Bahan Ajar BAB II. Teori umum alat ukur analog Tatap muka : Minggu 3, Minggu 4, Minggu 5 1
MINGGU 3,4 & 5 TEORI UMUM ALAT UKUR ANALOG Prinsip dasar pengukuran. Pengukuran menunjukkan kuantitas besaran yang menghasilkan perbandingan besaran tersebut dengan suatu standard. Tiga besaran listrik dasar yang diukur adalah : ARUS LISTRIK, TEGANGAN LISTRIK dan DAYA LISTRIK. Pengukuran besaran ini dapat digunakan untuk mengukur besaran lain. Alat ukur, kriteria berdasarkan fungsinya. Indicating instruments, perangkat ini menunjukkan kuantitas besaran seuatu yang diukur dinyatakan dalam simpangan jarum pada skala, mis. Amperemeter, voltmeter. Recording instruments, perangkat yang merekam kuantitas besaran sebagai fungsi waktu, atau fungsi tempat, mis. Rekaman suhu, rekaman getaran. Integrating instruments, perangkat yang merekam kuantitas total beberapa besaran yang terintegrasi sebagai fungsi waktu, mis. Energimeter. Alat pengukur arus listrik analog, terdiri dari Deflecting system, bagian yang bergerak atau berputar yang menunjukkan adanya suatu kuantitas, dapat berupa jarum penunjuk/pointer. Controlling System,bagian pengontrol, yang mengimbangi gerakan atau putaran dari bagian yang bergerak, dapat berupa pegas atau pir. Damping System,bagian yang meredam gerakan pada sistem yang berputar supaya dapat dengan tepat menunjukkan besaran yang diukur, sehingga tidak terjadi osilasi pada jarum (pointer). Prinsip pengukuran yang digunakan pada alat ukur, Magnetic effect, arus listrik yang dilewatkan kumparan kawat, akan berputar bila kumparan diletakkan pada medan magnet, contoh amperemeter. 2
Electrostatic effect, dua buah keping konduktor yang bermuatan menimbulkan gaya tarik atau gaya tolak, sehingga keping tersebut bergerak. Induction effect, logam non magnetik yang diletakkan pada medan elektromagnetik, menimbulkan arus eddy pada konduktor tersebut, sehingga timbul medan megnet yang berlawanan arah dengan medan megnetik yang mempengaruhi, logam akan bergerak. Controlling System berfungsi untuk mengimbangi defelcting system, agar bagian yang berputar atau bergerak tidak berputar terus, fungsi controlling system adalah: Mengimbangi gaya atau momen putar yang dihasilkan oleh deflecting system sedemikian sehingga jarum atau pointer dari deflecting system berhenti dan menunjukkan suatu harga tertentu, dapat dihitung dari persamaan gaya. Mengembalikan jarum atau pointer ke posisi nol bila tidak ada gaya atau momen putar yang menggerakkan jarum, berarti kuantitas yang diukur sama dengan nol. B I Gambar 2. Gaya Lorentz, kumparan arus pada medan magnet. Besaran listrik yang sangat perlu diukur adalah ARUS LISTRIK dan TEGANGAN LISTRIK. Alat ukur arus listrik disebut Amperemeter dan alat ukur tegangan listrik disebut Voltmeter. Kedua alat ini menggunakan prinsip GAYA LORENTZ, yaitu bila suatu kumparan kawat yang dilewati arus listrik diletakkan pada MEDAN MAGNET, maka kumparan tersebut akan menderita gaya. 3
0 50 100 U S + _ Gambar 3. Meter arus menggunakan kumparan. Amperemeter menggunakan lilitan kawat yang digantung pada sumbunya dan dipasang pegas. Kumparan diletakkan pada medan magnet yang berbentuk radial. Bila arus listrik I melawati kumparan maka kumparan akan berputar, momen gaya ini diimbangi oleh pegas sehingga pada posisi seimbang jarum akan berhenti. NBA I = kө Dari persamaan, = Diperoleh, = ditulis, = dengan : B kuat medan magnet, N jumlah lilitan, A luas kumparan dan θ adalah simpangan jarum, S disebut kepekaan meter. Harga S harus dibuat sekecil-kecil nya supaya arus yang kecil memberikan simpangan yang besar. Harga arus I,berbanding lurus dengan simpangan jarum θ. Harga simpangan terbesar disebut simpangan skala penuh, atau full scale deflection (fsd). Meter semacam ini disebut juga dengan Galvamometer, atau PMMC (Permanent Magnet Moving Coil) Keuntungan, PMMC a. Skala linear. b. Dapat mengukur arus yang kecil jika magnet B besar. 4
c. Kepekaan/ sensitivitas tinggi. d. Arus eddy pada inti besi yang digunakan pada kumparan arus berfungsi juga sebagai peredam (damping). e. Memerlukan power yang kecil. f. Akurasi tinggi. g. Tidak ada efek hysterisis. h. Daerah ukur dapat dirubah dengan mudah. i. Tidak ada pengaruh medan magnet luar atau medan magnet stray Kerugian, PMMC a. Hanya cocok untuk pengukuran arus searah. b. Karena umur, magnet tetap B dapat berubah. c. Biaya pembuatan termasuk mahal, karena harus presisi. d. Adanya gesekan pada penggantung kumparan. PMMC dengan taut band Pegas pada PMMC sebagai bagian pengontrol dapat diganti dengan pita logam tipis, yang berfungsi sebagai penggantung kumparan juga berfungsi sebagai pegas. Meter dengan taut band dapat digunakan pada posisi sembarang, sedang PMMC dengan pegas sebaiknya digunakan pada posisi vertikal. Kepekaan meter PMMC taut band lebih tinggi terhadap PMMC sistem pegas Meter taut band lebih tahan terhadap goncangan PMMC dengan taut band yang terbuat dari phosphor bronze untuk menggantung koil arus. Pada pita ini dipasang cermin untuk digunakan sebagai pemantul jarum cahaya yang mengenai sistem skala. Amperemeter ini sangat peka, biasanya digunakan untuk mengukur arus dalam orde mikro ampere atau lebih kecil 5
