Sensor dan Tranduser

Telemetri dan Pengaturan Remote
Karakteristik Dasar Sensor
Ir. Jos Pramudijanto, M.Eng.
Jurusan Teknik Elektro FTI ITS
Telp. 5947302 Fax.5931237
Email: [email protected]
Tele & Remote - 02
1
Objektif:
Karakteristik Dasar
Spesifikasi Statis
Akurasi
Sensifitas
Resolusi
Hysterisis
Repeatability
Linieritas
Spesifikasi Dinamis
Tele & Remote - 02
2
Karakteristik Dasar
Karakteristik yang digunakan untuk mengetahui
performansi suatu sensor jika digunakan untuk
pengukuran.
Performansi suatu sensor dinyatakan dengan
Spesifikasi Statis dan
Spesifikasi Dinamis
Tele & Remote - 02
3
Spesifikasi Statik Sensor
Spesifikasi statik sensor menyatakan seberapa
baik korelasi antara input fisik dan output
listrik
Input fisik menyatakan besaran fisik yang
diukur; diantaranya, posisi, kecepatan, level,
flow, temperatur, tekanan, dll.
Output listrik menyatakan besaran variabel
listrik dapat berupa tegangan, arus, resistansi,
induktansi, dan kapasitansi.
Tele & Remote - 02
4
Spesifikasi Statik (1)
Akurasi digunakan untuk menentukan eror
maksimum yang diharapkan dari suatu sensor (dalam
% eror)
Bentuk :
Prosentase dari pembacaan skala maksimum (FS)
FS instrumen 5 Volt dengan akurasi + 0,5% Volt  rata-rata
ketakpastian pengukuran + 0,025 Volt
Prosentase dari span (maks – min)
Akurasi + 3% dari span tekanan dengan range 20 s/d 50 psi 
inakurasinya + 0,03(30 psi) = + 0,9 psi
Prosentase dari pembacaan aktual
Akurasi Voltmeter + 3%  inakurasinya + 0,06 Volt untuk
pembacaan 2 Volt
Tele & Remote - 02
5
Spesifikasi Statik (2)
Sensitifitas perubahan input yang kecil, sensor
dapat memberikan output (ditunjukkan oleh fungsi
alih dari sensor)
Fungsi alih dari sensor temperatur 5mV/0C  setiap
perubahan input sebesar 10C menyebabkan output berubah
sebesar 5mV.
Resolusi perubahan input terkecil yang
menyebabkan terjadinya perubahan pada output.
Tele & Remote - 02
6
Spesifikasi Statik (3)
Hysterisis sensor memberikan nilai output yang berbeda
untuk pengukuran variabel input dari rendah ke tinggi atau
dari tinggi ke rendah.
Kurva Tegangan Output Load Cell
Output (mV)
25
20
15
Output 1
10
Output 2
5
0
0
20
40
60
80
100
Beban (kg)
Tele & Remote - 02
7
Spesifikasi Statik (4)
Repeatability (Precision) digunakan untuk
mengukur seberapa baik sensor dapat memberikan
output yang sama terhadap suatu input yang
diberikan secara berulang-ulang.
max − min
repeatability =
×100%
full scale
Tele & Remote - 02
8
Akurasi versus Repeatability
No.
A
B
C
1
10,02
11,50
10,00
2
10,96
11,53
10,03
3
11,20
11,52
10,02
4
9,39
11,47
9,93
5
10,50
11,42
9,92
6
10,94
11,51
10,01
7
9,02
11,58
10,08
8
9,47
11,50
10,00
9
10,08
11,43
9,97
10
9,32
11,48
9,98
Minimum
Rata-rata
Maksimum
Tele & Remote - 02
9
Bias, Precision, and Total Error
Total Error
Bias Error
Precision
Error
X True
X
measured
Tele & Remote - 02
11
Types of Errors (1)
Perbedaan antara hasil pengukuran dan nilai
sebenarnya. Error biasanya dinyatakan dengan
prosentase skala penuh (%FSO). Rasio ini menunjukkan
keakurasian dari sebuah sensor.
Intrinsic, absolute, and relative error
Intrinsic Error adalah error yang memang sudah terdapat pada sensor;
Absolute Error adalah perbedaan antara nilai sebenarnya dibagi dengan nilai
yang diperoleh dari hasil pengukuran;
Relative Error adalah perbandingan antara error absolut dengan nilai
sebenarnya.
Tele & Remote - 02
12
Types of Errors (2)
Random error ini muncul jika dilakukan pengukuran secara
berulangkali untuk pengambilan data yang sama. Error ini
disebabkan oleh friksi, suara, tegangan statik dan sebab lain.
Sistematic and Sensor error
Sistematic Error biasanya konstan karena dipengaruhi oleh arus, effek zero
dan ketidak linieran;
Sensor Error adalah error yang didapatkan dari error yang terdapat pada
sensor.
Tele & Remote - 02
13
Spesifikasi Statik (5)
Linieritas pemetaan satu-satu antara input-output
sebagai fungsi linier. Secara umum ada tiga bentuk
penyajian linieritas:
Endpoint Linearity (linieritas awal-akhir);
Independent straight-line linearity (linieritas garis lurus);
Least-squares linearity (linieritas regresi).
Tele & Remote - 02
14
Gambar beberapa Bentuk Linieritas
Kurva Tegangan Load Cell
25
20
Output (mV)
15
Naik
Turun
EndPoint Lin.
Least SQR
10
5
0
0
20
40
60
80
100
-5
Beban (kg)
Tele & Remote - 02
15
Least-square Linearity
Least-squares linearity (linieritas regresi) secara
umum dapat dituliskan sebagai berikut:
y = mx + b
di mana :
nΣ( xy ) − ΣxΣy
m=
nΣ( x 2 ) − (Σx) 2
Σy
Σx
b=
−m
n
n
y = output
x = input
m = kemiringan (slope)
b = konstanta (intercept)
n = jumlah data pengamatan
Tele & Remote - 02
16
Contoh: Least-square Linearity
Contoh:
Suatu sensor tekanan mengubah tekanan
dalam range 0 – 450 psi ke dalam
tegangan 0 – 8 Volt DC.
Dapatkan persamaan linier dari
tegangan terhadap tekanan.
Tele & Remote - 02
No.
psi
Volt
1
0,0
0
2
50,2
0,6
3
99,9
1,8
4
150,1
3
5
200,1
3,5
6
250,1
4,8
7
299,8
6
8
350,1
6,4
9
401,0
7,5
17
Spesifikasi Dinamis
Spesifikasi yang menyatakan seberapa cepat
perubahan output (respon) yang terjadi
terhadap perubahan input.
Respon bergantung pada:
tipe input
kondisi awal (initial conditions)
karakteristik sistem
Tele & Remote - 02
18
Respon Sensor
Pengukuran respon sensor terhadap pemberian input :
step, ramp, dan impuls
Respon transien: rise time, delay time, time constant, %
overshoot, settling time
Respon dari steady state sampai tak hingga: percent error
steady state
sinus
frequency response, high-frequency cutoff
Tele & Remote - 02
19
Type of Input
x0
Time, t
X =0 t<0
X = X0 t > 0
Impulse
slope = a
Time, t
X =0
X = at
t<0
t>0
Tele & Remote - 02
Input, x(t)
Ramp
Input, x(t)
Input, x(t)
Step
t0
Time, t
δ (t − t0 ) = 0 t ≠ t 0
δ (t − t0 ) = ∞ t = t 0
20
Transfer Function
dy
a1
+ a0 y (t ) = b0 x(t )
dt
Y ( s )(τ s + 1) = KX ( s )
⇒
dy
τ
+ y = Kx (t )
dt
τ = a1 a
K=
Y (s)
K
TF =
=
X (s) 1 + τ s
Tele & Remote - 02
b0
→ time constant
0
a0
→ static gain
(sensitivity)
21
Process Element Characteristic (1)
Gain
Perubahan input menyebabkan perubahan output
secara cepat.
Sensor temperatur mempunyai gain dalam unit
(besaran) yang tetap, jika:


temperatur 10oC tegangan output 20 mVolt
temperatur 20oC tegangan output 40 mVolt
mVolt
TF = o
C
Tele & Remote - 02
22
Process Element Characteristic (2)
Integral
Laju perubahan output bergantung secara
v
langsung pada inputnya
i
dvo
= Kvi ⇒ v 0 (t ) = K ∫ vi dt
dt
A
t
vo
t0
∞
0
t0
v 0 (t ) = K ∫ A dt + K ∫ 0 dt
KAt0
t0
Tele & Remote - 02
t
23
Process Element Characteristic (3)
First-order
Self-regulating, jika diberikan input step maka
outputnya akan muncul secara eksponensial hingga
kestabilan (level) yang baru tercapai
fi
h
input
C
R
fo
Tele & Remote - 02
K
1+τ s
output
τ = RC
24
Response of a first-order systems to Step and
Ramp input
input
fi
t
output
0.632
K x fi
1τ 2τ 3τ 4τ 5τ
t
y(t) = Kτ e −
Tele & Remote - 02
t
τ
transient
+ K( t − τ )
steady
state
25
Process Element Characteristic (4)
Dead tim e
Perubahan pada input tidak menyebabkan perubahan output
hingga waktu delay (dead) terlampaui
Biasanya merupakan delay transportasi (ada jarak yang harus
dilampaui).
Proses di industri banyak berupa dead time dan first-order. Jika
diberikan input step pada proses maka output berubah setelah
waktu delay terlampaui lalu muncul secara eksponensial.
Tele & Remote - 02
26
Process Element Characteristic (5)
Second-order
ω n2
Y (s)
= 2
X (s)
s + 2ζω n s + ω n2

ω n : natural frequency
ζ : damping ratio
dua akar karakteristik
real berbeda
 real sama
 kompleks konjugat

s = −ζω n ± ω n ζ 2 − 1
(ζ > 1) ⇒ overdamped
(ζ = 1) ⇒ critically damped
(0 < ζ < 1) ⇒ underdamped
Tele & Remote - 02
27
Specifications of the Transient Response
Rise time
Time to pass from 10% to 90% of final
value
Settling time
Time to reach the final value
Delay time
Time to reach 50% of final value
Peak time
Time required for the response to reach
the first peak of the overshoot
Maximum overshoot
Max percent overshoot
=
y (t p ) − y (∞)
y (∞ )
× 100%
Tele & Remote - 02
28