DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 1.1 TachoGenerator ...................................................................................................... 2 1.2 Cara Kerja Tacho Generator .................................................................................... 2 1.3 Siklus Arus Tachometer .......................................................................................... 3 2.1 Polarisasi pada Phyroelectric ................................................................................... 4 2.2 Sensor Gerak PIR .................................................................................................... 5 2.3 Cara Kerja PIR ........................................................................................................ 6 3.1 Strain........................................................................................................................ 7 3.2 Strain Gauge ............................................................................................................ 7 3.3 Strain Gauge berikat logam ..................................................................................... 8 3.4 Wheatstone Bridge .................................................................................................. 9 3.5 Quarter-Bridge Circuit............................................................................................. 10 3.6 Half-Bridge Circuit .................................................................................................. 10 3.7 Full-Bridge Circuit .................................................................................................. 11 3.8 Kontruksi Strain Gauge Load Cell .......................................................................... 13 3.9 Wheatstone Bridge .................................................................................................. 13 4.1 Tactile Sensor .......................................................................................................... 15 4.2 Prinsip Kerja Taktil Sensor (a) ................................................................................ 15 4.3 Prinsip Kerja Taktil Sensor (b) ................................................................................ 16 4.4 Force Torque Sensor................................................................................................ 16 4.5 Dynamic Tactile Sensor .......................................................................................... 16 4.6 Thermal Sensor ........................................................................................................ 17 5.1 Sensor Piezoelectric................................................................................................. 18 5.2 Sensor Piezoelektrik................................................................................................. 19 5.3 Prinsip Kerja Sensor Piezoelektrik .......................................................................... 19 5.4 Tabel Perbedaan PVDF dan Copolymer ................................................................. 20 2.1 Linear Variable Differential Transformer ............................................................... 21 2.2 Prinsip Kerja LVDT(a) ............................................................................................ 22 2.3 Prinsip Kerja LVDT(b) ............................................................................................ 23 2.4 Parameter LVDT ...................................................................................................... 23 2.5 LVDT Pada IC ......................................................................................................... 24 2.6 Plate Orifice ............................................................................................................. 25 2.7 Jenis dan Bentuk Orifice Plate ................................................................................. 26 2.8 Pemasangan Orifice Plate ........................................................................................ 27 2.9 Perbandingan Diameter Orifice Plate dan Laju Aliran ............................................ 27 2.10 Turbine Flow Meter ................................................................................................. 30 2.11 Turbine Flow Meter ................................................................................................. 30 2.12 Turbine Flow Meter ................................................................................................. 30 1 1. TachoGenerator Gambar 1.1 TachoGenerator Sensor yang sering digunakan untuk sensor kecepatan angular adalah tacho generator. Tacho generator adalah sebuah generator kecil yang membangkitkan tegangan DC ataupun tegangan AC. Dari segi eksitasi tacho generator dapat dibangkitkan dengan eksitasi dari luar atau imbas elektromagnit dari magnit permanent. Tacho generator DC dapat membangkitkan tegangan DC yang langsung dapat menghasilkan informasi kecepatan, sensitivitas tacho generator DC cukup baik terutama pada daerah kecepatan tinggi. Cara kerja TachoGenerator AC dan DC Gambar 1.2 Cara kerja Tacho Generator Pada saat Rotor berputar akan terjadi perubahan medan magnet pada loop, dimana akan muncul gaya gerak listrik. Slip ring berperan untuk mengalirkan arus ke brush atau sikat yang akan lansung menghasilkan Tegangan listrik apabila terjadi gerakan medan magnet. Ini disebut dengan koversi lansung, karena putaran pada rotor akan lansung di ubah 2 menjadi tegangan listrik. Pada generator DC,memiliki ring atau komutator yang berbentuk belah dan brush yang berlawanan. Sehingga arus yang di hasilkan searah. arah putaran rotor akan mempengaruhi arah arus dan saat digunakan sebagai sensor kecepatan dapat memberikan informasi arah putarannya. Sedangkan pada generator AC, memiliki ring atau komutator yang berupa dua buang ring dan brush sejajar. Sehingga arus yang di hasilkan tidak searah atau bolak balik. Arah putaran rotor tidak akan berpengaruh pada arah arus sehingga tidak dapat memberikan informasi arah gerak. Penggunaan pada Tachometer DC Hukum faraday berbunyi jika terjadi perubahan medan magnet yang menyangkut kawat lingkaran tertutup maka akan menimbulkan gaya gerak lisrtik (ggl) pada loop tertutup tersebut. Gambar 1.3 Siklus Arus Tachometer Pada saat rotor berputar, perubahan medan magnet antara coil dengan magnet permanent akan menghasilkan GGL. Rotor yang terus berputar akan menghasilkan siklus seperti gambar 1.2b yang menyebabkan pergerakan atau kenaikan pada jarum penunjukan tachometer. Apabila putaran terhenti, siklus arus akan ikut terhenti dan jarum penunjukan akan turun ke 0. Rumus Faraday ɛ = - N(ΔΦ/∆t) ɛ = GGL induksi (volt) N = Jumlah lilitan kumparan ΔΦ = Perubahan fluks magnetik (weber) ∆t = selang waktu (s) Tanda negatif menandakan arah gaya gerak listrik (ggl) induksi. Jadi semakin cepat putaran maka semakin cepat pula perubahan fluks atau mendan magnet terhadap selang waktu. Jika dikalikan dengan jumlah lilitan akan mempengaruhi besarnya GGL. Semakin cepat putaran rotor semakin tinggi jarum penunjukan tacho generator. Apabila kecepatan tetap konstan, maka jarum penunjukan akan terhenti pada tingkatan terakhir yang ditunjukan. Saat putaran melambat, jarum penunjukan akan semakin rendah. 3 Dan saat putaran terhenti maka jarum penunjukan akan kembali ke posisi semula,Default, atau NOL (0). 