fungsi & jenis sensor tranducer

A. Transducer temperatur

Terdapat dua kategori transducer temperatur semikonduktor, yaitu transducer yang menghasilkan tegangan tertentu sesuai dengan perubahan suhu dan transducer yang menghasilkan arus tertentu. sesuai dengan perubahan suhu.

Contoh sumber tegangan yang sensitif terhadap suhu adalah IC LM 35 produk dari Nasional. Rangkaian  ditunjukkan pada gambar 2.15.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Tegangan yang dihasilkan oleh LM 35 pada berbagai suhu adalah sebagai berikut:

+1500 mV pada suhu 150^o C,

+2500 mV pada suhu 25⁰C, dan

-550 mV pada suhu -55⁰ C

R₁ =

Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/ ⁰C. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, transducer mampu bekerja pada rentang suhu -55⁰ C sampai 150⁰ C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 volt pada suhu 0⁰ C dan ketelitian dari transducer ini adalah ± 1⁰ C.

B. Transducer Gaya, Beban, dan Torsi

Strain gage adalah salah satu transducer yang banyak dipakai untuk mendeteksi dan mengukur gaya, beban, torsi, dan tegangan. Prinsip kerjanya adalah mengubah gaya mekanik menjadi besaran resistansi yang sebanding.

Piranti ini dibuat dari kawat tahanan tipis berdiameter sekitar 1 mm. Kawat tahanan yang biasa digunakan adalah campuran dari bahan "konstantan" (60% Cu dan 40% Ni) atau logam campuran "479" terdiri dari 92% Pt dan 8% Wo.

Kawat tahanan ini dilekatkan pada papan penyangga membentuk strain gage dengan kawat berliku-liku atau bengkok-bengkok yang dikenal dengan bonded strain gage.

Bentuk kawat yang berliku-liku dimaksudkan untuk memudahkan pendeteksian terhadap gaya tekanan yang tegak lurus dengan arah panjang lipatan, karena, tekanan akan menarik kabel sehingga meregang. Hal ini menyebabkan perubahan resistansi pada kawat.

Selain bonded strain gage juga terdapat tipe yang lain yaitu unhonded strain gage, yaitu strain gage yang dibentuk oleh kawat yang dilekatkan pada sebuah rangka terpola agar terbentuk strain gage dengan kawat tahanan yang terpasang lurus dan simetris. Jika papan atau rangka mendapat tekanan dari luar, maka resistansinya akan bertambah sebesar DR dan panjangnya berubah sebesar DL.

Karakteristik sebuah strain gage ditentukan oleh sensitivitas (S) atau gage factor (GF). Sensitivitas didefinisikan sebagai perbandingan antara perubahan nilai tahanan dan perubahan panjang, ditentukan dengan rumus berikut:

S = GF =

Keterangan

S          = GF = sensitivitas atau gagefactor

R         = resistansi kawat (awal)

DR       = perubahan nilai resistansi kawat

L          = panjang kawat (awal)

DL       = perubahan panjang kawat.

Perubahan panjang kawat (DL/L) adalah regangan pada kawat tahanan atau dikenal dengan s (sigma), sehingga persarnaan di atas menjadi:

S =

Perubahan nilai resistansi R dari kawat tahanan yang panjangnya L dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

R = r

Nilai resistansi dari kawat tahanan setelah mengalami tekanan luar yang menyebabkan pertambahan panjang (DL) dan berkurangnya diameter (Dd) adalah:

R₁ =

Persamaan di atas dapat disederhanakan berdasarkan ratio dari Poison (m) yang didefinisikan sebagai perbandingan antara pengurangan diameter dan pertambahan panjang, yaitu:

m =

Substitusi dari kedua persarnaan di atas, adalah:

R_s =

disederhanakan menjadi:

R_s = R + DR  = R [1+(1+2m)DL/L]

Perbandingan pertambahan nilai resistansi DR dengan pertambahan panjang L tersebut adalah merupakan sensitivitas atau gage factor, yaitu:

S = = 1 +2m

Besarnya ratio (Poisons ratio) bahan logam, umumnya berkisar antara 0,25 - 0,35, sedangkan sensitivitas (s) atau gage factor berkisar antara 1,50-1,70. Kawat tahanan konstantan mempunyai sensitivitas = 2, sedangkan logam campuran "Alloy 479" sensitivitasnya adalah 4.

Strain gage dari bahan semikonduktor silikon dan germanium memiliki sensitivitas yang jauh lebih tinggi, yaitu antara 50 hingga 200. Kelemahan strain gage ini dalam pemakaiannya harus dilengkapi dengan kompensator suhu.

Berdasarkan konstruksi fisik, strain gage dikelompokkan ke dalam beberapa tipe. Tipe-tipe tersebut antara lain: tipe bentangan kawat lurus (unbonded strain gage) dan kawat yang dibengkok (honded strain gage), dua elemen, tiga elemen, bentuk star atau delta, ditunjukkan pada gambar berikut:

C. Transducer Perubahan Posisi

Jenis transducer yang banyak digunakan untuk mendeteksi perubahaan posisi adalah Linear Paralel Differential Transformer (LVDT). Transducer ini bekerja berdasarkan prinsip kerja transformator.

