Elemen Masukan Sistem Akuisisi Data #05baru

Transduser Gaya dan Tekanan

Untuk mengkonversi besar gaya atau tekanan menjadi sinyal listrik yang proporsional digunakan transduser gaya yang disebut strain gage atau strain gauge

Pengukuran Strain

Bila sebuah gaya diberikan pada bahan yang elastis, bahan itu akan mengalami sedikit yang dinamakan deformasi (perubahan bentuk). Elastisitas adalah kemampuan suatu bahan untuk memulihkan ukuran dan bentuknya semula setelah gaya deformasinya dihentikan. Jika suatu gaya yang relatif kecil dipasang pada panjang sebuah balok, balok itu akan mengalami perubahan panjang sebesar yang berbanding lurus dengan gaya yang terpasang (lihat gambar).


Selama bahan itu tetap elastis, perubahan panjangnya sebanding lurus dengan gaya terpasang. Hubungan ini dikenaal sebagai Hukum Hooke.

Gejala suatu benda untuk kembali pada bentuk semula itu terbatas. Semakin besar gaya terpasang pada suatu benda, benda itu akan mencapai yang dinamakan batas elastis (elastic limit) - suatu titik yang menimbulkan deformasi permanen. Untuk bahan seperti baja, batas elastisnya tercapai bila perubahan panjangnya lebih besar sedikit dari pada persentase panjang semula. Begitu batas elestisnya tercapai, smakin besar gayanya dapat mengakibatkan deformasi dan kehancuran. Beberapa bahan, misalnya lempung (clay), tidak mempunyai elastisitas dan tidak akan kembali ke dimensi semula, betapa pun kecilnya gaya yang terpasang. Lempung (clay) dikatakan bahan yang plastis.

Deformasi bahan tergantung pada panjang, luas penampang dan komposisinya.

Faktor pertama yang mempengaruhi perubahan panjang balok. Bila dua balok yang homogin dengan diameter dan bahan yang sama mendapat tekanan gaya yang sama besar, balok yang lebih panjang akan mengalami tekanan dengan sejumlah yang proporsinal lebih besar. Tapi bila perubahan panjang dibagi dengan panjang balok semula, ΔL/L, diperoleh suatu besaran yang tidak tergantung pada panjang balok.

F ~ ΔL/L

Besaran perubahan panjang dibagi panjang semula, ΔL/L, dinamakan strain dan ditulis dalam bentuk persamaan:

σ = ΔL/L

dimana σ = strain, bilangan tanpa dimensi.

Faktor kedua yang mempengaruhi perubahan panjang balok adalah luas penampang balok. Jika sebuah balok menahan sebuah beban, beban itu akan menekan balok dengan sejumlah gaya. Bila balok kedua yang identik dipasang untuk berbagi beban, maka gaya beban itu akan didistribusikan sama besar di antara kedua balok itu, perubahan panjangnya menjadi setengah besar perubahan panjang sebelumnya. Jadi pengaruh gaya terhadap strain berkurang dengan adanya luas penampang balok yang semakin besar, yaitu:

F/A ~ ΔL/L

dimana A = luas (m²)

Agar dapat mengubah hubungan proporsional menjadi bentuk persamaan, maka diperlukan suatu konstante yang terkait dengan komposisi balok itu. Konstante ini disebut modulus Young (E). Modulus Young merupakan ukuran kekakuan (stiffness) dari bahan dan, untuk luas penampang tertentu, kemampuan bahan menahan suatu perubahan panjang bila diberi beban. Hukum Hooke dapat dimodifikasi menjadi

F/A = E(ΔL/L)

dimana E = modulus Young (N/m²)

Besaran F/A disebut stress dan merujuk pada gaya per satuan luas pada sebuah bidang tertentu di dalam sebuah benda. Stress dinyatakan dengan:

s = F/A

dimana s = stress (N/m²)

Persamaan di atas menyatakan stress sama dengan modulus Young kali strain. Stress mempunyai satuan sama dengan tekanan yaitu gaya per luas. Hubungan stress-strain biasanya ditulis:

σ = Es

Hubungan antara stress dan strain tergantung pada bahan, termasuk kalau ada heat treatment. Diagram stress-strain pada gambar di bawah ini untuk baja dengan karbon rendah (low-carbon steel). Diagram itu diawali dengan bagian yang proporsional dimana berlaku hukum Hooke. Bila stress dihilangkan pada bagian ini, baja itu kembali ke bentuk semula. Pada batas elestis, semakin besar strain tidak lagi proporsional dengan bertambah besar stress. Dengan kenaikan stress selanjutnya, suatu titik yang disebut yield point, dimana pertambahan strain terjadi tanpa kenaikan stress terkait. After titik ini, terjadi deformasi permanen. Bagian ini disebut plastic range.Pemberian stress pada bahan selanjutnya menuju titik yang disebut ultimate strength atau tensile strength dari bahan itu.