2. Phyroelectric Sensor Pyroelectricity (dari dua kata Yunani pyr yang berarti api, dan listrik ) adalah properti kristal tertentu yang secara alami terpolarisasi secara elektrik dan sebagai hasilnya mengandung medan listrik yang besar. Piroelektrik dapat digambarkan sebagai kemampuan bahan tertentu untuk menghasilkan tegangan sementara ketika dipanaskan atau didinginkan. Perubahan suhu memodifikasi posisi atom sedikit di dalam struktur kristal , sehingga polarisasidari perubahan materi. Perubahan polarisasi ini menimbulkan tegangan melintasi kristal. Jika suhu tetap konstan pada nilai yang baru, tegangan piroelektrik secara bertahap menghilang karena arus bocor . (Kebocoran dapat disebabkan oleh elektron yang bergerak melalui kristal, ion yang bergerak di udara, atau arus yang bocor melalui voltmeter yang terpasang di kristal.) Gambar 2.1. Polarisasi pada phyroelectric Pyroelectricity dapat divisualisasikan sebagai satu sisi segitiga, dimana setiap sudut mewakili keadaan energi dalam kristal: energi kinetik, listrik, dan termal. Sisi antara sudut listrik dan termal mewakili efek piroelektrik dan tidak menghasilkan energi kinetik. Sisi antara sudut kinetik dan listrik mewakili efek piezoelektrik dan tidak menghasilkan panas. Muatan piroelektrik dalam mineral berkembang pada sisi berlawanan dari kristal asimetris. Arah di mana propagasi muatan cenderung konstan di seluruh material piroelektrik, tetapi, pada beberapa material, arah ini dapat diubah oleh medan listrik terdekat. Bahanbahan ini dikatakan menunjukkan feroelektrik. Semua bahan piroelektrik yang dikenal juga piezoelektrik dengan pengecualian boron aluminium nitrida (BAlN) dan boron gallium nitrida (BGaN) pada komposisi tertentu, dua sifat yang terkait erat. Namun, perhatikan bahwa beberapa bahan piezoelektrik memiliki simetri kristal yang tidak memungkinkan piroelektrik. Bahan piroelektrik kebanyakan keras dan kristal, namun, piroelektrik lunak dapat dicapai dengan menggunakan rahasia. 4 Piroelektrik diukur sebagai perubahan dalam polarisasi bersih (vektor) yang sebanding dengan perubahan suhu. Koefisien piroelektrik total yang diukur pada tegangan konstan adalah jumlah dari koefisien piroelektrik pada regangan konstan (efek piroelektrik primer) dan kontribusi piezoelektrik dari ekspansi termal (efek piroelektrik sekunder). Dalam keadaan normal, bahkan bahan kutub tidak menampilkan momen dipol bersih. Sebagai akibatnya tidak ada padanan dipol listrik dari magnet batang karena momen dipol intrinsik dinetralkan oleh muatan listrik "bebas" yang menumpuk di permukaan dengan konduksi internal atau dari atmosfer sekitar. Kristal kutub hanya mengungkapkan sifat mereka ketika terganggu dalam beberapa cara yang sejenak mengganggu keseimbangan dengan muatan permukaan kompensasi. Polarisasi spontan tergantung pada suhu, jadi probe gangguan yang baik adalah perubahan suhu yang menginduksi aliran muatan ke dan dari permukaan. Ini adalah efek piroelektrik. Semua kristal polar adalah piroelektrik, sehingga 10 kelas kristal polar kadangkadang disebut sebagai kelas piroelektrik. Bahan piroelektrik dapat digunakan sebagai detektor radiasi inframerah dan panjang gelombang milimeter. Meskipun bahan piroelektrik buatan telah direkayasa, efeknya pertama kali ditemukan pada mineral seperti turmalin . Efek piroelektrik juga ada pada tulang dan tendon. Contoh paling penting adalah gallium nitride , semikonduktor. Medan listrik besar pada bahan ini merusak light emitting diode (LED), tetapi berguna untuk produksi transistor daya. Kemajuan telah dibuat dalam membuat bahan piroelektrik buatan, biasanya dalam bentuk film tipis, menggunakan gallium nitride ( Ga N ), cesium nitrate ( Cs N O 3 ), polivinil fluorida, turunan fenilpiridin, dan phthalocyanine kobalt. Lithium tantalate ( Li Ta O 3 ) adalah kristal yang menunjukkan sifat piezoelektrik dan piroelektrik, yang telah digunakan untuk membuat fusi nuklir skala kecil (" fusi piroelektrik "). PIR (Pasif Infrared Sensor) Gambar 2.2. Sensor gerak PIR Sensor PIR atau disebut juga dengan Passive Infra Red merupakan sensor yang digunakan untuk mendeteksi adanya pancaran sinar infra merah dari suatu object. Sesuai 5 dengan namanya sensor PIR bersifat pasif, yang berarti sensor ini tidak memancarkan sinar infra merah melainkan hanya dapat menerima radiasi sinar infra merah dari luar. Sensor PIR dapat mendeteksi radiasi dari berbagai objek dan karena semua objek memancarkan energi radiasi, sebagai contoh ketika terdeteksi sebuah gerakan dari sumber infra merah dengan suhu tertentu yaitu manusia mencoba melewati sumber infra merah yang lain misal dinding, maka sensor akan membandingkan pancaran infra merah yang diterima setiap satuan waktu, sehingga jika ada pergerakan maka akan terjadi perubahan pembacaan pada sensor. Sensor PIR terdiri dari beberapa bagian yaitu, Lensa Fresnel, Penyaring Infra Merah, Sensor Pyroelektrik, Penguat Amplifier, Komparator. Cara Kerja Sensor Passive Infra Red Gambar 2.3. Cara kerja PIR Sensor PIR bekerja dengan cara menangkap pancaran infra merah, kemudian pancaran infra merah yang tertangkap akan masuk melalui lensa Fresnel dan mengenai sensor pyroelektrik, sinar infra merah mengandung energi panas membuat sensor pyroelektrik dapat menghasilkan arus listrik. Arus listrik inilah yang akan menimbulkan tegangan dan dibaca secara analog oleh sensor. Kemudian komperator akan membandingkan sinyal yang sudah diterima dengan tegangan referensi tertentu yang berupa keluaran sinyal 1-bit. Sensor PIR hanya akan mengeluarkan logika 0 dan 1. 0 saat sensor tidak mendeteksi adanya perubahan pancaran infra merah dan 1 saat sensor mendeteksi infra merah. Sensor PIR hanya dapat mendeteksi pancaran infra merah dengan panjang gelombang 8-14 mikrometer. Manusia memiliki suhu badan yang dapat menghasilkan pancaran infra merah dengan panjang gelombang antara 9-10 mikrometer, panjang gelombang tersebut dapat terdeteksi oleh sensor PIR membuat sensor ini sangat efektif digunakan sebagai human detektor. Sensor PIR hanya akan mendeteksi jika object bergerak atau secara teknis saat terjadi adanya perubahan pancaran infra merah. Jarak Pancar Sensor Passive Infra Red Pada umumnya sensor PIR memiliki jangkauan pembacaan efektif hingga 5 meter, namun sensor PIR memiliki jangkauan jarak dan sudut pembacaan yang bervariasi, tergantung karakteristik sensor. 6 Pengaplikasian lain dari Phyroelectric Sensor Panas, Pembangkit Listrik, Penggabungan nuklir (fusi pyroelectric) 3. Strain Gauge as Force Sensor Strain adalah jumlah deformasi benda akibat gaya yang diberikan. Lebih khusus lagi, regangan (e) didefinisikan sebagai perubahan fraksional panjangnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah ini. Gambar 3.1 Strain Strain dapat positif (tarik), karena pemanjangan, atau negatif (tekan), karena kontraksi. Ketika suatu bahan dikompresi dalam satu arah, kecenderungan untuk berkembang dalam dua arah lainnya yang tegak lurus terhadap gaya ini dikenal sebagai efek Poisson. Rasio Poisson (v), adalah ukuran dari efek ini dan didefinisikan sebagai rasio negatif dari regangan pada arah transversal terhadap regangan pada arah aksial. Meskipun tidak berdimensi, regangan kadang-kadang dinyatakan dalam satuan seperti in/in. atau mm/mm. Dalam praktiknya, besarnya regangan yang diukur sangat kecil, sehingga sering dinyatakan sebagai mikrostrain (με), yaitu ε x 10-6. Strain Gauge 7 Gambar 3.2 Stain Gauge Strain Gauge adalah komponen elektronika yang dipakai untuk mengukur tekanan (deformasi atau strain). Alat ini berbentuk foil logam atau kawat logam yang bersifat insulatif (isolasi) yang ditempel pada benda yang akan diukur tekanannya, dan tekanan berasal dari pembebanan. Prinsipnya adalah jika tekanan pada benda berubah, maka foil atau kawat akan terdeformasi, dan tahanan listrik alat ini akan berubah. Perubahan tahanan listrik ini akan dimasukkan kedalam rangkaian jembatan Wheatstone yang kemudian akan diketahui berapa besar tahanan pada Strain Gauge. Sensor strain gauge pada umumnya adalah tipe metal-foil, dimana konfigurasi grid dibentuk oleh proses photoeching. Karena prosesnya sederhana, maka dapat dibuat bermacam macam