BAB 1 TRANSDUSER 1.1 PENGENALAN Transduser adalah komponen penting dalam sistem pengalatan sebagaimana ditunjukkan dalam Rajah 1.1.

transduserBahan ukur penyesuaiisyarat paparan

Rajah 1.1 Sistem pengalatan Takrifan umum transduser adalah:

Peranti yang menukarkan satu bentuk tenaga ke bentuk tenaga yang lain.

Takrifan yang digunakan dalam sistem pengalatan elektrik pula adalah:

Peranti yang menukarkan kuantiti bukan elektrik kepada kuantiti elektrik.

Maka fungsi transduser, sebagaimana juga ditunjukkan dalam Rajah 1.2 adalah: i. mengesan kewujudan, magnitud, perubahan, dan frekuensi bahan ukur, dan ii. menghasilkan keluaran elektrik yang boleh diproses dan dikenakan pada

peranti paparan untuk memberikan data kuantitatif yang jitu tentang bahan ukur tersebut.

TransduserBahan ukur

Pengujaan

Keluaran elektrik

Rajah 1.2 Fungsi transduser 1.2 PENGKELASAN TRANSDUSER Transduser boleh dikelaskan mengikut: i. pasif atau aktif ii. bahan ukur iii. isyarat terhasil

i. pasif atau aktif pasif: memerlukan bekalan kuasa untuk menggerakkan transduser atau

menghasilkan isyarat yang berguna aktif: tidak memerlukan bekalan kuasa dan menghasilkan isyarat elektrik

dengan sendirinya

ii. bahan ukur, iaitu kuantiti bukan elektrik yang diukur mekanik: daya, tekanan, tegasan, terikan

kedudukan, anjakan, halaju, pecutan anjakan sudut, halaju sudut, pecutan sudut

kimia: haba, aliran haba

suhu optik: keamatan cahaya

iii. prinsip pengendalian atau bentuk isyarat yang dihasilkan oleh transduser

penjanaan voltan atau arus perubahan rintangan, kemuatan atau aruhan

1.3 PEMILIHAN TRANSDUSER Transduser perlulah serasi dengan kegunaannya. Dalam pemilihan transduser, faktor-faktor berikut perlu dipertimbangkan: i. Julat pengendalian. Transduser perlulah mengekalkan keperluan julat dan

kebezajelasan baik. ii. Kepekaan. Kepekaan transduser harus mencukupi untuk membolehkan

keluaran yang memadai. iii. Sambutan frekuensi dan frekuensi salun. Adakah sambutan transduser rata

pada julat frekuensi yang diperlukan? Adakah frekuensi salun akan teruja? iv. Keserasian persekitaran. Adakah julat suhu transduser, bendalir mengarat,

tekanan, kejutan, dan tindak balas yang dialaminya, saiz dan pengehadan cagak (mounting restrictions) menyebabkannya tidak boleh digunakan?

v. Kepekaan silang. Transduser perlulah kurang peka terhadap rangsangan

terjangka selain daripada bahan ukur. vi. Kejituan. Transduser mungkin menghadapi ralat kebolehulangan dan

penentukuran serta ralat terjangka disebabkan kepekaan terhadap rangsangan lain.

vii. Penggunaan dan bolehtahan lasak. Boleh tahan lasak keamatan mekanik dan elektrik transduser berbanding dengan saiz dan beratnya perlu dipertimbangkan. Siapa yang akan memasang dan menggunakan transduser tersebut?

viii. Elektrik. Apakah panjang dan jenis kabel yang diperlukan? Apakah nisbah

isyarat-hingar apabila berganding dengan had-had penguat dan sambutan-frekuensi?

1.4 TOLOK TERIKAN Tolok terikan digunakan dengan meluas untuk mengukur beberapa jenis kuantiti yang berkaitan dengan daya. 1.4.1 Pengkelasan - Tolok terikan adalah transduser yang pasif. Ia memerlukan bekalan voltan

untuk menggerakkan penyesuai isyarat (lazimnya titi Wheatstone) yang diperlukan

- Tolok terikan pada asasnya mengukur terikan. Namun kuantiti yang lain yang

menghasilkan terikan seperti daya, kilas, tekanan, dan anjakan, juga boleh diukur secara tidak langsung

- Tolok terikan melibatkan perubahan rintangan 1.4.2 Prinsip Pengendalian Perhatikan sampel logam yang dikenakan daya F seperti dalam Rajah 1.3.

