BAB 1 Pendahuluan

Sensor dan Tranduser

Pembuatan modul ini bertujuan untuk memberikan lebih banyak pengalaman kepada peserta Studi Independen dalam bidang Hardware Engineer. Modul ini juga dirancang untuk memberikan peserta Studi Independen dasar-dasar dalam menganalisis sebuah proses dan memilih solusi yang sesuai dalam pengaplikasiannya.

Berikut merupakan satuan dasar yang digunakan dalam pengukuran dengan system satuan SI. Yang dapat dilihat pada table berikut.

Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis. Ketepatan dan kesesuaian dalam memilih sebuah sensor akan sangat menentukan kinerja dari sistem pengaturan secara otomatis. 

Sensor adalah peralatan yang digunakan untuk mengubah besaran fisis tertentu menjadi besaran listrik equivalent yang siap untuk dikondisikan ke elemen berikutnya. Sensor dapat dianalogikan sebagai sepasang mata manusia yang bertugas membaca atau mendeteksi data/informasi yang ada di sekitar. D Sharon, dkk (1982), mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya. Contohnya antara lain yaitu, kamera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, dan lainnya.

Transduser berasal dari kata “traducere” dalam bahasa latin yang berarti mengubah sehingga tranduser dapat didefinisikan sebagai suatu piranti yang dapat mengubah suatu energy ke bentuk energy lain. Sedangkan William D.C, (1993), mengatakan “transduser adalah sebuah alat yang bila digerakkan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas). Contohnya saja yaitu generator adalah transduser yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya.

Transduser (Inggris: transducer) adalah sebuah alat yang mengubah satu bentuk daya menjadi bentuk daya lainnya untuk berbagai tujuan termasuk pengubahan ukuran atau informasi. Transduser bisa berupa peralatan listrik, elektronik, elektromekanik, elektromagnetik, fotonik, atau fotovoltaik. Dalam pengertian yang lebih luas, transduser kadang-kadang juga didefinisikan sebagai suatu peralatan yang mengubah suatu bentuk sinyal menjadi bentuk sinyal lainnya. Contoh yang umum adalah pengeras suara (audio speaker), yang mengubah beragam voltase listrik yang berupa musik atau pidato, menjadi vibrasi mekanis. Contoh lain adalah mikrofon, yang mengubah suara kita, bunyi, atau energi akustik menjadi sinyal atau energi listrik.

Suatu definisai mengatakan “transducer adalah sebuah alat yang bila digerakkan oleh energi di dalam sebuah sitem transmisi, menyalurkan energi dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi kedua”. Transmisi kedua ini bisa listrik, mekanik, kimia, optik (radiasi) atau termal (panas). Sebagai contoh, definisi transducer yang luas ini mencakup alat-alat yang mengubah gaya atau perpindahan mekanis menjadi sinyal listrik. Alat-alat ini membentuk kelompok transducer yang sangat besar dan sangat penting yang lazim ditemukan dalam instrumentasi industri; dan ahli instrumentasi terutama berurusan dengan jenis pengubahan energi ini. Banyak parameter fisis lainnya (seperti panas, intensitas cahaya, kelembaban) juga dapat diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan transducer. Transducer-transducer ini memberikan sebuah sinyal keluaran bila dirangsang oleh sebuah masukan yang bukan mekanis; sebuah transmistor bereaksi terhadap variasi temperatur; sebuah fotosel bereaksi terhadap perubahan intensitas cahaya; sebuah berkas elektron terhadap efek-efek maknetik, dan lain-lain. Namun dalam semua hal, keluaran elektris yang diukur menurut metoda standar memberikan besarnya besaran masukan dalam bentuk ukuran elektris analog.

B.    Perbedaan Sensor dan Tranduser

Transduser adalah suatu alat yang fungsinya itu mengubah suatu energi ke energi lain, salah satu contohnya adalah sensor. Transduser juga dibagi dua yaitu transduser aktif dan pasif. Transduser aktif adalah transduser yang dapat bekerja meskipun tidak ada energi dari luar, contohnya adalah potensiometer dia membutuhkan energi listrik untuk mengubah volume (dispeaker aktif), transduser pasif adalah transduser yang bekerja apabila ada energi dari luar contohnya adalah termokopel yang bekerja jika suhu sekitar berbeda dengan suhu pembanding maka termokopel akan langsung menghasilkan arus listrik.

Sensor itu merupakan jenis transduser yang mengubah energi radiasi, mekanik, panas, dll menjadi energi listrik. Contohnya adalah pada termokopel (sensor suhu) yang berfungsi sebagai pembanding antara suhu referensi sama suhu ruangan/suhu yang mau dibandingkan dengan menggunakan sebuah konduktor dan jika suhu referensi dengan suhu yang dibandingkan berbeda akan timbul tegangan listrik.