ukuran gauge dan bentuk grid. Untuk macam gauge yang terpendek yang tersedia adalah 0,20 mm; yang terpanjang adalah 102 mm. Tahanan gauge standard adalah 120 mm dan 350 ohm, selain itu ada gauge untuk tujuan khusus tersedia dengan tahanan 500, 1000, dan 1000 ohm. Regangan dapat diukur menggunakan beberapa metode, tetapi yang paling umum adalah dengan strain gage. Hambatan listrik strain gage bervariasi sesuai dengan jumlah ketegangan pada perangkat. Strain gage yang paling banyak digunakan adalah strain gage berikat logam. Pengukur regangan logam terdiri dari kawat yang sangat halus atau, lebih umum, lembaran logam yang tersusun dalam pola kisi. Pola kisi memaksimalkan jumlah kawat logam atau foil yang mengalami regangan dalam arah paralel. Kisi-kisi diikat ke lapisan tipis yang disebut pembawa, yang melekat langsung ke spesimen uji. Oleh karena itu, regangan yang dialami oleh spesimen uji ditransfer langsung ke strain gage, yang merespons dengan perubahan linier dalam hambatan listrik. Pengukur regangan tersedia secara komersial dengan nilai resistansi nominal dari 30 hingga 3000 W, dengan 120, 350, dan 1000 W menjadi nilai yang paling umum. 8 Gamabr 3.3 Strain Gauhe berikat logam Parameter mendasar dari strain gauge adalah sensitivitasnya terhadap strain, dinyatakan secara kuantitatif sebagai gauge faktor (GF). Faktor pengukur didefinisikan sebagai rasio perubahan fraksional dalam hambatan listrik terhadap perubahan fraksional dalam panjang (regangan): GF untuk pengukur regangan logam biasanya sekitar 2. Anda dapat memperoleh GF aktual dari pengukur regangan tertentu dari vendor sensor atau dokumentasi sensor. Dalam praktiknya, pengukuran regangan jarang melibatkan jumlah yang lebih besar dari beberapa millistrain (e x 10-3). Oleh karena itu, untuk mengukur regangan, Anda harus mengukur perubahan resistansi yang sangat kecil secara akurat. Sebagai contoh, misalkan spesimen uji mengalami strain 500 me. Strain gage dengan GF 2 menunjukkan perubahan hambatan listrik hanya 2 (500 x 10-6) = 0,1%. Untuk pengukur 120 Ω, ini adalah perubahan hanya 0,12 Ω. Untuk mengukur perubahan kecil dalam resistensi, dan mengimbangi sensitivitas suhu. Bagian, pengukur regangan hampir selalu digunakan dalam konfigurasi jembatan dengan sumber tegangan atau arus eksitasi. Jembatan Wheatstone umum, diilustrasikan di bawah ini, terdiri dari empat lengan resistif dengan tegangan eksitasi, yaitu VEX yang diterapkan di jembatan. 9 Gambar 3.4 wheat stone Bridge Tegangan output pada jembatan, VO, akan sama dengan: Dari persamaan ini, jelaslah bahwa ketika R1 / R2 = RG1 / RG2, output tegangan VO akan menjadi nol. Di bawah kondisi ini, jembatan dikatakan seimbang. Setiap perubahan resistansi di setiap lengan jembatan akan menghasilkan output yang tidak nol tegangan. Oleh karena itu, jika kita mengganti R4 pada gambar diatas dengan pengukur regangan aktif, setiap perubahan pada resistensi pengukur regangan akan membuat jembatan tidak seimbang dan menghasilkan tegangan keluaran nol. Jika resistan nominal pengukur regangan ditunjuk sebagai RG, maka perubahan yang diinduksi oleh regangan pada resistansi, DR, dapat dinyatakan sebagai DR = RG * GF * e. Dengan asumsi bahwa R1 = R2 dan R3 = RG, persamaan jembatan di atas dapat ditulis ulang untuk mengekspresikan VO / VEX sebagai fungsi regangan (lihat gambar dibawah). Catatan kehadiran istilah 1 / (1 + GF * e / 2) yang menunjukkan nonlinier dari output kuartal-jembatan sehubungan dengan tekanan. Gambar 3.5 Quarter-Bridge Circuit Dengan menggunakan dua pengukur regangan di jembatan, efek suhu bisa dihindari. Atau, Anda dapat menggandakan sensitivitas jembatan untuk meregang dengan membuat kedua pengukur aktif, meskipun berbeda arah. Sebagai contoh, Gambar dibawah mengilustrasikan aplikasi balok lentur dengan satu jembatan yang dipasang dalam tegangan (RG + DR) dan yang lainnya dipasang di kompresi (RG - DR). Konfigurasi setengah jembatan ini, yang 10 diagram sirkuitnya juga diilustrasikan pada Gambar dibawah, menghasilkan tegangan output yang linier dan kira-kira menggandakan output dari quarter-jembatan sirkuit. Gambar 3.6 Half-Bridge Circuit Akhirnya, Anda dapat lebih meningkatkan sensitivitas sirkuit dengan membuat keempat lengan jembatan pengukur regangan aktif, dan pemasangan dua pengukur dalam ketegangan dan dua pengukur dalam kompresi. Sirkuit jembatan penuh ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Gambar 3.7 Full Bridge Circuit Persamaan yang diberikan di sini untuk sirkuit jembatan Wheatstone mengasumsikan jembatan awalnya seimbang yang menghasilkan nol output ketika tidak ada tegangan yang diterapkan. Namun dalam praktiknya, toleransi resistensi dan regangan disebabkan oleh aplikasi pengukur akan menghasilkan beberapa tegangan offset awal. Tegangan offset awal ini biasanya ditangani dengan dua cara. Pertama, Anda bisa menggunakannya sirkuit offsetnulling, atau balancing, khusus untuk mengatur resistansi pada jembatan untuk menyeimbangkan kembali jembatan ke keluaran nol. Sebagai alternatif, Anda dapat mengukur output awal yang tidak terkendali dari sirkuit dan memberikan kompensasi dalam perangkat lunak. Pada akhir catatan aplikasi ini, Anda akan menemukan persamaan untuk 11 sirkuit jembatan seperempat, setengah, dan penuh yang menyatakan regangan yang mengambil awal voltase keluaran diperhitungkan. Persamaan ini juga termasuk efek resistensi di kawat timah yang terhubung ke pengukur. Prinsip Kerja Sebuah sensor pengukur regangan bekerja dengan mengubah gaya yang diterapkan ke sinyal listrik melalui deformasi elastis dari pengukur regangan. Kekuatan-kekuatan ini bisa bersifat statis atau dinamis. Contohnya termasuk berat, akselerasi, dan tekanan. Di dalam gauge, deformasi ini pada gilirannya mengubah dimensi material strain gauge. Hasilnya adalah perubahan resistansi listrik material yang sebanding dengan besarnya gaya yang diberikan. Prinsip dasar dari penggunaan hambatan listrik strain gauge merupakan fakta bahwa hambatan dari perubahan kawat sebagai fungsi tegangan, meningkat dengan tekanan dan menurun dengan adanya pemampatan. Perubahan dalam hambatannya diuur dengan menggunakan rangkaian jembatan Wheatstone. Aplikasi Strain Gauge Secara umum, aplikasi dari strain gauge digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan tekanan pada suatu materi uji. Strain gauge sering digunakan dalam penelitian teknik mesin dan pengembangan untuk mengukur tekananan yang dilakukan oleh mesin. Pengujian komponen pada pesawat merupakan salah satu area penggunaannya, berbagai komponen penting dari rangka pesawat menggunakan strain gauge untuk menguji ketahanannya terhadap tekanan (Carpenter, 2008). Aplikasi lain dari strain gauge juga dapat ditemukan dalam bidang biomedis. Beberapa contoh aplikasinya antara lain: dapat digunakan sebagai untuk mengukur kontraksi otot kardia secara kontinyu, dapat digunakan untuk mengukur tekanan darah untuk mengetahui abnormalitas dari kardiovaskular, untuk mengukur laju pernapasan, dan juga secara luas dikembangkan untuk mendeteksi tekanan yang cocok dalam melakukan pemasangan anggota tubuh buatan (C. Raja Rao, 2000). Aplikasi lain strain gauge : 1. Digunakan pada pengkur berat badan digital 2. Timbangan Digital pada kapasitas berat yang diangkut oleh bus, truck, dll. 3. Mengukur batas maksimal tumpangan pada lift Load Cell Load cell adalah transduser, atau sensor, yang mengubah satu jenis energi ke yang lain. Secara khusus, load cell mengubah energi kinetik suatu gaya menjadi sinyal listrik yang 12 dapat diukur. Kekuatan sinyal sebanding dengan gaya (kompresi, tegangan, tekanan, dll.) yang diterapkan pada sel beban. Sinyal listrik menjadi data berguna yang dapat ditampilkan, disimpan, atau digunakan untuk mengontrol sistem yang kompleks. Load cell tersusunan dari satu strain gauge