Gaya longitudinal yang menekan suatu balok menimbulan strain didalam balok dan agak memendekkan sedikit, ΔL. Gaya yang menimbulkan strain dikenakan tegak lurus pada bidang bahan itu dan merupakan ukuran deformasi per satuan panjang, karena itu disebut normal strain atau axial strain. Normal strain digambarkan pada gambar di bawah ini.


Aspek lain terhadap penekanan (kompressi) balok juga mengalami pengembangan ke arah sudut kanan sumbu balok, seperti yang terlihat pada gambar. Dengan membagi setiap perubahan dimensi dengan dimensi tanpa stress menghasilkan bilangan murni yang dihubungkan pada strain dengan suatu konstante. Konstante itu disebut Poisson's ratio, disingkat ν. Poisson's ratio merupakan bilangan tanpa dimensi yaitu karakteristik bahan. Hubungan antara besaran-besaran ini dinyatakan dengan persamaan

Δw/w = Δh/h = -ν(ΔL)/L

dimana ν = Poisson's ratio

Jenis strain yang kedua ditimbulkan oleh bending force disebut bending strain. Bending strain digambarkan pada gambar di bawah ini. Dengan gaya terpasang seperti terlihat pada gambar, bagian atas batang akan mengalami yang dinamakan tensile strain, sedangkan bagian bawah batang mengalami compressive strain. Strain gage yang digunakan untuk mengukur bending strain dapat digunakan untuk mengukur gaya vertikal.


Jenis strain yang ketiga diakibatkan gaya yang menimbulkan distorsi sudut, seperti pada gambar di atas, dan menimbulkan shear strain. Shear strain, γ, dapat didefinisikan sebagai perubahan sudut (radian) yang mana balok itu menjadi miring. Perhatikan sebarang bidang digambarkan menyudut di dalam balok. Gaya yang terpasang pada balok dapat dibagi menjadi dua komponen, yang tergantung pada orientasi bidang tersebut di dalam balok. Satu komponen tegak lurus pada bidang dan yang lain sejajar dengan dengan bidang. Seperti halnya strain, shear stress, τ, timbul sepanjang bidang sebarang, sedangkan normal stress timbul tegak lurus pada bidang.

Jenis strain yang keempat diakibatkan gaya puntir dan disebut torsional strain, Torsional strain digambarkan seperti di bawah ini.



Strain Gages dan Load Cells

Strain Gages merupakan resistor kecil yang resistansinya dapat berubah mengikuti perubahan panjang strain gages. Strain gages terbuat dari kawat (wire) sangat tipis, atau dari foil tipis, atau dari bahan semikonduktor.

Gambar di bawah ini menunjukkan cara sederhana untuk mengukur gaya/berat atau mengukur tekanan dengan strain gages. Bila ada perubahan tegaangan strain gages maka arus listrik yang mengalir di dalam strain gages sebanding dengan gaya yang bekerja pada strain gages.

Penempatan strain gages yang tegak lurus dimaksudkan sebagai kompensasi perubahan resistansi strain gages akibat pengaruh suhu. Kedua strain gages ini mengalami pengaruh suhu, tapi hanya strain gages (a) yang berubah resistansinya jika ada gaya yang bekerja padanya.

Kedua strain gages dirangkai dengan konfigurasi jembatan yang balance, maka perubahan resistansi akabibat suhu tidak akan mempengaruhi output differential amplifier. Tapi tegangan output differential ampllifier akan berubah jika ada gaya yang bekerja pada salah satu strain gages.

Strain gages yang dirangkai seperti gambar konfigurasi di atas ini dinamakan Load Cell, yang banyak digunakan untuk mengukur berat.

TERKAIT:

• Strain Gage
  

Displacement Transducer

Linear Variable Differential Transformer (LVDT) merupakan sebuah trafo diferensial yaitu trafo induktif pasif. LVDT pada dasarnya terdiri dari sebuah kumparan primer dan dua buah kumparan sekunder digulung pada tabung berbentuk pipa sedemikian rupa sehingga primer berada di antara kedua sekunder.

Prinsip kerja LVDT sebagai berikut. Sebuah inti (poros) besi (atau logam peka magnetis yang lain) bergerak secara translasi di dalam pipa, karena itu inti besi mempengaruhi kopling magnetis antara primer dan sekunder. Bila inti besi itu berada ditengah-tengah, tegangan yang diinduksikan pada kedua sekunder sama besar. Bila inti besi digeser dari tengah-tengah ke salah satu arah, maka yang diinduksikan pada kumparan yang satu semakin besar dan pada kumparan yang lain semakin berkurang. Geseran inti besi ke arah berlawanan membalik pengaruh induksi ini.