Gambar 3. PMMC dengan taut band, pengganti pegas spiral. Pengaruh suhu pada PMMC. Medan magnet berkuarng bila suhu naik, tegangan pada pegas juga berkuarng bila suhu naik, hambatan pada kumparan arus akan bertambah bila suhu naik. Penunjukkan jarum akan turun bila suhu naik, secara empirik diketahui penunjukkan arus turun 0,2 % setiap kenaikan suhu satu derajat. Kompensasi suhu diperlukan dengan menambah hambatan yang terdiri dari tembaga dan manganin yang dipasang seri dengan kumparan arus, hambatan ini disebut dengan swamping resistance. Secara keseluruhan hambatan swamping resistance dan hambatan kumparan arus menjadi konstan terhadap suhu. Elektrodynamometer. Permanent magnet diganti dengan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan arus tetap. Arus listrik melalui kumparan arus tetap dan melalui kumparan arus yang bergerak (moving coil) 6
Timbul medan magnet disekitar current coil, menyebabkan moving coil berputar bila dilewati arus listrik. Gambar 4. Elektrodynamometer Amperemeter menggunakan elektrodynamometer. Bila arus yang melalui current coil dipasang secara seri dengan yang melewati moving coil, maka elektrodynamometer menjadi amperemeter. Gambar 5. Elektrodynamometer sebagai amperemeter. 7
Elektrodynamometer, sketsa alat Fixed coil : dibuat dengan inti udara (air cored ). Kumparan ini menghasilkan medan magnet disekitar pusatnya. Untuk penggunaan sebagai voltmeter, kumparan ini dibuat banyak lilitan dengan kawat yang kecil, sedangkan untuk amperemeter lilitan dibuat dengan kawat yang besar. Kumparan ini diikat pada keramik. Moving coil dibuat dengan kumparan kawat lembut dan dibuat ringan, inti udara. Gambar 7. Elektrodynamometer, sebagai amperemeter. Elektrodynamometer sebagai amperemeter, voltmeter dan wattmeter. Amperemeter Fixed coil terpasang seri dengan moving coil, terhubung ke beban. Voltmeter Moving coil dipasang seri dengan hambatan tinggi, dan dihubungkan sebagai beban. Wattmeter Arus yang melewati fixed coil menyatakan besar arus yang melewati beban, arus yang melewati moving coil mewakili tegangan pada beban Perhitungan moment putar, elektrodynamometer Diandaikan a. I1 adalah arus yang melalui fixed coil b. I2 adalah arus yang melalui moving coil c. L1 adalah induksi diri dari fixed coil 8
d. L2 adalah induksi diri dari moving coil e. M adalah induktansi timbal balik antara kedua koil. Persamaan momen putar dihitung dengan menghitung dahulu fluks magnetik pada tiap-tiap kumparan kemudian menghitung energi masukan energi keluaran dan energi yang tersimpan sistem kumparan, Gambar 8. Elektrodynamometer sebagai amperemeter, voltmeter dan wattmeter Fluks magnetik dan ggl pada masing-masing kumparan : Fluks Ggl 9
Masukan energi listrik, = + = + = + + + = + + + + + + + Energi yang tersimpan dalammedan magnet pad L 1, L 2 dan M adalah, = + + Perubahan energi yang tersimpan terhadap waktu, =[ + + ] = + + + + + + Menurut hukum kekekalan energi, Energi masukan = energi tersimpan + energi mekanik Energi mekanik = energi masukan energi tersimpan Jadi, energi mekanik = + + Karena harga L konstant, maka energi mekanik = Bila T i adalah momen simpangan sesaat dan dθ adalah perubahan sudut simpangan, maka berarti energi mekanik sama dengan usaha mekanik yang dilakukan, sehingga ditulis, Untuk arus searah dituliskan arus sebagai I 1 dan I 2 = = = = Jadi simpangan jarum sebanding dengan hasil kali arus listrik dan perubahan induksi timbal balik dari kedua kumparan L. Untuk penggunaan dengan aru bolak-balik, maka harga momen merupakan harga integral dari arus listrik selama satu periode, sehingga dituliskan, 10
Bila arus yang melalui kumparan ditulis, = 1 = 1 = sin dan = sin = 1 sin. sin = cos Harga tersebut sama dengan konstanta pegas dikalikan sudut simpangan, jadi cos = maka = cos Simpangan jarum tergantung pada hasil kali kedua arus dikalikan power factor dan perubahan induksi timbal balik dari kedua kumparan. Keuntungan dari instrumen elektrodynamometer, 1. Tidak efek hysterisis karena kumparan mempunyai inti udara. 2. Mempunyai tingkat presisi yang tinggi. 3. Instrumen dapat digunakan untuk arus searah maupun arus bolak-balik. 4. Voltmeter dengan elektrodynamometer sangat teliti untuk pembacaan harga rms dari tegangan b0olak-balik. 5. Membutuhkan konsumsi daya kecil. 6. Ringan. Kerugian. 1. Instrumen ini mempunyai kepekaan rendah karena momen putar yang rendah. 2. Harga lebih mahal. 3. Instrumen ini peka terhadap overload dan peka terhadap goncangan mekanik. 4. Skala tidak linier. 5. Membutuhkan arus untuk operasional yaang tinggi untuk menimbulkan medan magnet yang kuat. 11