atau lebih tergantung kebutuhan. Kegunaan Load Cell Load cell digunakan untuk mengubah muatan atau gaya menjadi sinyal listrik yang dihitung. Ini paling sering digunakan dalam pengukuran penimbangan dan bantalan beban industri. Load cell digunakan untuk menguji, memantau, dan menjalankan mesin industri, perangkat medis, muatan pesawat, dan banyak aplikasi lainnya. Jenis Load Cell utama adalah hidrolik, pneumatik, dan strain gauge. Sementara Load Cell hidrolik dan pneumatik memiliki beberapa keunggulan, Strain Gauge Load Cell adalah yang paling umum digunakan. Strain Gauge Load Cell Strain Gauge Load Cell secara fundamental didorong oleh perubahan resistansi listrik. Setiap defleksi alat pengukur regangan yang dipasang ke sel beban meningkatkan resistansi listrik keseluruhan di seluruh alat pengukur. Di bawah kompresi, kabel menjadi lebih pendek dan lebih tebal, sehingga ada resistensi kurang dari kontrol seimbang. Di bawah tekanan, kabel menjadi lebih panjang dan lebih tipis, meningkatkan resistensi dari kondisi awal. Perbedaan yang diukur dalam resistansi ini menciptakan sinyal listrik yang berbanding lurus dengan gaya yang diterapkan oleh beban. Sinyal ini umumnya sangat kecil, sesuai urutan milivolt, dan harus diperkuat untuk pembacaan yang tepat. Seringkali, desain load cell strain gauge menggunakan konfigurasi jembatan Wheatstone, tetapi dapat dikustomisasi untuk aplikasi tertentu. Prinsip Dasar Strain Gauge Load Cell Ketika silinder baja mengalami gaya, ia cenderung berubah dalam dimensi. Pada silinder ini, jika pengukur regangan terikat, pengukur regangan juga diregangkan atau dikompresi, menyebabkan perubahan panjang dan diameternya. Perubahan dimensi pengukur regangan ini menyebabkan ketahanannya berubah. Perubahan resistansi atau tegangan keluaran dari strain gauge ini menjadi ukuran gaya yang diberikan. Kontruksi Strain Gauge Load Cell 13 Gambar 3.8 Kontruksi Strain Gauge Load Cell Bagian utama dari load cell strain gauge adalah sebagai berikut. Mereka adalah sebuah silinder yang terbuat dari baja di mana empat pengukur regangan identik dipasang dan dari empat pengukur regangan, dua di antaranya (R1 dan R4) dipasang di sepanjang arah beban yang diterapkan (pengukur vertikal). Dua pengukur regangan lainnya (R2 dan R3 Horizontal gauges) dipasang melingkar pada sudut kanan ke pengukur R1 dan R4. Pengoperasian Strain Gauge Load Cell Gambar 3.9 Wheatstone Bridge Kasus 1 Ketika tidak ada beban (kekuatan) pada silinder baja, keempat pengukur akan memiliki resistansi yang sama. Karena terminal N dan P berada pada potensial yang sama, jembatan batu gandum seimbang dan karenanya tegangan output akan menjadi nol. Kasus 2 Sekarang beban (gaya) yang akan diukur (katakanlah gaya kompresi) diterapkan pada silinder baja. Karena ini, pengukur vertikal R1 dan R4 akan dikompresi dan karenanya akan ada penurunan resistansi. Pada saat yang sama, pengukur horisontal R2 dan R3 akan berada di bawah tegangan pergi dan akan ada peningkatan resistansi. Dengan demikian ketika tegang, resistensi dari berbagai alat pengukur berubah. 14 Sekarang terminal N dan P akan berada pada potensial yang berbeda dan perubahan tegangan output karena beban (gaya) yang diterapkan menjadi ukuran gaya beban yang diterapkan saat dikalibrasi. Tipe Strain Gauge Load Cell Unbonded Strain Gauge Strain gauge yang tidak terikat memiliki bingkai yang terdiri dari bagian yang diam dan bergerak. Sebuah kawat (berdiameter sekitar 0,4 mil) terletak di kedua bagian dan dililitkan pada tiang yang tidak konduktif. Ketegangan kawat meningkat dan berkurang dengan perubahan tekanan. Ketika bagian yang bergerak dipindahkan, ini menegangkan kawat dan menambah atau mengurangi resistensi yang sesuai. Elektronik mengubah pengukuran hambatan ini (melalui jembatan Wheatstone) menjadi output tekanan. Terkadang empat kabel digunakan, dua di tegang dan dua di kompresi. Bonded Strain Gauge Dalam pengukur regangan terikat, foil (atau kawat) terikat ke diafragma. Perubahan tekanan menyebabkan diafragma melentur, yang pada gilirannya dirasakan oleh foil (atau kawat). Kadang-kadang empat pengukur regangan digunakan sebagai satu set: dua di dekat pusat diafragma, di mana mereka menemukan regangan tangensial maksimum, dan dua di dekat lingkaran, di mana mereka menemukan regangan radial maksimum. Kegunaan Strain Gauge Load Cell Sel-sel load strain gauge digunakan ketika beban tidak stabil. Sel beban strain gauge digunakan dalam jembatan timbang kendaraan, dan dynamometer gaya pahat. 4. TACTILE SENSOR Gambar 4.1 Tactile Sensor 15 Tactile Sensor sering disebut dengan sensor sentuh. Sensor taktil adalah sebuah perangkat yang mengukur informasi yang timbul dari interaksi fisik dengan lingkungannya. Sensor taktil umumnya mencontoh arti biologis dari sentuhan kulit yang mampu mendeteksi rangsangan yang dihasilkan dari stimulasi mekanik, suhu, dan nyeri. Prinsip Kerja Sensor sentuh pada dasarnya adalah saklar. Rangkaian sensor sentuh pada umumnya menggunakan resistor pull-up ataupun pull-down seperti. Rangkaian menggunakan resistor pull-up bersifat active low yang berarti rangkaian mengeluarkan sinyal 1 kecuali saat saklar aktif. Hal ini berkebalikan dengan rangkaian menggunakan resistor pull-down yang bersifat active low, yaitu rangkaian mengeluarkan sinyal 0 kecuali saat saklar aktif. Dari kedua rangkaian tersebut, rangkaian pull-up lebih banyak digunakan dibanding rangkaian pull down. Gambar 4.2 Prinsip Kerja Taktil Sensor (a) Rangkaian di bawah merupakan contoh rangkaian pull up dengan kedua sungut berfungsi sebagai saklar. Rangkaian akan mengeluarkan sinyal 1 saat sungut tidak tertekan. Jika sungut tertekan maka sinyal output akan menjadi 0 karena sungut dihubungkan dengan ground. Gambar 4.3 Prinsip Kerja Taktil Sensor (b) Jenis - Jenis Tactile Sensor a. Force Torque Sensors 16 Gambar 4.4 Force Torque Sensor b. Dynamic Tactile Sensor Gambar 4.5 Dynamic Tactile Sensor c. Thermal Sensors Gambar 4.6 Thermal Sensor Kelebihan - Fleksibel. Mempunyai struktur yang simpel. 17 - Dapat membedakan objek yang disentuh. Dapat mendeteksi objek yang disentuh. Kekurangan - - Kelemahan sensor sentuh atau tactile sensor yaitu sensor jenis ini tidak cocok digunakan untuk robot yang berkecepatan tinggi. Robot yang menggunakan sensor ini haruslah berhati - hati, karena dapat berhenti secara mendadak. Tidak dapat membedakan antara sentuhan dan tubrukan. Bergantung pada kondisi permukaan sensor. Tidak dapat merespon berat. Aplikasi dan Penerapannya - 5. Pada dunia industri, alat untuk menghitung produk yang dihasilkan Robot Touch Pad Touch Screen Alat keamanan pintu SENSOR PIEZOELECTRIC Perubahan variasi sifat material dapat ditinjau sebagai gambaran umum dari hubungan antara sifat kimia dengan sensor. Masa dan kecepatan adalah sifat yang penting untuk sensor piezoelektrik. Oleh karena itu microbalances dan microviscometers, menggunakan kristal piezoelektrik, dinyatakan sebagai suatu sistem sensor. Kompresi dari suatu kristal quartz menghasilkan suatu potensial listrik. Satu prinsip yang dapat meninjau efek ini untuk membangkitkan gelombang akustik pada bendap padat dengan mengaplikasikan potensial listrik bolak-balik ke suatu material piezoelektrik ditunjukkan pada gambar 1. Gelombang akustik, khususnya frekuensi dan resonant resistance, sangat dipengaruhi oleh kondisi batas yang dibentuk oleh dimensi fisik dari alat dan oleh sifat fisik dari material disepanjang lintasan gelombang. 