C.    Persyaratan dan Spesifikasi Pemilihan Sensor

Ada beberapa kriteria yang harus dipenuhi saat menentukan sensor dan tranduser sebagai alat untuk pengukuran dalam sebuah system. Berikut merupakan beberapa kriteria yang harus dipenuhi.

a)    Accuracy and Precision

Presisi dan akurasi adalah dua hal yang didefinisikan oleh para ilmuwan tentang kesalahan. Akurasi mengacu pada seberapa dekat suatu pengukuran dengan nilai yang benar atau diterima. Sedangkan Presisi mengacu pada seberapa dekat pengukuran yang dilakukan berkali-kali. Presisi tidak bergantung pada akurasi.

b)    Range of Operation

Rentang operasi menentukan batas operasi tinggi dan rendah antara perangkat yang akan beroperasi. Pengoperasian di luar rentang ini dapat mengakibatkan malfungsi peralatan, dan bahkan kerusakan atau kegagalan permanen.

c)    Budget/Cost

Biaya peralatan tentu menjadi pertimbangan pemilihan. Hal ini umumnya ditentukan oleh anggaran yang dialokasikan untuk aplikasi tersebut.

D.    Persyaratan dan Spesifikasi Pemilihan Sensor Lanjutan

Sistem control yang lebih kritis bisa juga dipengaruhi oleh karakteristik respons yang berbeda. Maka dari itu, hal-hal berikut mungkin bisa juga dipertimbangkan.

a)    Hysteresis

Hysteresis adalah ketergantungan sebuah sistem, tidak hanya pada keadaannya sekarang, tetapi juga pada keadaannya sebelumnya. Ketergantungan ini muncul karena sistem tersebut dapat berada di lebih dari satu kondisi internal.

b)    Linearity

Linearitas adalah seberapa dekat kurva dengan garis lurus. Respons suatu instrumen terhadap perubahan media yang diukur dapat digambarkan dalam grafik untuk memberikan kurva respons. Masalah dapat muncul jika respons tidak linier, terutama untuk aplikasi kontrol kontinu.

c)    Repeatability

Tingkat ketidakkonsistenan kurva karakteristik yang diperoleh ketika kuantitas input sensor berubah terus-menerus berkali-kali ke arah yang sama.

Pengulangan menentukan seberapa dekat pengukuran kedua dengan yang pertama di bawah kondisi operasi yang sama, dan untuk input yang sama.

Contoh pengujian repeatability pada sensor tekanan yaitu :

 dalam rentang skala penuh termasuk batas atas dan bawah pengukuran sensor, pilih 6 hingga 11 titik uji yang didistribusikan secara merata, ukur output sensor yang sesuai dengan titik tekanan input, dan ulangi kenaikan dan penurunan sebanyak 3 kali atau lebih.

Simpangan baku sampel S dari sensor pada seluruh rentang pengukuran dihitung dengan rumus berikut:

d)    Response

Response pada sensor menunjukkan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan.

E.    Definisi Terminologi

Accuracy

Tingkat kedekatan pengukuran kuantitas terhadap nilai yang sebenarnya.

 Precision 

Tingkat kedekatan pengukuran kuantitas terhadap percobaan yang dilakukan berkali-kali

Ambient

Sekeliling atau lingkungan yang mengacu pada titik / objek tertentu.

Attenuation

Penurunan sinyal selama periode waktu tertentu.

Calibrate

Untuk mengkonfigurasikan perangkat sehingga output yang diperlukan mewakili sampai tingkat akurasi yang di tentukan. Proses pengecekan dan pengaturan akurasi dari alat ukur dengan cara membandingkannya dengan standar/tolak ukur.

Closed loop

Berkaitan dengan loop kontrol di mana variabel proses digunakan untuk menghitung keluaran pengontrol.

Coefficient temperature

Koefisien biasanya merupakan faktor pengali. Koefisien suhu menentukan berapa banyak perubahan suhu yang ada untuk perubahan resistansi tertentu (untuk resistor yang bergantung pada suhu).

Cold junction

Sambungan termokopel yang suhu referensinya diketahui.

Compensation

Perangkat tambahan yang digunakan untuk memperbaiki kesalahan karena variasi dalam kondisi operasi.

Controller

Sebuah perangkat yang beroperasi secara otomatis untuk mengatur kontrol suatu proses dengan variabel kontrol.

Elastic

Kemampuan suatu benda untuk mendapatkan kembali bentuk aslinya ketika gaya yang diberikan dihilangkan. Ketika gaya yang diberikan melebihi batas elastis, maka deformasi permanen akan terjadi.