F

l

A

Rajah 1.3 Tegasan tegangan dikenakan pada rod Rintangan sampel tersebut ialah

R lA

=ρ

(1.1) dengan R = rintangan, Ω

ρ = keberintangan logam dawai, Ωm l = panjang, m A = luas keratan-silang, m2

Daya yang dikenakan F menyebabkan sampel tersebut memanjangkan, katakan sebanyak Δl. Isipadu tidak berubah maka luas keratan-silang akan berkurang, katakan sebanyak ΔA. Oleh itu isipadu

( )( )AAlllAV Δ−Δ+== (1.2) Rintangan sampel akan berubah, katakan sebanyak ΔR atau

AAllRR

Δ−Δ+

=Δ+ ρ (1.3)

Dengan menggunakan Per. (1.2) dan Per. (1.3), boleh ditunjukkan bahawa rintangan baru itu dianggarkan

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ+≈Δ+

ll

AlRR 21ρ

(1.4)

Oleh itu perubahan rintangan ialah

llRR Δ

≈Δ 2 (1.5)

Per. (1.4) ialah persamaan asas tolok terikan logam kerana ia menunjukkan bahawa terikan Δl/l menghasilkan terus perubahan rintangan. Perhatian: Bagi bahan logam, tegasan mampatan akan menyebabkan panjang l berkurang, oleh itu perubahan rintangan adalah negatif. Terdapat dua jenis tolok terikan: i. menggunakan dawai halus

Rajah 1.2 Tolok terikan jenis dawai

ii. kerajang - menggunakan prinsip punaran (etching) untuk membentuk tolok

menggunakan bahan pengalir, lazimnya logam atau aloi kuprum-nikel

seperti constantan. Bahan tersebut terlekat pada filem plastik nipis seperti polimid atau damar berfenol yang bertindak sebagai pembawa dan juga penebat elektrik.

Rajah 1.3 Tolok terikan jenis kerajang

Tolok terikan jenis kerajang dibuat daripada dua bahan: i. logam atau aloi ii. separa pengalir 1.4.3 Persamaan Tolok Terikan

Hubungan antara terikan dan rintangan bagi tolok terikan adalah:

K R Rl l

=ΔΔ

(1.6)

dengan K = faktor tolok R = rintangan asal tolok iaitu tanpa terikan, Ω ΔR = perubahan rintangan apabila terterik, Ω l = panjang asal tolok, m Δl = perubahan panjang apabila terterik, m

sementara terikan

G ll

=Λ

(1.7) Maka perubahan rintangan yang berlaku apabila terdapat terikan ialah

ΔR KRG= (1.8) Nilai lazim K bagi tolok terikan logam dan aloi ialah 2 hingga 10 sementara bagi tolok terikan separa pengalir ialah –50 hingga –200.

1.4.4 Hubungan Terikan, Tegasan, Daya Di samping pengukuran terikan, tolok terikan juga boleh digunakan untuk menentukan nilai tegasan dan daya yang terdapat dalam sistem mekanik melalui hubungan antara parameter-parameter tersebut. Tegasan S diberikan oleh

GES = (1.9) yang mana G adalah terikan E adalah modulus Young Daya F pula diberikan oleh

SAF = (1.10) yang mana A adalah luas keratan silang bahan yang mengalami daya tersebut. 1.4.5 Penggunaan Tolok Terikan Tolok terikan dilekatkan pada bahan diuji dengan paksi membujur mengikuti arah terikan:

F

bahan Dilekatkan menggunakan pelekat yang sesuai seperti nitrocellulose, cyanoacrylate atau epoxy. Pelekat perlu berupaya menyampaikan terikan bahan ke tolok tanpa herotan.