18 Gambar 5.1 Sensor Piezoelectric Sensor piezoelektrik adalah peralatan elektronik pasif berfase padat (solid-state) yang dapat merespon perubahan temperature, tekanan, dan yang paling penting merespon sifat fisik (physical properties) pada suatu interface antara permukaan alat dan fluida atau padatan asing. Perubahan pada sifat fisik antara lain seperti masa jenis, kelistrikan, viskositas, dan ketebalan lapisan. Sensor piezoelektrik beroperasi dengan mengobservasi penyebaran dari suatu gelombang akustik melalui solid-state device. Deteksi sensor dilakukan dengan meninjau korelasi variasi penyebaran gelombang akustik ke sejumlah perekam analyte pada permukaan dan kemudian ke konsentrasi analyte di dalam sampel yang tertangkap sensor atau dikorelasikan dengan perubahan pada sifat fisik dari interfacial thin films. Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segmen bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen tersebut. Sumber fenomena ini adalah adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton. Gambar 5.2 Sensor Piezoelektrik Sensor pada gambar diatas dirancang dengan bahan yang disebut PVDF (Polyvinylidene Fluoride) film / plastik polymer dan conductive rubber sebagai bahan utama sensor untuk pengukuran beban, tegangan, regangan ataupun deformasi dari suatu struktur. Sedangkan bahan-bahan lain yang digunakan untuk sensor piezoelectric ini adalah kristal turmalin, kuarsa, ratna cempaka, dan garam rossel, karena dengan kemampuan bahan-bahan tertentu tersebut dapat menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan-bahan itu dipanaskan atau 19 didinginkan, serta sensor ini memiliki ukuran dan bentuk sangat fleksibel, dengan kata lain dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan. Prinsip Kerja Gambar 5.3 Prinsip Kerja Sensor Piezoelektrik Sifat efek piezoelektrik berkaitan erat dengan terjadinya momen dipol listrik dalam padatan. Efek tersebut juga dapat dirangsang untuk ion di situs kisi kristal dengan lingkungan yang asimetris (seperti dalam BaTiO3 dan PZTs) atau langsung dapat dilakukan oleh kelompok-kelompok molekul tertentu. Kepadatan dipol atau polarisasi (cm/m3) dengan mudah dapat dihitung untuk kristal dengan menjumlahkan momen dipol per volume sel satuan kristal. Dipol yang dekat satu sama lain cenderung berpihak di daerah yang disebut Weiss domain. Domain biasanya berorientasi acak, tetapi dapat disejajarkan selama poling (tidak sama dengan poling magnet), yaitu proses dimana suatu medan listrik yang kuat diterapkan di seluruh material, biasanya pada suhu yang tinggi. Penting untuk menentukan efek piezoelektrik adalah karena perubahan polarisasi yang terjadi sebagai akibat dari pembebanan (stress) mekanik. Piezoelektrik tidak disebabkan oleh perubahan densitas muatan di permukaan, tetapi dengan kepadatan dipol dalam bulk. Misalnya, 1 cm3 kubus kuarsa dengan 2 kN (500 lbf) gaya diberikan dapat menghasilkan tegangan 12.500 V. Bahan piezoelektrik juga menunjukkan efek sebaliknya. Disebut efek piezoelektrik dimana aplikasi dari suatu medan listrik menciptakan deformasi mekanik dalam kristal. Sensor piezoelektrik memiliki 2 jenis bahan, yaitu PVDF dan Copolymer (Keramik). Berikut adalah perbedaan antara kedua bahan tersebut : 20 Gambar 5.4 Tabel perbedaan PVDF dan Copolymer Kelebihan - - Tanggapan frekuensi yang tinggi. Piezoelektrik dapat bekerja dengann frekuensi tinggi pada parameter tertentu. Bahkan dapat merespon frekuensi audio tertinggi (20kHz) dengan baik. Respon Transien yang tinggi. Piezoelektrik dapat memberikan output yang linear dan ideal untuk sebuah komponen tranduser yang dapat mendeteksi hingga mikrodetik. Output tinggi. Komponen piezoelektrik pada umumnya memiliki output yang tinggi dengan konsumsi daya yang rendah. Ukuran yang kecil. Kekurangan - Salah satu kelemahan dari sensor piezoelektrik adalah sensor tersebut tidak dapat digunakan untuk pengukuran yang benar-benar statis. Sebuah gaya statis akan menghasilkan jumlah nilai yang tetap pada bahan piezoelektrik. Ketika bekerja dengan pembacaan elektronik konvensional, bahan isolasi tidak sempurna dan pengurangan dari perlawanan sensor internal akan berakibat pada hilangnya konstan elektron serta menghasilkan penurunan sinyal. Peningkatan suhu menyebabkan 21 - penurunan tambahan dalam resistansi internal dan sensitivitas. Efek utama pada efek piezoelektrik adalah dengan meningkatnya beban tekanan dan suhu, sensitivitas berkurang karena twin-formation. Sementara sensor kuarsa perlu didinginkan selama pengukuran pada suhu di atas 300 ° C, jenis khusus dari kristal seperti fosfat galium (GaPO4) tidak menunjukkan formasi kembar sampai titik leleh bahan itu sendiri. Impedansi piezoelektrik tinggi. Hal ini mengharuskan dibuat lagi rangkaian tambahan agar impedansi dari piezoelektrik sesuai. Pengaplikasian Sensor Piezoelektrik Aplikasi terkini dari sensor piezoelektrik yang sedang dikembangkan oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia adalah penggunaan sensor piezoelektrik untuk menentukan lokasi kerusakan dini pada komponen mesin melalui analisa penjalaran gelombang tegangan (emisi akustik). Aplikasi ini lebih lanjut akan dapat mengatasi permasalahan menentukan kerusakan dini pada komponen mesin melalui pelacakan terhadap gelombang emisi akustik (Acoustic Emission = AE) yang berasal dari terlepasnya energi dalam karena disintegrasi struktur komponen mesin tersebut akibat kegagalan mikroskopik yang terjadi. Kerusakan dini adalah terjadinya kegagalan sangat awal pada struktur komponen mesin yang merupakan cikal bakal inisiasi kerusakan. Pada saat terjadi disintegrasi antara butir butir material satu komponen mesin yang pejal, maka akan terlepas energi dalam bentuk penjalaran tegangan berupa gelombang AE ke segala arah dalam material pejal tersebut. Fenomena disintegrasi ini telah diterangkan sebagai terjadinya asal dari inisiasi kerusakan yang kemudian akan berkembang sebagai pertumbuhan retakan mikroskopik sampai pada akhirnya menjadi kerusakan dari komponen mesin tersebut. Selanjutnya dengan memahami karakteristik penjalaran gelombang emisi akustik ke segala arah didalam material pejal komponen mesin, maka dengan menggunakan beberapa buah sensor deteksi vibrasi piezoelektrik dapat dilakukan penangkapan gelombang tersebut dari beberapa titik pengukuran atau observasi. Dengan teknik semacam global positioning system terhadap sinyal gelombang emisi akustik yang ditangkap di tempat berbeda secara simultan, maka dapat ditentukan lokasi kerusakan dini dengan akurasi yang cukup memadai. 22 Gambar 5.5 pengaplikasian Piezoelektrik Dengan sifatnya yang bisa mendeteksi variasi tekanan, maka piezoelectric ini mempunyai fungsi utama yaitu sebagai sensor. Berikut adalah aplikasi piezoelectric yang digunakan sebagai sensor: Mikrofon piezoelectric dan pickup piezoelectric untuk gitar akustik-elektrik. Elemen piezoelectric digunakan untuk mendeteksi generasi gelombang sonar. Bahan piezoelectric yang digunakan dalam single-axis dan dual-sumbu miring penginderaan. Pemantauan daya dalam aplikasi daya tinggi (misalnya perawatan medis, sonochemistry dan industri pengolahan). Microbalances piezoelectric digunakan sebagai bahan kimia yang sangat sensitif dan sensor biologis. Piezos kadang-kadang digunakan dalam pengukur regangan. Piezoelectric digunakan dalam instrumen penetrometer pada Huygens Probe Piezoelectric digunakan dalam drum pads elektronik untuk mendeteksi dampak dari tongkat drummer, dan untuk mendeteksi gerakan otot di acceleromyography medis. Sistem manajemen mesin otomotif menggunakan piezoelectric untuk mendeteksi detonasi pada mesin (Knock Sensor)dan juga digunakan dalam sistem injeksi bahan bakar untuk mengukur tekanan absolut berjenis (MAP sensor) untuk menentukan beban mesin Sensor piezo ultrasonik digunakan dalam deteksi emisi akustik dalam pengujian emisi akustik. 