai 60 derajat. Masukan yang dapat diterima tahanan ini yakni input AC
dan DC , dan tegangan keluaran dari resistif potensiometer ini idealnya bersifat linier. (
Independent Standards Laboratory, 1961)
6
Gambar0.2 Resistive Potensiometer
Gambar 0.3 Karakteristik Resistive Potensiometer
Pada Gambar 2.3 dan Gambar2.2 dapat dilihat bahwa kerakteristik resistif
potinsiometer terhadap beban, pada Gambar2.2 merupakan rangkaian resistif
potensiometer yang dimana eex merupakan supply, Xi merupakan nilai dari resistif
potensiometer dan untuk e0 merupakan nilai output, sedangkan pada Gambar 2.3
merupakan karakteristik resistif potensiometer terhadap beban yang dimana Rp
merupakan tahanan potensiometer sedangkan Rm merupakan tahanan alatukur yang
dimana apabila perbandingan antara Rp dan Rm mendekati nol atau sama dengan nol
maka output resistif potensiometer bersifat linier, namun sebaliknya jika perbandingan
antara Rp dan Rm semakin besar maka karakteristik dari output resistif potensiometer
semakin tidak linier. ( C.A. Mounteer, 1959 )
2.5 Linearisasi
Dengan karakteristik sensor tahanan yamg tidak linier karena range tahanan
sensor tersebut besar, maka perlu ditambahkan rangkaian agar karakteristik menjadi
lebih linier. Yakni dengan menggunakan rangkaian pararel.
7
Rangkaian pararel digunakan untuk melinierkan karakteristik sensor tahanan.
Sensor tahanan tersebut dipararelkan dengan sebuah resistor Rp.
Pengubah Span dan Zero
2.6
Output suatu tranduser jarang yang sesuai dengan pengkondisi sinyal, display,
atau computer.
Pengubah span dan zero dapat dibuat dengan menggunakan rangkaian
penjumlah (inverting summer), seperti tampak pada Gambar 2.4 berikut ini:
+
- V
Ros
Rf
Ri
-
e in
-(mx+b)
R
+V
R
U1
+
-
eu1
U2
+
-V
Rcomp
eu2
+(mx+b)
R/2
Gambar 0.4 Inverting Summer
Persamaan umum span and zero converter :
eout = m.ein + b …………………………………………………………… (2.3)
Rcomp = Rf // Ri // Ros
dengan, m = gradient persamaan garis
b = titik potong terhadap sumbu vertikal
dengan kurva alih
V
e
out2
e
out1
e
in-1
e
V
in-2
Gambar 0.5 Kurva alih rangkain zero & span
Dari Gambar 2.5 dapat diketahui nilai tegangan keluaran dari sapn & zero
dengan persamaan garis pada persamaan 2.3 dengan harga Rf dipilih relatif besar,
sehingga perubahan sedikit pada Ri tidak akan membebani sensor, harga (nilai) Ri
8
dapat dihitung, demikian pula nilai Ros dapat dihitung bila V dapat ditentukan,
sedangkan
untuk Rcomp didapat dengan mengetahui nilai Rf, Rid dan Ros, Rcomp itu
sendiri berfungsi sebagai pencegah arus bias yang keluar dari kaki op-amp, meskipun
dalam aturan
op-amp tidak ada arus yang masuk dan keluar dari kaki-kaki op-amp
namun dalam keadaan tertenttu arus dapat masuk dan keluar dari kaki kaki op-amp.
2.7
Penguat Operasional
Penguat operasional (Op-amp) adalah penguat DC dengan perolehan tinggi yang
mempunyai impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Istilah
Operasional
menunjukkan bahwa penambahan komponen luar yang sesuai dapat
dikonfigurasikan
untuk melakukan berbagai operasi, seperti penambahan, pengurangan,
perkalian, integrasi dan diferensial. Pada umumnya, operasi-operasi ini digunakan untuk
operasi linier dan non-linier.
2.7.1 Diffrensiator/ Pengurang
Penguat ini serupa dengan pembanding, kedua masukan dipakai untuk
merasakan tegangan diantara mereka, namun rangkaian menggunakan modus lup
tertutup, sehingga tegangan keluaran dapat diperkirakan dan dikendalikan besarnya. Bila
semua resistor luar sama besarnya, maka penguat ini berfungsi sebagai rangkaian
matematik analog dan dikenal sebagai pengurang tegangan, seperti tampak dalam
Gambar 2.6. Tegangan keluaran merupakan kebaliakan selidih tegangan di antara kedua
masukan dan nilainya dihitung dengan persamaan :
Jika Rf = R1 = R2 = R3, maka
Vo = V1 – V2 ………..………………………………………………………(2.6)
Rangkaian Integrator, dapat dibangun dengan menggunakan dua buah komponen pasif,
yaitu resistor dan kapasitor. Fungsi dari rangkaian integrator adalah sebagai
Gambar 0.6 Rangkaian Difrensiator
filter frekuensi tinggi -LPF - low pass filter .
9
2.7.2 Integrator
Rangkaian Integrator, dapat dibangun dengan menggunakan dua buah komponen pasif,
yaitu resistor dan kapasitor. Fungsi dari rangkaian integrator adalah sebagai filter
frekuensi tinggi -LPF - low pass filter .
Gambar 0.7 Rangkaian Integrator
Pada Gambar 2.7 merupakan rangkaian integrator yang merupakan rangkaian
pararel antara tahanan dan kapasitor yang akan menghasilkan suatu persamaan :
………………………………………………… (2.7 )
Dari rumus 2.7 dapat disimpulkan bahwa hubungan antara tegangan keluaran
berbanding terbalik dengan frekuensi maka apabila frekuensi rendah maka tegangan
keluaran akan besar, namun sebaliknya apabila frekuensi yang masuk tinggi maka
tegangan keluaran akan kecil.