LVDT terdiri dari sebuah kumparan primer (P) dan dua buah kumparan sekunder (S₁ dan S₂), Perhatikan gambar 2.17.

Bila tegangan AC mengalir pada kumparan primer (P), maka akan muncul tegangan induksi di kedua kumparan sekunder (S₁ dan S₂). Dalam rangkaian, kumparan sekunder dihubungkan secara seri berlawanan fase sehingga tegangan pada kedua kumparan saling berlawanan fase.

Pada posisi normal, inti feromagnetik berada di tengah-tengah antara dua kumparan sekunder. Pada posisi ini tegangan emf di kedua kumparan sekunder (S₁ dan S₂). sama tetapi berkebalikan antara satu dengan yang lain.

Dengan demikian, jumlah tegangan keluarannya sama dengan 0 volt, posisi ini disebut sebagai null position.

Polaritas tegangan keluaran yang dihasilkan LVDT ditentukan oleh arah gerakan inti. Sebagai contoh, bila inti pada gambar rangkaian 2.17 bergerak ke bawah, kumparan S₂, besar tegangan induksi lebih besar daripada S₁,. Besar tegangan induksi ditentukan oleh seberapa jauh inti bergerak. Langkah perubahan posisi ini pada umuumnya antara 0,1 mm sampai dengan 75 mm.

Untuk mengubah tegangan keluaran S₁ dan S₂ pada gambar 2.17 menjadi tegangan DC, gambar rangkaiannya ditunjukkan dengan gambar 2.18.

D. Transducer Tekanan

Transducer tekanan digunakan untuk mengukur dan mengendalikan tekanan, seperti tekanan cairan atau gas. Untuk mengubah tekanan menjadi perubahan posisi diperlukan sebuah kantong atau diapragma, ditunjukkan pada gambar 2.20.

Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti kumparan sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada kumparan. Kumparan yang digunakan adalah kumparan CT (Center Tap), dengan demikian apabila inti mengalami pergeseran maka induktansi pada salah satu kumparan bertambah sementara induktansi pada kumparan yang lain berkurang. Signal Converter mengubah induktansi magnetik yang timbul pada kumparan menjadi tegangan yang sebanding.

Salah satu pemanfaatan dari penerapan transducer ini adalah untuk mengukur tinggi suatu cairan. Piranti ini digunakan untuk mengukur baik tekanan statis ataupun perbedaan tekanan.

Untuk mengukur tekanan statis atau tinggi suatu cairan dapat ditentukan menggunakan rumus sebagai berikut:

P= d. g. h

Keterangan:

P = tekanan statis (pascal)

d = kepadatan cairan (kg/m³)

g = konstanta gravitasi (9,81 m/s²)

h = tinggi cairan (m)

E. Transducer Kapasitif

Kapasitas sebuah kapasitor dapat ditentukan oleh perubahan jarak antara konduktor, tipe dielektrik atau luas penampang konduktor. Sebuah transducer kapasitif adalah variabel kapasitor yang kapasitansinya berubah karena kondisi fisik misalnya tinggi cairan, jenis cairan kimia, tekanan, dan ketebalan atau vibrasi.

Hubungannya dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut.

C =

Keterangan:

A         = luas penampang konduktor (m²)

d          = jarak antarkonduktor (m)

e₀         = permitivitas ruang hampa (8,85 x 10^-2 F/m)

k          = konstanta. dielektrikurn

Perubahan salah satu dari 3 faktor tersebut menghasilkan perubahan kapasitansi. Gambar 2.22. menunjukkan sensor kapasitif di mana kapasitansi sebanding dengan jarak antara alat diafragma dengan plat statis sebagai akibat tekanan eksternal. Perubahan kapasitansi dapat diukur dengan sebuah rangkaian jembatan atau rangkaian oscilator.

Bila digunakan pada rangkaian osilator, perubahan kapasitas menghasilkan perabahan frekuensi oscilator sebanding dengan perubahan tekanan pada alat diafragma.

F. Transducer Kelembaban

Lembap berarti kondisi yang terdiri dari udara dan uap air. Tingkat kelembapan ditentukan oleh perbandingan antara persentase uap air di udara.

Hygrometer adalah transducer yang menghasilkan sinyal keluaran berdasarkan pada tingkat kelembapan.

Transducer kelembapan umumnya diklasifikasikan sebagai hygrometer atau psychrometer. Tiga tipe hygrometer yang banyak dipakai adalah

·         tipe rambut,

·         resistif dan

·         optik.

Hygrometer optik mengukur berdasarkan berkurangnya intensitas sinar di atmosfer pada suatu waktu. tertentu. Gambar 2.24. menunjukkan sebuah contoh hygrometer resistif, terdiri dari elektroda logam yang terbungkus bahan plastik dan ditutup dengan lithium chloride yang sensitif terhadap kelembapan.