23 6. LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER Gambar 6.1 Linear Variable Differential Transformer Linear Variable Differential Transformer (LVDT) sesuai dengan namanya linear berarti gerak lurus linear, sensor ini berfungsi membaca pergerakan garis lurus, secara linear. LVDT merupakan salah satu contoh sensor posisi, yang bekerja berdasarkan pada ada tidaknya medan magnet yang terjadi. LVDT pertama kali di kemukakan oleh G.B.hoadley. pertama kali digunakan untuk kepentingan militer. Pada tahun 1950an pengetahuan akan LVDT ini terus berkembang, hingga dapat digunakan dalam kepentingan industri. LVDT Terdiri dari : 1. Inti besi yang bergerak 2. Kumparan primer 3. Sepasang kumparan sekunder Kumparan Primer terhubung dengan tegangan AC sebagai tegangan acuan Kumparan Sekunder Berjumlah 2 buah, terletak di samping kiri dan kanan kumparan primer saling terhubung secara seri satu sama lain. PRINSIP KERJA Secara singkat prinsip kerja dari LVDT adalah sebagai berikut : Arus bolak-balik AC mengalir melalui kumparan (coil) primer, sebagai akibat dari adanya tegangan eksitasi Eeks. Arus terinduksi melalui pasangan kumparan sekunder. Frekuensi arus AC yang terinduksi ini sama dengan frekuensi eksitasi. Namun, amplitudo arus yang terinduksi pada setiap kumparan sekunder tergantung dari posisi/lokasi batang inti (magnet) yang dapat berpindah/bergerak. Perubahan amplitudo akibat pergeseran batang inti ini kemudian di proses untuk melakukan indikasi terhadap peubahan posisi. sehingga dengan memanfaatkan konsep ini, LVDT dapat dibuat sebagai sensor. 24 Gambar 6.2 Prinsip Kerja LVDT(a) Inti berada di tengah-tengah maka : Flux S1 = S2 Tegangan induksi E1 = E2 Enetto = 0 Inti bergerak ke arah S1 maka : Flux S1 > S2 tegangan induksi E1 > E2, Enetto = E1 – E2 Inti bergerak ke arah S2 maka : Flux S1 < S2 Tegangan induksi E1 < E2 Enetto = E2 – E1 25 Gambar 6.3 Prinsip Kerja LVDT(b) RUMUS PARAMETER Tegangan yang dihasilkan pada sekunder seban magnetik. ding dengan perubahan posisi inti Gambar 6.4 Parameter LVDT vo = ve K x hubungan linier bila inti masih disekitar posisi kesetimbangan. 26 LVDT PADA IC Gambar 6.5 LVDT Pada IC Contoh Penerapan Sensor : Sensor-sensor (perpindahan, jarak, dan sensor mekanik lainnya) 1. Level fluida 2. Automotive Suspension 3. Mesin ATM KELEBIHAN DAN KEKURANGAN Berikut ini adalah kelebihan serta kekurangan LVDT : Kelebihan : 1. Padat dan kuat, sehingga dapat digunakan pada peralatan yang berat. 2. System operasi tanpa gesekan antara aramature dan transformer sehingga cocok untuk pengujian material. 3. Sensitif, sehingga dapat mendeteksi sedikit saja perubahan. 4. Mampu menanganai input yang berlebih 5. Dapat digunakan pada lingkungan yang bervariasi. 6. Output mutlak Kekurangan 1. LVDT baru bekerja jika ada kontak antara armature dan transformer. 2. Pengukuran dinamis dibatasi tidak lebih dari 1/10 dari LVDT resonansi frekuensi. Di beberapa kasus, hasilnya lebih dari 2 kHz. 27 Carrier Frequency Displacement Measurement using Differential Transformer Sensor displacement(Perpindahan) berfungsi berdasarkan prinsip transformer differensial. Disini Kumparan Primer berimpedansi 50 mH di 1 kHZ, menghasilkan sebuah impendansi yang konjungsi dengan winding resistance(resistansi dari sebuah kawat tembaga ke yang lainnya). Kumparan sekunder mempunyai impedansi sebesar 40 mH dan impendansi 220 ohm di 1 kHZ. Solenoid plunger(linear) digerakkan dengan memberi arus listrik. Sensor beroperasi dengan deviasi linear yang sangat rendah kurang dari 1% dengan pengukuran perpindahan s=± 50 𝑚𝑚. Di percobaan ini, winding Primer di tenagai oleh tegangan Oscillator sebagai pembawa frekuensi penguat(carrier frequency amplifier sekitar. 200Hz). Tegangan sekunder tegangan Us didapat dari differensial tegangan Us2 dan Us1 dengan windings sekunder : Us = Us2 – Us1. Us dihubungkan ke synchronous modulator SD dari frekuensi carrier (dengan 0, ground) yang bertujuan untuk melanjutkan pemrosesan sinyal. Gambar 6.6 Carrier Frequency Panel a) Pengaturan Potensiometer pada Carrier Frequency Amplifier Penambah(Gain) : Untuk menambah tegangan pada Differensial Transformer, potensiometer diputar kekanan. Titik Nol (Zero Point) : “Offset” atau titik tengah pada potensiometer digunakan sebagai titik nol. Di percobaan ini, titik nol tegangan pada amplifier di letakkan di tengah solenoid plunger(s=0). Untuk tujuan ini, posisi tengah sekrup pada kabel penarik di letakkan di bagian tengah Differensial Transformer sensor. Sehingga, offset bisa diatur sementara tegangan bisa diamati. Posisi potensiometer benar jika di osiloskop tampil U0 = 0 (terletak di sekitar titik tengah pengaturan tombol control). 28 Pengaturan fasa : Menggunakan “φ” pada potensiometer memungkinkan untuk mendapatkan fasa yang identik dengan tegangan transformer sekunder Us dan keluaran tegangan Usd dari synchronous demodulator (SD). Untuk itu, voltmeter harus diperhatikan setelah setiap pergesaran sekitar 2 cm, ketika solenoid plunger telah berfungsi. Ketika “φ” potensiometer telah disesuaikan, perubahan yang terjadi terlihat, dimana set maksimum U0 = 8 V untuk s = 2 cm. Pengukuran Perpindahan Setelah persiapan telah dilakukan, pengukur bisa mencatat kalibrasi kurva dari seluruh system : U0 = f(s). yang mana garis lurus dan melewati (0/0) dan ( +2 cm/+ 8 V), dan menunjukkan tidak ada yang diluar batas. Menggunakan pengukuran unit-unit yang tersedia, linearitas deviasi yang mana penting bagi kita namun tidak bisa di deteksi. Untuk itulah, percobaan ini tidak dilakukan. b) Memeriksa carrier frequency bridge amplifier Pengaturan “Gain”,”Offset” dan “φ” potensiometer telah dilakukan (sesuai dengan intruksi diatas), dimana garis pengukuran s = 2 cm telah diset di armartur didalam kumparan differensial transformer. Menggunakan osiloskop, tenaga tegangan primer Up’, dimana sama dengan tegangan osiloskop, tegangan sekunder Us (= Us2 – Us1 ) dan tegangan USD dari synchronous demodulator harus diamati. Voltmeter untuk tegangan keluaran U0 dari frekuensi bawaan (carrier frequency amplifier) harus tetap tersambung. Dikarenakan fakta bahwa osilator berosilasi sekitar 200 Hz, waktu deflesi 1 cm/1 ms dibutuhkan (di posisi non-kalibrasi pada dasar waktu), untuk merepresentasikan waktu (kurang lebih daripada) sebuah periode. Koneksi pentanahan di osiloskop terhubung ke stopkontak tanah(earth) dari training panel. Pengukuran channel Y1 dan Y2 terhubung sesuai dengan gambar 1.0, untuk menghindari masalah pentanahan. Disini, ditemukan bahwa tenaga tegangan primer Up dari sensor Differensial Transformer (yang mana harus kita perhatikan) bisa ditampilkan, adalah Up/2 yang ditampilkan jika Us dan Usd di tampilkan di osiloskop secara bersamaan. Dikarenakan kita menggunakan osiloskop dual-channel, kurva Us dan Usd harus dicatat di dua pecobaan. Di percobaan pertama Up/2 (Y1-channel) dan Us (Y2channel) telah dicatat. Di percobaan kedua Up/2 (Y1-channel) dan Us (Y2-channel) telah dicatat. Menggunakan tegangan Up/2 yang sama dari kedua percobaan, maka memungkinan untuk mendapatkan alokasi waktu yang telah dibahas sebelumnya, 29 ditunjukkan di gambar 2.0, dimana Up/2 (Y1) digunakan untuk membuat osiloskop bekerja. Gambar dibawah merepresentasikan penggambaran dari oscillogram. Gambar 6.7 Oscillogram Variabel pengukur daripada sebuah sistem pengukuran perpindahan dengan differensial transformer sensor dan carrier frequency amplifier (a) perpindahan positif s (b) perpindahan negatif s Pengaturan potensiometer dari carrier frequency amplifier : Gain batas kanan,posisi maksimum Offset posisi tengah (untuk U0 = 0 di s = 0) Φ sekitar posisi tengah (tanpa pergeseran fase dari USD) 30 Setelah percobaan diulangi, namun penarik(plunger) dari sensor di geser ke s = -2 cm. Didapatkanlah diagram untuk tegangannya, Gambar 6.8 Diagram Tegangan Variabel pengukur daripada sebuah sistem pengukuran perpindahan dengan differensial transformer sensor dan carrier frequency amplifier (a) perpindahan positif s (b) perpindahan negatif s Pengaturan potensiometer dari carrier frequency amplifier : Gain batas kanan,posisi maksimum Offset posisi