Bahan

Tolok

Pelekat

Nilai rintangan tak terterik tolok lazimnya 120 atau 350 Ω. Nilai-nilai tersebut dipilih supaya serasi dengan meter galvanian. Terdapat juga nilai lain seperti 500, 1000, dan 5000 Ω. 1.4.6 Masalah Dalam Penggunaan Tolok Terikan Dua masalah utama dalam penggunaan tolok terikan adalah:

i. kesan silang ii. pengaruh suhu

1.5 PENGUBAH KEBEZAAN BOLEH UBAH LELURUS (LVDT)

Alatan yang berasaskan prinsip aruhan-boleh ubah dan digunakan pada asasnya untuk mengukur anjakan. 1.5.1 Pengkelasan - LVDT ialah transduser yang pasif. Ia memerlukan bekalan a.u. untuk

terkendali - ia mengukur anjakan secara langsung dan kuantiti mekanik yang lain (seperti

daya, tekanan, halaju, pecutan) diukur secara tidak langsung - ia berasaskan aruhan voltan 1.5.2 Prinsip pengendalian Berikut ialah binaan LVDT:

Belitan utama (berbekalkan a.u.) dan dua belitan sekunder yang sama (tersambung berlawanan arah) dibelitkan pada sokongan tak feromagnet. Teras feromagnet bergerak dalam susunan tersebut. Berikut pula ialah litar skema LVDT:

Keluaran v diberi oleh o

v v vo = −1 2 (1.11)

Kedudukan teras (yang menunjukkan anjakan) menentukan keluaran.

Teras di "atas": v v

vo

1 2maksimum, minimummaksimum & positif∴

Teras di "bawah": v v

vo

1 2minimum, maksimummaksimum & negatif∴

Hubungan anjakan dan keluaran:

LVDT memerlukan - bekalan a.u. untuk menjanakan voltan pada belitan utama - penyahmodulat untuk mendapatkan amplitud dan fasa keluaran - penguat untuk menstabilkan dan menapis keluaran Sistem lengkap LVDT:

Bekalankuasa

Penjanafrekuensi LVDT Penyahmodulatan

Penguat a.t.

Eo

isyarat rujukan

vo Vo

Unit kepekaan LVDT lazimnya diberi sebagai

mV/V/in. dengan mV ialah unit keluaran

V ialah voltan bekalan in. ialah unit anjakan.

Contoh IC penyesuai isyarat Signetics SE 5521 LVDT signal conditioner - pengayun stabil dengan herotan rendah - frekuensi bolehubah - penyahmodulat segerak Di samping ciri-ciri umum seperti kelelurusan dan kepekaan, beberapa ciri khusus yang penting dalam menentukan kegunaan dan mutu LVDT ialah: i. voltan masukan ii. julat frekuensi iii. julat lelurus - nilai masukan anjakan iv. galangan belitan utama dan sekunder v. julat suhu pengendalian Juga, keupayaan menahan getaran dan hentaman. Contoh Pembuat: Scheritz Company Model: E 500 Voltan masukan: 3 V p.m.k.d. Julat frekuensi: 50→100 Hz Julat suhu: -65→200°F Kekuatan hentaman: 500g selama 11 ms Kepekaan: 0.75 mV/V/0.001'' Anjakan maksimum: 0.5'' Katakan anjakan 0.25'' dengan voltan masukan 3 V. Maka voltan keluaran ialah

vo = × × ×

=

−0 75 10 3 0 250 001

0 5625

3. . ". "

.

V

V

Selain daripada tolok terikan dan LVDT, anjakan boleh juga diukur dengan menggunakan i. meter upaya ii. pengaruh bolehubah 1.6 Pengukuran Suhu Pengukuran suhu dilakukan dalam berbagai keadaan seperti pemanasan, pembakaran, dan proses-proses kimia. Di antara jenis-jenis transduser yang boleh digunakan ialah: i. jalur dwilogam ii. pengganding suhu iii. RTD iv. termistor v. pengesan suhu separa pengalir vi. pirometer sinaran 1.6.1 Jalur Dwilogam Jalur dwilogam terdiri daripada dua logam yang dilekatkan. Logam-logam tersebut mempunyai pekali pengembangan suhu yang berbeza. Jika pekali pengembangan suhu logam A lebih daripada pekali bagi logam B, sebarang kenaikan suhu akan menyebabkan jalur dwilogam tersebut melengkung seperti berikut:

Jalur dwilogam lebih digunakan sebagai peranti pengawal seperti termostat.