Dalam gambar skema, kedua gulungan kumparan sekunder dihubungkan seri berlawanan. Bila ditelusuri, polaritas V₁ dan V₂ berlawanan satu sama lain dari terminal A ke terminal B. Akibatnya, bila inti besi berada ditengah-tengah maka V₁ = V₂, tidak ada tegangan output, V_o = 0.

Dalam aplikasinya, LVDT harus dilengkapi dengan rangkaian pengkondisi sinyal untuk mengolah perubahan induktansi menjadi besaran analog yang untuk selanjutnya diumpankan ke rangkaian sample and hold. LVDT mampu bekerja untuk pemakaian jangka panjang, mampu bertahan dalam suhu dan kelembaban yang relatif tinggi, dan tahan terhadap goncangan.

• Acceleration Transducer Percepatan biasanya diukur dengan menggunakan spring-supported seismic mass (massa seismik yang ditunjang per)diletakkan di dalam kotak, seperti pada gambar di bawah ini.
  

  
  
  

  
  Damping dilengkapi dengan sebuah dashpot. Gerakan relatif anatara kotak (case) dan massa berbanding lurus dengan percepatan (acceleration). Transduser kedua seperti sebuah resistive displacement transducer dipasang untuk mengubah gerakan relatif menjadi keluaran listrik. Secara ideal, massa tidak bergerak bila kotak itu beraselerasi karena inersianya, dalam praktek massa itu bergerak karena gaya terpasang padanya melalui per. Accelerometer mempunyai suatu frekuensi natural, perioda harus lebih singkat dapri pada waktu yang diperlukan untuk aselerasi yang diukur berubah. Accelerometer yang digunakan untuk mengukur getaran harus digunakan pada frekuensi kurang dari frekuensi naturalnya.
  

• Accelerometer adalah sebuah divais untuk mengukur percepatan.
  
  Accelerometer diaplikasikan pada peralatan kendali untuk level percepatan. Kebanyakan accelerometer bekerja secara tidak langsung. Accelerometer membawa sejumlah massa tertentu, yang disebut seismic mass, kearah pertemuan mekanikal (mechanical junction) dengan obyek yang diukur, sehingga berapa saja kecepatan obyek yang diukur berlangsung, seismic mass harus berlangsung dengan percepatan yang sama. Accelerometer akan mendeteksi gaya yang diberikan pada seismic mass. Nilai gaya yang terukur dihubungkan nilai percepatan dengan Hukum Newton yang kedua: a = F/m.
  
• Tachometer adalah sebuah divais untuk mengukur kecepatan sudut dari sumbu yang berputar. Tachometer untuk industri menggunakan salah satu dari dua teknik pengukuran dasar:
  • Kecepatan sudut dinyatakan dengan besaran suatu tegangan yang ditimbulkan
  • Kecepatan sudut dinyatakan dengan frekuensi suatu tegangan yang ditimbulkan.
• Tachometer besaran (magnitude tachometer) ada dua macam: dc generator tachometer dan drag cup tachometer.
  
• Tachometer frekuensi (frequency tachometer) ada macam: rotating field ac tachometer, toothed-rotor tachometer, dan photocell pickup tachometer.
  

Sebuah tachometer merupakan transduser induktif yang langsung mengubah kecepatan menjadi sinyal listrik. Salah satu tekniknya, mengkopel langsung yang akan diukur kecepatan sudutnya langsung pada rotator sebuah generator dc (lihat gambar).

Kopeling itu akan memutar rotating armature di antara kutub-kutub magnet permanen, yang akan menginduksikan tegangan pada kumparan rotor. Tegangan yang timbul mendekati 10 mV per revolusion per minute (rpm), dan dapat diumpankan langsung pada sebuah voltmeter dc yang sudah dikalibrasikan dengan satuan rpm. Cara lain, menggunakan rotating armature magnet permanen. Kumparannya digulungkan pada kutub-kutub tetap (lihat gambar).

Konfigurasi seperti ini menimbulkan sinyal bolak-balik, yang lebih baik bila dibandingkan dengan tegangan dc, yaitu sinyal noise dan ripple dapat difilter lebih dulu sebelum dilanjutkan dengan amplifikasi sinyal. Salah satu aplikasi transduser ini untuk penentuan frekuensi, dengan jalan menghubungkan langsung transduser itu pada generator frekuensi. Untuk mendapatkan penentuan frekuensi yang lebih eksak digunakan digital counting system.

Congratulations, you have finished Lecture week #05.

[ back ] [ atas ]