tengah (untuk U0 = 0 di s = 0) Φ sekitar posisi tengah (tanpa pergeseran fase dari USD) 31 7. Plate Orifice Gambar 7.1 Plate Orifice Orifice merupakan salah satu komponen dari perangkat primer (primary device) untuk mengukur aliran dengan menggunakan prinsip mengubah kecepatan aliran, riilnya yaitu mengubah luasan yang dilalui aliran fluida tersebut (orifice). Orifice adalah salah satu alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran volum atau massa fluida di dalam saluran yang tertutup (pipa) berdasarkan prinsip beda tekanan. Alat ini berupa plat tipis dengan gagang yang diapit diantara flens pipa. Fungsi dari gagang orifice adalah untuk memudahkan dalam proses pemasangan dan penggantian. Orifice termasuk alat ukur laju aliran dengan metode rintangan aliran (Obstruction Device). Karena geometrinya sederhana, biayanya rendah dan mudah dipasang atau diganti. Orifice Plate(Sebuah plat lubang) adalah pelat tipis dengan lubang di tengah. Hal ini biasanya ditempatkan dalam pipa aliran fluida di mana. Ketika cairan mencapai pelat orifice, dengan lubang di tengah, cairan dipaksa untuk berkumpul untuk pergi melalui lubang kecil, titik konvergensi maksimum sebenarnya terjadi tak lama hilir orifice fisik, pada titik kava disebut contracta. Seperti tidak demikian, kecepatan dan perubahan tekanan. Di luar contracta vena, cairan mengembang dan kecepatan dan tekanan perubahan sekali lagi. Dengan mengukur perbedaan tekanan fluida antara bagian pipa normal dan di vena contracta, tingkat aliran volumetrik dan massa dapat diperoleh dari persamaan Bernoulli. 32 Bentuk fisik orifice yang ada dan sering digunakan seperti pada gambar berikut ini: Gambar 7.1 Jenis dan Bentuk Orifice Plate dan Laju Aliran Perubahan kecepatan setelah melalui orifice plate tersebut berkaitan dengan perubahan tekanan (differential pressure). Perubahan tekanan ini yang kemudian diukur (di tapping) dan kemudian diasosiakan dengan laju aliran. Dalam kaitannya dengan Orifice dan pengukuran aliran, umumnya yang diukur adalah differential pressure. Dan dalam pemasangan dengan sistem orifice dapat digambarkan sebagai berikut: Gambar 7.2 Pemasangan Orifice Plate Orifice plate terbuat dari plate tipis stainless steel, pada bagian tengahnya dilubangi dengan ukuran yang telah dihitung besarnya, kemudian dipasang pada pipa alir untuk memberikan beda tekanan. Orifice dapat dipakai untuk semua fluida yang bersih dan gas, tetapi tidak umum dipakai untuk fuida yang mengandung solid/kotoran. Jenisnya ada tiga macam , seperti terlihat padaGambar. 33 Pelat Orifice yang paling sering digunakan untuk pengukuran kontinyu cairan di dalam pipa. Pelat Orifice juga digunakan dalam beberapa sistem sungai kecil untuk mengukur aliran sungai di mana lokasi aliran sungai melewati gorong-gorong atau saluran. Dalam lingkungan alam pelat orifice besar digunakan untuk mengontrol aliran bendungan banjir. dalam struktur sebuah bendungan, pelat orifice ditempatkan di seberang sungai dan dalam operasi normal, air mengalir melalui pelat orifice sebagai lubang substansial besar dari aliran normal cross. Namun ketika banjir, naik laju aliran banjir keluar pelat orifice yang kemudian hanya dapat melewati aliran yang ditentukan oleh dimensi fisik lubang tersebut. Arus ini kemudian muncul kembali di belakang bendungan yang rendah dalam reservoir sementara, yang perlahan dibuang melalui mulut lubang ketika banjir reda. Perbandingan antara diameter orifice dengan laju aliran dapat diperlihatkan dengan tabel dan grafik berikut. Gambar 7.3 perbandingan Diameter Orifice Plate dan Laju Aliran Jenis-Jenis Plate Orifice: 1. Concentric Orifice Concentric Orifice merupakan jenis orifice yang paling banyak digunakan. Profil lubang orifice ini mempuyai takik (bevel) dengan kemiringan 45° pada tepi bagian downstream(lihat gambar di bawah). Hal ini akan mengurangi jarak tempuh dari aliran tersebut mengalami perbedaan tekanan melintang. Setelah aliran melewati orifice akan terjadi penurunan tekanan dan kemudian mencoba kembali ke tekanan semula tetapi terjadi sedikit tekanan yang hilang permanen (permanent pressure loss) sehingga perbedaan tekanan upstream dan downstream tidak terlalu besar. Perbandingan diameter orifice dan diameter dalam pipa dilambangkan dengan “β”. Orifice jenis ini memiliki ketentuan untuk nilai β yaitu antara 0.2-0.7 karena akurasinya akan berkurang untuk nilai diluar batas tersebut. Letak lubang penghalang konsentris dengan penampang pipa. Digunakan untuk mengukur volume gas, liquid dan steam dalam jumlah yang besar. 34 2. Counter Bore Orifice Counter bore orifice pada prinsipnya sama dengan concentric Orifice. Perbedaanya terdapat pada profil lubangnya, orifice ini tidak mempuyai takik (bevel) tapi diameter lubangya lebih besar pada bagian downstream daripada diameter lubang pada bagian upstream (lihat gambar di bawah). 3 Eccentric Orifice Eccentric orifice mempunyai profil lubang yang sama dengan concentric orifice. Akan tetapi, pada eccentric orifice lubang tidak terletak tepat di tengah. Diameter takik (bevel) bagian bawah hampir lurus (98%) dengan diameter dalam dari pipa (lihat gambar di bawah). Titik pusat lubang penghalang tidak satu garis pusat dengan pusat penampang pipa. Pemasangan lubang yang tidak konsentris ini dimaksud untuk mengurangi masalah jika fluida yang diukur membawa berbagai benda padat (solid). 4 Quadrant Bore Orifice Quadrant bore orifice digunakan untuk mengukur aliran fluida dengan viscositas tinggi dan direkomendasikan untuk bilangan Reynold di bawah 10000. Profil dari lubang Quadrant bore orifice dapat dilihat pada gambar di bawah. Radius “R” merupakan fungsi dari β. Ketebalan orifice sebanding dengan kuadran radius “R”. 5 Segmental Orifice Segmental orifice didesain untuk fluida dengan kandungan sedimen yang tinggi. Profil dari lubang segmental orifice dapat dilihat pada gambar di bawah. Diameter “D” bagian bawah hampir lurus (98%) dengan diameter dalam dari pipa. “H” merupakan tinggi dari lingkaran lubang. Rasio β merupakan diameter lubang “D” dibagi dengan diameter dalam dari pipa. Segmental orifice merupakan jenis orifice yang paling sulit dalam proses manufaktur,diperlukan proses finishing secara manual. Segmental orifice plates digunakan terutama pada service yang sama dengan eccentric orifices, sehingga kelebihan dan kekurangan adalah kurang lebih sama 6 Restriction Orifice Tujuan dari instalasi Restriction orifice adalah untuk menghasilkan presure drop yang besar. Restriction orifice biasanya ditunjukkan dengan “RO” atau “FO”. Restriction orifice dapat menghasilkan pressure drop sampai 50 % untuk fluida gas. Profil lubang Restriction orifice berbeda dengan orifice yang lain (lihat gambar di bawah). Profil lubangnya lurus sehingga tekanan yang hilang secara pemanen cukup besar akibatnya perbedaan tekanan upstream dan tekanan downstream cukup mencolok. Ada beberapa tempat untuk mengambil beda tekanan pada sistem orifice antara lain : - Flange Tap Lokasi pengambilan tekanan berada pada flange, 1 inch upstream dan 1 inch downstream, diukur dari permukaan upstream orifice. - Corner Tap Digunakan pada pipa yang lebih kecil dari 2 inch. Lubang pengambilan tekanan pada flange dekat dengan permukaan orifice. - Full flow pipe Tap Lubang pengambilan tekanan pada upstream berjarak 2.5 D dari permukaan upstream orifice dan downstream berjarak 8 D dari orifice. - Radius Tap Pengambilan tekanan pada upstream berjarak 1 D dan downstream 0.5 D dari permukaan upstream orifice. - Vena contracta taps Upstream berjarak 0.5 sampai dengan 2 D dan downstream tergantung dari d/D seperti pada 35 Keuntungan utama dari Orfice plate ini adalah dari : 1. Konstruksi sederhana 2. Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan. 3. Harga pembuatan alat cukup murah 4. Output cukup besar 5. Mudah dalam pemasangan 6. Mudah dalam penggantian Kerugian menggunakan Orfice plate adalah : Jika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut akan terkumpul pada bagian pelat disisi inlet. Jangkauan pengukuran sangat rendah Dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan pengukuran jadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer. Tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang bertekanan rendah. Penggunaan Orifice Plate yang paling sering digunakan untuk pengukuran kontinyu cairan di dalam pipa. Mereka juga digunakan dalam beberapa sistem sungai kecil untuk mengukur aliran di lokasi di mana sungai melewati gorong-gorong atau saluran. Hanya sebagian kecil sungai sesuai untuk penggunaan teknologi sejak piring harus tetap sepenuhnya terendam yaitu pendekatan pipa harus penuh, dan sungai harus secara substansial bebas dari puing-puing. Dalam lingkungan alam pelat orifice besar digunakan untuk mengontrol aliran bantuan selanjutnya dalam bendungan banjir. dalam struktur sebuah bendungan rendah ditempatkan di seberang sungai dan dalam operasi normal air mengalir melalui pelat orifice leluasa sebagai lubang secara substansial lebih besar dari bagian aliran normal cross. Namun, dalam banjir, naik laju alir dan banjir keluar pelat orifice yang dapat kemudian hanya melewati aliran ditentukan oleh dimensi fisik lubang tersebut. Arus ini kemudian diadakan kembali di belakang bendungan yang rendah dalam reservoir sementara yang perlahan dibuang melalui mulut ketika banjir reda. Prinsip Kerja Plate Orifice Orifice merupakan alat untuk mengukur laju aliran dengan prinsip beda tekanan atau disebut juga Bernoulli’s principle yang mengatakan bahwa terdapat hubungan antara tekanan fluida dan kecepatan fuida. Jika kecepatan meningkat, tekanan akan menurun begitu pula sebaliknya. Pada dasarnya orifice berupa plat tipis dengan lubang di bagian tertentu (umumnya di tengah). Fluida yang mengalir melalui pipa ketika sampai pada orifice akan dipaksa untuk melewati lubang pada orifice. Hal itu menyebabkan terjadinya perubahan kecepatan dan tekanan. Titik dimana terjadi kecepatan maksimum dan tekanan minimum disebut vena contracta. Setelah melewati vena contracta kecepatan dan tekanan akan mengalami perubahan lagi. Dengan mengetahui perbedaan tekanan pada pipa normal dan tekanan pada vena contracta, laju aliran volume dan laju aliran massa dapat diperoleh dengan persamaan Bernoulli. 36 8. Turbine Flow Meter Flow Meter Turbine (turbin aksial) diciptakan oleh Reinhard Woltman dan merupakan flow meter yang akurat dan dapat diandalkan untuk liquid dan gas. Flowmeters Turbin menggunakan energi mekanik dari cairan yang mengalir guna memutar sebuah "pinwheel" (rotor). Blades pada rotor dibuat miring dengan sudut tertentu layaknya baling-baling, untuk mengubah energi dari aliran fluid menjadi energi rotasi. Poros rotor berputar pada bushing/bearing dimana ketika cairan bergerak lebih cepat, rotor berputar secara proporsional lebih cepat. Gambar 8.1 Turbine Flow Meter (a) Rotasi poros dapat dirasakan secara mekanis atau dengan mendeteksi gerakan blade. Gerakan blade terdeteksi secara magnetis, dengan masing-masing blade atau bagian tertanam dari logam akan menghasilkan pulsa. Ketika liquid bergerak lebih cepat pada flow meter turbine, maka akan lebih banyak menghasilkan pulsa yang akan sebanding dengan kecepatan aliran fluida. Sensor Pick-up pada flow meter turbin akan memproses sinyal pulsa untuk menentukan aliran fluida. Pemancar dan sistem gerakan yang tersedia untuk menangkap aliran di kedua arah arus maju dan mundur. Sensor pick-up menghasilkan pulsa secepat berputar nya impeller, ini memberikan reaksi waktu yang sangat cepat sehingga membuat jenis flow meter ini sangat cocok untuk aplikasi batching. Pulsa yang dihasilkan oleh sensor pick-up merupakan pulsa per satuan volume, juga disebut sebagai faktor-k. Turbine Flow meters dapat digunakan untuk mengukur kecepatan aliran dari liquid, gas dan uap dalam pipa, seperti hidrokarbon, bahan kimia, air, cairan kriogenik, udara, dan gas industri. Yang perlu diperhatikan dalam menentukan turbine flow meter hendaknya berhati-hati pada cairan yang kotor ( mengandung sampah, pasir dan solid lainnya) karena kotoran akan bisa menghambat akurasi dan bahkan akan gagal karena rotor tidak bisa berputar akibat tersangkut kotoran. Begitu juga untuk cairan yang non-pelumas, karena flowmeter dapat menjadi tidak berfungsiatau akurasinya menyimpang terlalu jauh karena itu ada flowmeters turbin memiliki kelengkapan grease untuk digunakan pada cairan yg tidak mempunyai sifat pelumasan. 37 Gambar 8.2 Turbine Flow Meter (b) Selain itu, turbin flowmeters yang dirancang untuk tujuan tertentu, misalnya untuk layanan gas alam, sering dapat beroperasi pada rentang temperatur yang terbatas (misalnya sampai 60 º C) dimana operasi pada suhu yang lebih tinggi dapat merusak flowmeter tersebut. Turbine Flowmeter ini lebih baik jika diterapkan untuk cairan sanitasi, relatif bersih, dan korosif dalam ukuran sampai dengan sekitar 24 inci. Flowmeters turbin yang kecil dapat dipasang langsung di pipa, tapi ukuran dan berat flowmeters turbin yang lebih besar mungkin memerlukan instalasi pondasi yang kuat. Aplikasi Turbin Flowmeters kurang akurat pada tingkat kecepatan aliranyang rendah karena dapat memperlambat putaran rotor. sementara itu untuk installasi turbine flow meter ada yang secara inline menggunakan koneksi flange ulir dan ada juga yang menggunakan metode insert bisanya dikenal dengans sebutan insertion turbine flow meter. Gambar 8.3 Turbine Flow Meter (c) Begitu juga untuk kecepatan aliran fluida yang terlalu tinggi dapat meneyebabkan keausan pada bushing ataupun bearing ataupun shaft rotor karena itu hendaknya dalam mengoperasikan flowmeters kurang lebih sekitar 5 persen lebih tinggi dari kecepatan aliran maksimal sebagaimana ditentukan oleh manufacture. Dalam beberapa aplikasi, penggantian bantalan mungkin perlu dilakukan secara rutin dan berkakibat pada tingginya maintenance cost. Begitu juga Aplikasi pada fluida yang kotor umumnya harus dihindari sehingga 38 mengurangi kemungkinan life time flowmeter dan kerusakan bantalan/bearing/shaft rotor, karena turbin flowmeters memiliki bagian yang bergerak yang mengalami keausan sesuai dengan waktu penggunaan. Sedangkan untuk segi bahan material dari jenis turbine flow meter ini ini ada cukup bervariasi dari bahan carbon steel , stainless steel baik yang food grade maupun yang tidak yang banyak digunakan untuk industri makanan bahkan dari bahan non metal seperti PVC, PP, Teflon dan lainnya yang banyak digunakan untuk chemical flow meter. 39 DAFTAR PUSTAKA CF Tsai dan MS Young (Desember 2003). "Termometer berbasis sensor inframerah piroelektrik untuk memantau objek dalam ruangan". Ulasan Instrumen Ilmiah . 74 (12): 5267–5273. doi : 10.1063 / 1.1626005 Gautschi, Gustav, 2002, Piezoelectric Sensorics , Springer, ISBN 3-540-42259-5 Web: https://en.wikipedia.org/wiki/Pyroelectricity https://en.wikipedia.org/wiki/Passive_infrared_sensor Kristanto, philip. 2018. Alat Ukur Dan Teknik Pengukuran. Yogyakarta : ANDI https://automationforum.in/t/difference-between-bonded-and-unbonded-strain-gauge/4091 https://tacunasystems.com/knowledge-base/force-measurement-tips/comparing-straingauges-to-piezoelectric-sensors/ https://tacunasystems.com/knowledge-base/load-cell-tips/the-essential-guide-to-load-cells/ http://seputarduniaelektro.blogspot.com/2016/12/makalah-sensor-strain-gauge.html http://instrumentationandcontrollers.blogspot.com/2010/09/strain-gauge-load-cell.html https://elektrokontrolblog.wordpress.com/2016/01/29/lvdt-linear-variable-differentialtransformer/ http://badjaabadisentosa.com/news/tentang-turbine-flowmeterhttp://badjaabadisentosa.com/news/tentang-turbine-flow-meter 40 41 42