1.6.2 Pengganding Suhu Kegunaan yang paling meluas.

Simbol: Pengkelasan - aktif (tidak memerlukan bekalan kuasa, dan ia sendiri akan menghasilkan daya

gerak elektrik) - mengukur suhu - berasaskan kesan Seebeck:

Jika dua logam berlainan disambungkan pada satu hujung dan hujung tersebut mengalami perubahan suhu, daya gerak elektrik akan terjana pada hujung yang tidak disambung

simpangpanas

logam A

logam B

d.g.e. Vo

Hubungan voltan-suhu i. Rumus

V AT BTo = + 2 (1.12)

yang mana ialah voltan yang terhasil pada hujung tak tersambung Vo

T ialah suhu, K A, B ialah pekali suhu

ii. Penggunaan graf d.g.e. keluaran melawan suhu iii. Penggunaan jadual pengganding suhu (contoh: Lampiran A)

- penentudalaman (interpolation)

Penggunaan secara amali

Masalah pengganding suhu i. Keluaran voltan yang kecil (lingkungan mV) - mudah dipengaruhi hingar. ii. Suhu rujukan perlu dipastikan stabil. Perlukan kegunaan litar pemampasan.

Perkara ini kurang genting bagi perubahan suhu yang banyak. Contoh pengganding suhu

Bahan simpang Julat suhu/°C Perubahan voltan/mV Jenis ANSI platinum-6% rhodium/ platinum-30%/rhodium

38-1800 13.6 B

kromel/konstantan (kromium-nikel)

0-982 750 E

kromel/alumel (aluminium-nikel)

-184→1260 56.0 K

kuprum/konstantan -184→400 26.0 T Kelebihan: i. aktif ii. mudah iii. tahan lasak iv. murah v. banyak jenis vi. julat suhu yang luas Kekurangan: i. tak lelurus ii. voltan rendah iii. rujukan diperlukan

iv. kurang stabil v. kurang peka 1.6.3 Pengesan Suhu Rintangan (RTD) Dibuat daripada logam yang mengalami perubahan rintangan mengikut perubahan suhu. Pengkelasan - pasif: bekalan kuasa diperlukan untuk tujuan penyesuaian isyarat - suhu - perubahan suhu menyebabkan perubahan rintangan logam Ciri suhu-rintangan logam: i. Rumus

( )TRR o Δ+= α1 (1.13) yang mana R = rintangan pada suhu baru

Ro = rintangan pada suhu awal, lazimnya 25°C α = pekali suhu-rintangan, K-1 ΔT = perubahan suhu, K

ii. Penggunaan graf iii. Penggunaan jadual Contoh RTD platinum dengan α = 0.00392 K-1 mempunyai rintangan 100 Ω pada suhu awal 25°C. Apakah suhu yang menyebabkan rintangannya berubah ke 150 Ω? Penyelesaian: Mengikut rumus ciri suhu-rintangan logam,

( )TRR Δ+= α10 Oleh itu,

( )TΔ+Ω=Ω 00392.01100150 atau

ΔT =−

150100

1

0 00392127 6

.K

= . K

Oleh itu suhu baru T T Tbaru = +

= ° += °

0

25 127 6152 6

ΔC K

C.

.

RTD biasa digunakan seiring dengan titi Wheatstone supaya perubahan rintangan ditukarkan kepada perubahan voltan atau arus. Kelebihan i. paling stabil ii. paling jitu iii. lebih lelurus daripada pengganding suhu Kekurangan i. mahal ii. bekalan kuasa diperlukan iii. melibatkan perubahan rintangan yang kecil iv. rintangan rendah5 v. terpanas sendiri 1.6.4 Termistor Dibuat daripada bahan separa pengalir yang mengalami perubahan rintangan mengikut perubahan suhu. Pengkelasan - pasif: memerlukan bekalan kuasa untuk tujuan penyesuaian isyarat - mengukur suhu - perubahan suhu menyebabkan perubahan rintangan bahan separa pengalir

Hubungan suhu-rintangan termistor diberi oleh persamaan Steinhart-Hart:

( )3lnln1 RCRBAT

++= (1.14)

yang mana R = rintangan pada suhu T K A, B, C= pemalar (lazimnya dibekalkan oleh pembuat)

Persamaan tersebut sukar untuk tujuan pengiraan dan biasanya digunakan anggaran berikut:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

= ToToeRR

11β

(1.15) yang mana R = rintangan pada suhu T K

Ro = rintangan pada suhu awal T0, lazimnya 25°C β = pemalar (lazimnya bernilai 2000-4000 K)

Termistor dibuat daripada campuran oksida-oksida logam dan berbentuk seperti manik. Saiznya boleh dibuat sangat kecil.