2.8 Rangkaian Catu Daya
Catu daya merupakan rangkaian yang penting dalam sistem elektronika.
Rangkaian catu daya memberikan supply tegangan pada alat pengendali. Terdapat
beberapa macam catu daya, yaitu catu daya tegangan tetap dan catu daya tegangan
variabel. Catu daya tegangan teteap adalah catu daya yang tegangan keluarannya tetap
dan tidak dapat diatur. Sedangkan catu daya tegangan variabel adalah catu daya yang
tegangan keluarannya dapat diubah atau diatur. Terdapat dua sumber catu daya, yaitu
sumber AC dan sumber DC.
2.9 Rangkaian Konverter
2.9.1 Rangkaian Konverter Voltage to Frekuensi
Transmisi sinyal dalam bentuk tegangan atau arus mempunyai beberapa
keterbatasan. Untuk mengatasi keterbatasan seperti dalam transmisi tegangan atau
10
arus maka digunakan transmisi dalam bentuk pulsa digital.
Yakni dengan
mengubah
tegangan analog dari sensor dan dari pengkondisi sinyal dalam bentuk pulsa pulsa.
Lebar pulsa adalah konstan sedangkan frekuensi bervariasi secara linier terhadap
tegangan
yang diterapkan. Frekuensi dapat ditransmisikan dalam bentuk arus.
Noise pada rangkaian transmisi (lup rangkaian) akan mempengaruhi amplitudo,
tetapi tidak frekuensi sinyalnya. Sesampai di tujuan, frekuensi dari penguat insrument
kemudian
dikonversikan kembali dalam bentuk analog. Seperti saat semula dikirimkan
dengan demikian Noise yang besar serta resistansi lup seri yang berpengaruh terhadap
sinyal yang dikirimkan telah diminimisasi.
Vs
8
2
Rs
1
RL VX
Switched
cur rent
sour ce
Ct
Vlogic
Frequency
output
Input
compar ator
+
5
6
CL
V1
Rt
One-shot
timer
3
7
Input
Voltage
4
Gambar 0.8 Diagram Blok Dasar Voltage to Frequency Converter
Gambar 0.8 merupakan rangkaian dari voltage to frequency converter dimana
Tegangan diubah oleh instrument menjadi pulsa tegangan seperti Gambar 0.9 diagram
waktu dimana Vi merupakan V logic atau V referensi sedangkan untuk Vx merupakan
tegangan input, sehingga apabila tegangan input besar nilainya sama dengan Vi maka
Voutput akan bernilai 1 bila tegangan input tidak sama dengan tegangan Vi maka besar
nilainya 0.
11
V1
a
b
t
Vx
a
b
t
Vout
0
1 2
3
4 5
6
7
t
fout
Adjust
f1
High V1
high fout
Low V1
Adjustment
low fout
High V1
high fout
t
Gambar 0.9 Operasi dan Bentuk Gelombang pada Konverter V to F
Voltage w ith small
noise remaining
after IA C MRR
C urrent signal
w ith noise
500 H z
0.5 V
500 H z
500 H z
0.5 V
5V
V/F
converter
V/I
converter
I
F/V
converter
IA
Gambar 0.10 Pengaruh Noise pada transmisi sinyal frekuensi
2.9.2 Rangkaian Frequency to Voltage converter
Proses konversi dapat dilihat pada Gambar 0.11
Vcc
Iout
1
7
6
+
-
RL
One
shot
Vcc
Rt
Ct
Gambar 0.11 Diagram blok voltage to frequency converter
12
Vin
I
Vout
t
T
3
4
Gambar 0.12 Bentuk gelombang
Gambar 0.11 prinsip kerja secara normal , RD yang dihubungkan dengan +Vcc
akan menahan masukan - comparator pada Vcc di atas masukan (+). Hal ini akan
menjadikan
one-shot dan current source menjadi off. Falling edge dari masukan akan
didefinisir
menjadi suatu pulsa (spike) oleh RD dan CD. Sesaat akan menarik masukan (-
) comparator di bawah masukan (+).
One shot menjadi aktif.
Hal ini akan
menghubungkan current source untuk memberikan arus Iout menuju beban (load)
Dikarenakan masukan pulsa sudah menghilang, akhir dari interval waktu one
shot akan menjadikan current source menjadi off dan akan on lagi jika ada pulsa trigger
yang masuk. Hasilnya merupakan suatu pulsa-pulsa dengan lebar pulsa yang konstan
(+) dan dengan ferkuensi yang sama dengan masukan. Persamaan 2.8 sampai dengan
persamaan 2.11 memperlihatkan nilai – nilai pada rangkaian voltage to frequency
converter.
i =2V
………………………………………………………………...(2.8)
Rs
Nilai rata-rata (average) atau nilai dc dari arus akan sebanding dengan luas di
bawah kurva, atau :
i.t
Iave =
………………………………………………………........(2.9)
T
=2V.1,1.Rt.Ct
Rs.T
tetapi
Vave = Iave . RL ……………………………………………….(2.10)
= 2V x 1,1 Rt Ct x
dimana fin
1
=
T
RL
x fin
Rs
………………………………………………...(2.11)
13
Pengkonversi frekuensi ke tegangan biasa digunakan secara langsung dengan
transduser
seperti : incremental optical recorder, reflective optical sensing, Hall effect
magnetic sensor. Transduser-transduser tersebut memberikan keluaran berupa deretan
pulsa-pulsa.
Frekuensi dari pulsa-pulsa tersebut tergantung pada kecepatan rotasi sari
sensor. Untuk mendapatkan sinyal analog yang merupakan ukuran dari kecepatan,
diperlukan suatu pengkonversi frekuensi ke tegangan.