Bila kelembapan udara di sekitar hygrometer bertambah, film lithium chloride menyerap air lebih banyak menyebabkan resistansi elektrode berkurang. Pada kelembapan relatif 10%, resistansi turun menjadi sekitar 75 W.

Beberapa proses industri memerlukan tingkat kelembapan udara yang terkendali. Contoh seperti pada ruang pengeringan, ruang penyimpanan atau ruang proses. Bila kelembapan udara mencapal 100%, untuk mengurangi prosentase kelembapan dilakukan dengan cara mcnaikkan suhu ruangan. Sebaliknya bila persentase kelembapan terlalu rendah, dapat dinaikkan dengan cara menurunkan suhu ruangan.

Jenis sensor kelembapan yang lain adalah psychrometer, yaitu piranti yang menggunakan dua buah sensor suhu dan dua buah "bulb", ditampilkan pada gambar 2.25.

Prinsip kerjanya berdasarkan perbedaan pembacaan suhu pada kedua sensor. Tegangan keluaran bervariasi sesuai dengan perbedaan suhu antara dry bulb (tabung kering) dan wet bulb (tabung basah).

G. Transducer Elektromagnet

Piranti sensor Hall Effect (Efek Hall) menghasilkan tegangan keluaran yang ditimbulkan karena medan magnet. Sensor Hall Effect pertama kali ditemukan pada th. 1879 oleh Edward H. Hall.

Prinsip kerja sensor Hall Effect adalah sebagai berikut. Bila sebuah magnet diletakkan tegak lurus terhadap sepasang keping konduktor, maka tegangan akan muncul pada sisi yang berlawanan dengan konduktor. Tegangan yang muncul ini disebut tegangan Hall. Besar tegangan Hall sebanding dengan arus dan kuat medan magnet. Dengan dernikian Efek Hall dapat digunakan untuk mengukur kuat medan magnet.

Transducer Efek Hall menggunakan sebuah keping semikonduktor, ditunjukkan pada gambar 2.26. Bila arus mengalir melalui bahan semi konduktor, tegangan emf ialah dihasilkan di antara sisi yang lain pada keping sernikonduktor tersebut

Kernudian jika terdapat hubungan magnet melalui keping sernikonduktor, akan dihasilkan tegangan yang sebanding dengan besar arus dan kuat medan magnet. Bila arah medan magnet melewati bahan semikonduktor pada sisi kanan semikonduktor menyebabkan elektron bergerak menyebar ke pusat keping. Perubahan gerak elektron menimbulkan tegangan Hall, umumnya sebesar 10 milivolt.

Penerapan sensor Efek hall di industri biasanya digunakan untuk mengukur kecepatan putar objek yang bcrgerak misalnya 'conveyor belt'. (Gambar 2.27). Permanen magnet dipasang pada bagian yang berputar sedangkan keping semikonduktor dipasang pada stator.

Setiap kali medan magnet melewati sensor, dihasilkan pulsa pada keluaran keping semikonduktor yang dihubungkan ke sebuah counter yang menghitung berapa kecepatan putar conveyor belt tersebut.

Transducer Photo

Piranti photolistrik digunakan untuk menghitung, mengukur dan fungsi pengendali lain, yang banyak diterapkan pada proses industri. Piranti photolistrik ini dikategorikan pada dua golongan, yaitu piranti yang memancarkan sinar dan piranti yang menerima sinar.

Contoh yang memancarkan sinar seperti LED (Light Emitting Devices) dan yang menerima sinar seperti photovoltaic cell.

1. Transducer Photovoltaic (Solar Cell Photocell)

Transducerphotovoltaic menghasilkan tegangan keluaran yang besarnya sebanding dengan intensitas cahaya. Sebuah sell photovoltaic atau photocell, akan menghasilkan emf (tegangan) bila mendapat sinar. Bahan pembuatan photovoltaik adalah silicon, cadmium sullphide, gallium arsenide, dan selenium.

Photocell dari bahan silikon mempunyai bentuk yang sangat kecil tetapi mempunyai kepekaan yang sangat tinggi. Prinsip photocell sama seperti piranti semikonduktor lainnya, bila pasangan lubang elektron terbentuk maka akan mengalir arus elektron melalui pertemuan pn.

Depletion Layer adalah pertemuan antara substrat tipe P dan substrat tipe N. Bila cahaya jatuh pada photocell; depletion layer akan berkurang dan elektron berpindah melalui hubungan "pn". Besarnya arus yang mengalir sebanding dengan perpindahan elektron yang ditentukan intensitas cahayanya.

Intensitas sinar diukur dalam foot-candle yang berubah secara logaritmik. Contoh: tegangan yang dihasilkan photocell pada intensitas cahaya sebesar 10 foot candles sebesar 0, 1 volt, dan pada intensitas cahaya 100 foot candles tegangan keluarannya ± 0,2 V Karena tegangan keluaran photocell kecil maka perlu dikuatkan dengan penguat tegangan. Gambar 2.29. menunjukkan rangkaian dasar penguatan tegangan.