SENSOR DAN TRANDUSER PENGANTAR Pada sistem pengaturan loop tertutup, terkadang bentuk energi dari sinyal keluaran plant tidak sama dengan bentuk energi dari sinyal masukan sehingga tidak dapat dibandingkan, oleh karena itu diperlukan sensor atau tranduser untuk mengubah bentuk energi sinyal keluaran menjadi sama dengan bentuk energi sinyal masukan acuan. Pada bagian ini akan dijelaskan tentang sensor dan tranduser termasuk fungsinya dalam sistem pengaturan dan klasifikasi tranduser dan sensor berdasarkan bentuk energi sinyal terukur. SENSOR DAN TRANDUSER Tranduser merupakan perangkat fisik yang digunakan untuk mentransformasikan suatu sinyal dari bentuk energi yang satu menjadi bentuk energi yang lain atau dari besaran fisik yang satu menjadi besaran fisik yang lain. Pada umumnya keluaran tranduser adalah sinyal listrik yang dapat berupa arus, tegangan, resistansi, kapasitansi atau frekuensi. Pada dasarnya sensor juga merupakan tranduser. Yang membedakan antara sensor dengan trnduser adalah aplikasi dan penggunaannya. Tranduser merupakan salah satu komponen dalam sistem pengaturan khususnya sistem pengaturan loop tertutup. Letak tranduser atau sensor dalam sistem pengaturan dapat dilihat pada blok diagram sistem pengaturan loop tertutup berikut ini : R(s) E(s) Σ Kontroler Plant - Aktuator C(s) Pada sistem pengaturan loop tertutup, sensor atau tranduser mengubah bentuk energi sinyal keluaran dari plant menjadi sama dengan bentuk energi sinyal masukan acuan (setpoin). C*(s) Sensor / Tranduser
Respon tranduser atau sensor terhadap sinyal masukan bisa berupa sistem orde pertama atau orde kedua. Pada umumnya tranduser atau sensor merupakan sistem orde pertama, maka hubungan antara masukan dan keluaran tranduser dalam domain s dapat dinyatakan dalam fungsi alih sebagai berikut : * C ( s) = C K s () s τ 1 t Dimana C * (s) dan C(s) masing masing adalah masukan dan keluaran tranduser, K adalah gain dan τ t adalah konstanta waktu tranduser atau sensor. Jika konstanta waktu tranduser lebih cepat daripada konstanta waktu plant, dalam hal ini τ t << τ maka konstanta waktu tranduser bisa diabaikan sehingga fungsi alih tranduser merupakan gain proporsional yaitu * C ( s) C () s = K Contoh : tachogenerator (tranduser kecepatan) Pada umumnya tranduser atau sensor temperatur memiliki konstanta waktu yang sangat lambat. Performansi dari suatu tranduser atau sensor dinyatakan dalam 2 spesifikasi yaitu spesifikasi teknis dan spesifikasi dinamik. Spesifikasi teknis menyatakan seberapa baik korelasi antara masukan dan keluaran tranduser atau sensor. Spesifikasi teknis terdiri dari : 1. Akurasi Akurasi digunakan untuk menentukan error maksimum yang diharapkan dari suatu tranduser atau sensor ( dalam % error) 2. Sensitifitas Sensitifitas menunjukkan kemampuan tranduser atau sensor dapat memberikan keluaran terhadap perubahan masukan yang kecil. 3. Resolusi Resolusi menyatakan perubahab masukan terkecil yang menyebabkab perubahan pada keluaran tranduser atau sensor 4. Hysterisis