Ciri perubahan rintangan termistor:

Seperti RTD, termistor juga lazim digunakan seiring dengan titi Wheatstone untuk tujuan penyesuaian isyarat.

Kelebihan i. kepekaan tinggi - perubahan suhu yang kecil menyebabkan perubahan

rintangan yang besar ii sambutan pantas Kekurangan i. tidak lelurus (tetapi boleh diandaikan lelurus bagai perubahan suhu yang kecil) ii. julat suhu terhad (lazimnya -50 °C→150 °C) iii. bekalan kuasa diperlukan 1.6.5 Penderia Litar Bersepadu Menggunakan serpihan silikon bagi unsur menderia. Terdapat dalam bentuk keluaran-voltan dan keluaran-arus. Bentuk lazim:

Litar lazim bagi penderia keluaran arus:

V

i = 1 μA/°C

4-30 V

Litar lazim bagi penderia keluaran voltan:

V

4-30 V +-

10 mV/°C

Contoh Analog Devices AD 590 Penghasilan arus yang sama angka dengan suhu

-50°C ≡ 223 K → 223 μA Memerlukan bekalan voltan 4-30 V. Kelebihan i. paling lelurus ii. keluaran tinggi iii. tidak mahal Kekurangan i. julat suhu rendah (<200°C) ii. bekalan kuasa diperlukan iii. sambutan kurang pantas 1.6.6 Pirometer Sinaran Sesuai untuk pengukuran suhu secara jarak jauh - frekuensi sinaran berubah mengikut suhu - sinaran infra merah dikumpulkan melalui sistem cermin dan dikenakan pada

pengganding suhu atau termistor

1.7 Sinaran Elektro Magnet Sinaran E.M. meliputi julat frekuensi yang luas:

Gelombangmikro

Inframerah

Bolehlihat

Ultraungu

SinaranX

Sinarangamma

200 0.7 0.4 0.2 0.00001

Jarak gelombang (mikron=10 m)-6

Sinaran cahaya (2.0-0.2 mikron)

Peranti-peranti mengukur keamatan cahaya umumnya dinamakan foto transduser. Jenis-jenis utama ialah: i. foto pancaran ii. foto pengaliran iii. foto volta 1.7.1 Foto Pancaran Pengkelasan: - pasif - mengukur keamatan cahaya - berasaskan fenomena foto pancaran

Bahan foto pancaran menghasilkan elektron apabila terkena cahaya. Bahan tersebut diletakkan dalam fototiub. Contoh bahan foto pancaran: caesium-antimony.

Lazimnya terdapat 3 jenis fototiub: i. fototiub vakum ii. fototiub bergas iii. fototiub pengganda Jenis-jenis (i) dan (ii) berbentuk hampir sama.

Cahaya menghasilkan elektron pada fotokatod yang akan tertarik pada anod terpincang positif. Jenis (i) dan (ii) hampir sama melainkan kandungan tiub. Jenis (i) divakumkan sementara jenis (ii) berisi gas mati seperti argon. Fototiub bergas menghasilkan arus lebih tinggi tetapi sambutan fana yang kurang pantas. Fototiub pengganda paling meluas digunakan.

Cahaya yang terkena pada bahan foto pancaran pada katod menghasilkan elektron. Elektron tertarik ke dinod 1. Pancaran sekunder berlaku pada dinod tersebut yang menghasilkan bilangan yang terdarab. Proses ini berulang sehinggalah ke anod. Maka terhasillah aliran arus. Foto pengganda sangat peka. Penguatan arus sebanyak 105-109. Boleh dipengaruhi oleh medan magnet, oleh itu memerlukan perisai.