Excitation

Pasokan energi yang dibutuhkan untuk menyalakan perangkat.

Gain

Rasio perubahan output dengan perubahan input yang diterapkan. Gain adalah kasus sensitivitas khusus, di mana unit untuk input dan output identik dan gain tidak memiliki unit.

Hysteresis

Keakuratan perangkat tergantung pada nilai sebelumnya dan arah variasi. Histeresis menyebabkan perangkat menunjukkan ketidakakuratan dari nilai yang benar, karena dipengaruhi oleh pengukuran sebelumnya.

Ramp

Mendefinisikan respon tertunda dan terakumulasi dari output untuk perubahan mendadak pada input.

Range

Wilayah antara batas atas dan bawah yang ditentukan di mana nilai atau perangkat ditentukan dan dioperasikan.

Reliability

Probabilitas bahwa perangkat akan tampil dalam spesifikasinya dalamperiode waktu yang ditentukan.

Repeatability

Kedekatan sampel berulang di bawah kondisi operasi yang tepat.

Reproducibility

Kesamaan satu pengukuran dengan yang lain dari waktu ke waktu, di mana kondisi operasi bervariasi dalam rentang waktu, tetapi input dipulihkan.

Resolution

Interval terkecil yang dapat diidentifikasi sebagai pengukuran bervariasi.

Resonance

Frekuensi osilasi yang dipertahankan karena dinamika alami sistem.

Response

Mendefinisikan perilaku dari waktu ke waktu output sebagai fungsi dari input. Output adalah respon atau efek, dengan input biasanya dicatat sebagai penyebabnya.

Selfheating

Pemanasan internal yang disebabkan di dalam perangkat karena eksitasi listrik. Pemanasan sendiri terutama disebabkan oleh penarikan arus dan bukan tegangan yang diberikan, dan biasanya ditunjukkan oleh penurunan tegangan akibat daya (i²R) kerugian.

Sensitivity

Ini mendefinisikan berapa banyak perubahan output, untuk perubahan tertentu dalam input ke perangkat.

Setpoint

Digunakan dalam kontrol loop tertutup, setpoint adalah variabel proses yang ideal. Ini diwakili dalam unit variabel proses dan digunakan oleh pengontrol untuk menentukan output ke proses.

Span adjustment

Selisih antara nilai rentang maksimum dan minimum. Dalam instrumen, ini mengubah kemiringan kurva input-output.

Steady state

Keadaan dimana kontrol loop tertutup tidak lagi berosilasi atau berubah dan menetap pada beberapa nilai yang ditentukan.

Stiction

Bentuk singkat dari gesekan statis, dan didefinisikan sebagai resistensi terhadap gerak. Yang lebih penting adalah gaya yang dibutuhkan (listrik atau mekanik) untuk mengatasi hambatan semacam itu.

Stiffness

Ukuran gaya yang diperlukan untuk menyebabkan defleksi benda elastis.

Thermal shock

Perubahan suhu mendadak yang diterapkan pada objek atau perangkat.

Time constant

Biasanya unit ukuran yang mendefinisikan respons perangkat atau sistem. Konstanta waktu dari sistem orde pertama didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan keluaran untuk mencapai 63,2% dari perubahan total, ketika mengalami perubahan masukan bertahap.

Transducer

Elemen atau perangkat yang mengubah informasi dari satu bentuk (biasanya fisik, seperti suhu atau tekanan) dan mengubahnya ke bentuk lain (biasanya listrik, seperti volt atau milivolt atau perubahan resistansi). Transduser dapat dianggap terdiri dari sensor di ujung depan (pada proses) dan pemancar.

Transient

Perubahan tiba-tiba dalam variabel yang bukan merupakan respons yang terkontrol atau tidak berlangsung lama.

Transmitter

Perangkat yang mengubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Biasanya dari listrik ke listrik untuk tujuan integritas sinyal untuk transmisi jarak yang lebih jauh dan untuk kesesuaian dengan peralatan kontrol.

Variable

Umumnya, ini adalah beberapa kuantitas dari sistem atau proses. Dua jenis variabel utama yang ada dalam sistem adalah variabel terukur dan variabel terkontrol. Variabel yang diukur adalah kuantitas yang diukur dan juga disebut sebagai variabel proses karena mengukur informasi proses. Variabel yang dikendalikan adalah keluaran pengontrol yang mengontrol proses.

Vibration

Gerak periodik (mekanik) atau osilasi suatu benda.

Zero adjustment

Nol dalam instrumen adalah output yang diberikan ketika tidak ada, atau input nol diterapkan. Penyesuaian nol menghasilkan pergeseran paralel dalam kurva input-output.