Hysterisis menunjukkan nilai keluaran yang berbeda terhadap pengukuran nilai variabel masukan dari rendah ke tinggi dan dari tinggi ke rendah. 5. Repeatability Repeatability menyatakan seberapa baik tranduser atau sensor memberikan keluaran yang sama terhadap suatu masukan yang diberikan secara berulang-ulang. Spesifikasi dinamik menyatakan seberapa cepat perubahan keluaran yang terjadi terhadap perubahan masukan. Spesifikasi dinamik terdiri dari : 1. Rise time 2. Time konstan 3. Dead time 4. Respon frekuensi 5. Parameter orde kedua seperti rasio peredaman, frekuensi natural, settling time, dan maksimum overshoot. Berdasarkan bentuk energi atau besaran dari sinyal masukan, tranduser atau sensor dalam sistem pengaturan pada umumnya dapat diklasifikasikan menjadi : 1. Tranduser atau sensor mekanik. Termasuk sensor perpindahan, lokasi atau posisi, sensor level, dan sensor gerakan (kecepatan).. Tranduser mekanik banyak digunakan pada sistem servomekanik 2. Tranduser atau sensor temperatur Tranduser atau sensor temperatur banyak digunakan pada sistem pengaturan proses. Contoh sensor perpindahan, lokasi atau posisi : 1. Potensiometer linier Potensiometer linier mengubah gerakan linier ke dalam suatu resistansi variabel yang bisa diubah langsung ke sinyal tegangan dan/atau arus. R1 Rt V out V in
Besarnya keluaran potensiometer linier adalah : R1 V out =. V R T in 2. Potensiometer rotary Potensiometer rotary mengubah gerakan anguler ke dalam suatu resistansi variabel yang bisa diubah langsung ke sinyal tegangan dan/atau arus. 0 V in Besarnya keluaran potensiometer linier adalah : θ V =. 360 out V 0 in Vout Penggunaan potensiometer rotary pada sistem pengaturan posisi motor DC dapat anda lihat seperti diagram blok berikut ini : Motor DC e Amplifier DC ea M Beban θ r Input referensi E θ l
Penggunaan potensiometer rotary pada sistem pengaturan posisi motor AC 2 fase dapat anda lihat seperti diagram blok berikut ini : e Amplifier DC ea Motor AC 2 phase Beban θ r Input referensi V(t) θ l 3. Sensor kapasitif Sensor kapasitif digunakan untuk mengubah perubahan kapasitansi menjadi sinyal arus atau tegangan. A Kapasitansi C d Kapasitansi C Operasi dasar dari sensor kapasitif dapat dilihat dari persamaan untuk suatu kapasitor plat paralel sebagai berikut : A C = K ε0 d dimana K adalah konstanta dielekrik, ε 0 adalah permitivitas = 8,85 pf/m, A adalah luas penampang plat, dan d adalah jarak antar-plat 4. Sensor induktif Jika sebuah inti (core) permeable dimasukkan ke dalam suatu induktor seperti tampak pada gambar, maka induktansi terkait akan naik. Tiap posisi baru dari inti menghasilkan
induktansi yang berbeda. Dalam kondisi ini, gabungan antara induktor dan movable core tersebut dapat digunakan sebagai sensor perpindahan. Contoh sensor level : 1. Pelampung Salah satu teknik yang paling umum untuk pengukuran level, terutama untuk cairan, adalah sebuah pelampung yang bisa naik turun sesuai perubahan level cairan. Pelampung ini dihubungkan oleh linkage (penghubung) ke sistem pengukuran perpindahan sekunder seperti potensiometer 2. Ultrasonik Penggunaan refleksi (pemantulan) ultrasonik untuk mengukur level disukai karena merupakan teknik yang noninvasive (tidak merusak), yaitu dengan tidak menempatkan apapun dalam material. Ada 2 teknik untuk mengukur level dengan menggunakan refleksi ultrasonik, yaitu : 1. teknik eksternal : untuk solid/liquid material 2. teknik internal : untuk liquid material
Teknik eksternal : Teknik internal : Contoh sensor kecepatan : 1. Tachometer Tachometer merupakan tranduser yang digunakan untuk mengubah sinyal kecepatan menjadi sinyal tegangan. Penggunaan tachometer pada sistem pengaturan kecepatan motor DC dapat anda lihat seperti diagram blok berikut ini : Motor DC e r e Kontroler Amplifier DC ea M Beban θ e t T Tachometer Contoh sensor temperatur : 1. Bimetal Bimetal merupakan sensor yang mengubah perubahan nilai temperatur menjadi energi mekanik.