1.7.2 Foto Pengaliran Pengkelasan: - pasif (memerlukan bekalan kuasa untuk tujuan penyesuaian isyarat) - mengukur keamatan cahaya - berasaskan perubahan rintangan apabila terkena cahaya Bahan foto pengaliran ialah bahan yang mengalami perubahan rintangan mengikut keamatan cahaya kenaan. Contoh: kalsium sulfida (CdS), kadmium selenida (CdSe). Peranti yang berasaskan foto pengaliran dinamakan foto sel dengan binaan seperti berikut:

Simbol fotosel:

λ

Rintangan gelap ialah rintangan fotosel pada keadaan cahaya sifar atau sangat rendah. Contoh litar geganti menggunakan fotosel:

Vi

Rsλ

R1

Geganti

Ri dilaraskan supaya geganti tidak tergerak pada aras cahaya rendah.

1.7.3 Foto Volta Pengkelasan: - aktif (menghasilkan voltan/arus dengan sendiri) - mengukur keamatan cahaya - bahan pengalir yang menampakkan kesan foto volta, iaitu bahan yang

menghasilkan daya gerak elektrik apabila terkena cahaya Sel foto volta terdiri daripada bahan pengalir, biasanya silikon atau selenium. Binaan dua jenis sel tersebut seperti berikut:

gelung logam

lapisan jenis-p

lapisan jenis-n

lapisan logamsebagai sentuhan

sambungan sel silikon

gelung logam

lapisan selenium

aluminium atau keluli

sambungan

+

-

sel selenium

Ciri keluaran sel volta:

( )IVV eo log= yang mana I = keamatan sinaran, W/m2

Vo = voltan penentukuran, malar V = voltan keluaran tanpa beban

Sel foto volta lebih dikenali sebagai sel surya (solar cell). Ciri-ciri lazim sel silikon:

arus litar pintas ≈ 80 mA/sm2 voltan litar buka ≈ 0.6 V

1.8 Pengekod

Pengekod ialah transduser digit yang digunakan untuk mengukur anjakan. Terdapat dua bentuk: i. lelurus ii. sudut - keluaran berbentuk digit Dua jenis pengekod lelurus: i. pengekod berintangan ii. pengekod cahaya 1.8.1 Pengekod berintangan Menggunakan pepapan yang dicorakkan mengikut sistem perduaan (binary).

gerakan menganjakkan pepapan Anjakan menghasilkan keluaran digit mengikut sistem perduaan:

Anjakan Keluaran Digit 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0 7 0 1 1 1 8 1 0 0 0

dan seterusnya

1.8.2 Pengekod cahaya Pengekod cahaya menggunakan pepapan bercorak sama seperti pengekod berintangan tetapi kawasan penebat dan kawasan pengalir digantikan masing-masing oleh kawasan lutsinar dan kawasan legap. Seterusnya susunan litar elektrik digantikan oleh susunan punca cahaya dan pengesan cahaya. Pengekod bulatan berasaskan prinsip pengendalian yang sama tetapi pepapan yang digunakan berbentuk bulatan. Oleh itu keluaran pengekod tersebut ditentukan oleh anjakan sudut.

Sistem kod perduaan boleh menimbulkan masalah keluaran yang meragukan jika corak pada pepapan tidak sejajar ataupun anjakan menyebabkan berus atau punca

cahaya berada pada sempadan antara dua kedudukan. Sebagai contoh katakan keluaran 4-bit menunjukkan perubahan dari kedudukan 3 ke 4:

kedudukan 3: 0 0 1 1 kedudukan 4: 0 1 0 0

Katakan terdapat masalah pada berus bagi bit 21 maka keluaran yang terhasil ialah

yang bersamaan kedudukan 5. 0 1 1 0 Masalah di atas boleh diatasi dengan menggunakan kod Gray. Kod tersebut membenarkan perubahan pada satu digit sahaja di antara setiap kedudukan. Misalnya,

Anjakan Keluaran Digit 1 0 0 0 1 2 0 0 1 1 3 0 0 1 0 4 0 1 1 0 5 0 1 0 0 6 0 1 0 1 7 0 1 1 1 8 1 1 1 1

dan seterusnya

Penyahkod seterusnya diperlukan untuk menukar kod Gray kepada kod perduaan.

Lampiran A Jadual Pengganding Suhu