Sensor bimetal terdiri dari dua metal berbeda dengan koefisien ekspansi termal (muai suhu) berbeda yang dilekatkan menjadi satu (bonded together). Koefisien ekspansi termal yang tidak sama pada dua metal tersebut akan mengakibatkan keping bimetal melengkung. Mercury Glass Bulb Switch Connection Base Bimetal Strip SetPoint Switch off Switch on Base Base Temperature Rendah Temperature Tinggi Jika temperatur menurun dibawah temperatur setpoin t 0, keping bimetal akan melengkung ke arah metal yang memiliki koefisien ekspansi termal lebih rendah (bawah). Sebaliknya, jika temperatur naik diatas temperatur setpoin t 0 keping bimetal akan melengkung ke arah metal yang memiliki koefisien ekspansi termal lebih tinggi (atas). 2. Resistance Temperatur Detektor (RTD) Resistance temperatur Detektor (RTD) merupakan tranduser yang mengubah perubahan nilai temperatur menjadi nilai resistansi pada suatu logam.
Hubungan antara temperatur dan resistansi dinyatakan oleh persamaan berikut : R (T) = R (T o ) [1α 1 ΔT α 2 (ΔT)²] dimana R(T) : resistansi pada temperatur T R(T 0 ) : resistansi pada temperatur T 0 T : temperatur terukur α 1, α 2 : konstanta kalibrasi tergantung material Jika perubahan temperaturnya kecil, dapat didekati dengan persamaa linier berikut : R (T) = R (T o ) [1α o ΔT] Tampak bahwa pada RTD semakin besar temperature semakin besar nilai resistansinya sehingga disebut sebagai Positive Temperature Coefficient (PTC) 3. Thermistor Thermistor merupakan tranduser yang mengubah perubahan nilai temperatur menjadi nilai resistansi pada suatu semikonduktor. Hubungan antara temperatur dan resistansi dinyatakan oleh persamaan berikut : R 1 1 β = T T0 0 e ( T ) R( T ) dimana R(T) : resistansi pada temperatur T T : temperatur terukur β : konstanta material Tampak bahwa pada thermistor semakin besar temperature semakin kecil nilai resistansinya sehingga disebut sebagai Negative Temperature Coefficient (NTC)
4. Termokopel Termokopel merupakan tranduser yang mengubah perubahan nilai temperatur menjadi emf (electromotive force). Berikut ini merupakan tipe-tipe termokopel beserta bahan dan range daerah kerjanya : Tipe Material a Range normal J Iron-constantan -190 o C s/d 760 o C T Copper-constantan -200 o C s/d 371 o C K Chromel-alumel -190 o C s/d 1260 o C E Chromel-constantan -100 o C s/d 1260 o C S 90% Platinum 10% rhodium-platinum 0 o C s/d 1482 o C R 87% platinum 13% rhodium-platinum 0 o C s/d 1482 o C RINGKASAN 1. Pada sistem pengaturan, sensor atau tranduser mengubah bentuk energi sinyal keluaran dari plant menjadi sama dengan bentuk energi sinyal masukan acuan. 2. Sensor mekanik banyak digunakan pada sistem servomekanik dan sensor temperatur banyak digunakan pada sistem pengaturan proses. LATIHAN 1. Beberapa peralatan modern menggunakan sebuah turntable untuk memutar sebuah disk pada kecepatan yang konstan, sebagai contoh CD player, disk drive komputer, dan
lain-lain. Berikut ini adalah diagram blok dari sistem pengaturan kecepatan untuk turntable. batere kecepatan putar Turntable - dc amplifier motor dc tachometer Bagian manakah yang berfungsi sebagai tranduser?