Makalah Alat Ukur (Galvanometer)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang.

Pada alat kumparan putar jenis magnet permanen ,jarum penunjuk meter akan

berhenti apabila torsi penyimpang dan torsi kontrol sama besarnya, sehingga torsi

penympang sebanding dengan arus yang mengalir.Karena alat ukur kumparan

putar jenis magnet permanent bekerja berdasarkan gaya Lorentz maka torsi

penyimpang yang terjadi apabila arus yang melewati kumparan menimbulkan

gaya dikedua sisinya .hal ini sebanding apabila arus yang malalui kumparan 1

ampere maka magnitude gaya akan ditimbulkan pada tiap sisi kumparan.

Apabila kumparan dipasang pegas-pegas pengatur ,maka torsi elektromagnetik

akan membangkitkan torsi mekanik pegas yang arahnya berlawanan sehingga

kumparan tersebut dapat berputar. Pada saat terjadi kesetimbangan

torsi ,kumparan defleksi dengan sudut tertentu .bresarnya sudut defleksi

ditunjukan oleh jarum penunjuk sehingga dapat ditera antara arus listrik dan sudut

defleksinya. Dan aplikasinya terdapat pada galvanometer arus searah, fluks meter

galvanometer balistik dll.

Dalam penulisan makalah ini penulis akan memaparkan tentang

galvanometer jenis balistik dan suspensi serta menjelaskan beberapa aspek

penting yang terdapat pada galvanometer.

1.2 Batasan Masalah.

Makalah ini membahas tentang beberapa jenis dari Galvanometer. Dalam makalah

ini dijelaskan tentang prinsip kerjanya serta bagian-bagiannya, dan menjelaskan

beberapa aspek penting yang terdapat pada galvanometer.

1.3 Tujuan.

1. Mempelajari tentang galvanometer balistik.

2. Mempelajari tentang galvanometer suspensi.

3. Mengetahui tentang Defleksi Galvanometer dalam Keadaan Mantap (Steady

State deflection ).

4. Mengetahui tentang sifat dinamik galvanometer.

5. Mengetahui tentang mekanisme redaman.

6. Mengetahui tentang gerak d’ Arsonval ( d’ Arsonval movement )

7. Mengetahui tentang sensitivitas galvanometer.

1.4 Metode Penulisan.

Untuk mendapatkan data dan informasi yang diperlukan, penulis menggunakan

metode kepustakaan, yaitu pada metode ini, penulis membaca buku-buku dan

literatur serta mencari informasi di internet yang berhubungan dengan penulisan

makalah ini yaitu Galvanometer.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Galvanometer Balistik.

Untuk mengukur fluksi maknit digunakan galvanometer balistik, dimana

galvanometer ini bekerja menggunakan prinsip d’ Arsonval dan dirancang khusus

untuk pemakaian selama 20 – 30 sekon dengan kepekaan tinggi.

Pada pengukuran balistik ini, kumparan menerima suatu impuls arus sesaat,

mengakibatkan kumparan berayun ke satu sisi dan kemudian kembali berhenti

dalam gerakan berosilasi.

Jika impuls arus berlangsung singkat, maka defleksi mula-mula dari posisi

berhenti berbanding lurus dengan kuantitas pengosongan muatan listrik melalui

kumparan. Nilai relatif impuls arus yang diukur dalam defleksi sudut mula-mula

dari kumparan adalah :

Q = K θ

Dimana:

Q = muatan listrik ( coulomb )

K = kepekaan galvanometer ( coulomb / radian defleksi )

θ = defleksi sudut kumparan ( radian )

Harga kepekaan galvanometer ( K ), dipengaruhi oleh redaman dan besarnya

diperoleh secara eksperimental, melalui pemeriksaan kalibrasi pada kondisi

pemakaian yang nyata.

Untuk mengkalibrasi galvanometer, digunakan beberapa metoda, yaitu :

1. metoda kapasitor.

2. metoda solenoida.

3. metoda induktansi bersama.

Pada Metoda induktansi bersama, sumber arus di rangkaian primer dikopel

melalui ke galvanometer, melalui pengujian induktansi bersama ( M ). Rangkaian

yang digunakan dalam metoda ini, ditunjukkan pada gambar 1.

Gambar 1. Metoda induksi bersama.

Jika arus primer ( I ) arahnya dibalik ( dari + I menjadi - I ), akan terjadi

penyimpangan galvanometer ( θ ) sebanding dengan konstanta-konstanta

rangkaian dan kepekaan galvanometer ( K ). Akibat perubahan arah arus ini, besar

muatan total di dalam rangkaian adalah :

Q =

Dimana:

M = induktansi bersama (Henry atau H)

R = tahanan total rangkaian (ohm atau Ω)

Pengukuran fluksi menggunakan galvanometer balistik yang sudah

dikalibrasi, ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Pengukuran fluksi menggunakan galvanometer.

Dari gambar, dapat dilihat bahwa galvanometer balistik dihubungkan seri dengan

sebuah tahanan variabel dan sebuah kumparan yang melilit maknit permanent

yang akan ditentukan fluksinya. Tahanan variabel diatur untuk menghasilkan

redaman kritis bagi galvanometer.

Adapun prinsip pengukuran galvanometer balistik, antara lain:

Jika maknit permanen dilepas dengan cepat dari kumparan, maka akan

dihasilkan suatu impuls arus yang menyebabkan galvanometer menyimpang.

a. Kuantitas muatan melalui galvanometer balistik berbanding lurus dengan

fluksi total ( Ф ) maknit permanen dan jumlah lilitan kumparan ( N ) dan

berbanding terbalik dengan tahanan total rangkaian ( R ), dan secara

matematis :

b. Subtitusikan persamaan di atas sehingga diperoleh defleksi galvanometer (

θ ):

c. Dari persamaan di atas untuk suatu harga Q , dapat diperoleh harga Ф yang

besarnya :

Catatan:

Faktor kepekaan K harus dievaluasi terhadap tahanan rangkaian yang digunakan

pada setiap pengukuran.

2.2 Galvanometer Suspensi ( Suspension Galvanometer ).

Pengukuran-pengukuran arus searah sebelumnya menggunakan galvanometer

sistem gantungan, yang merupakan pelopor instrumen kumparan putar, sebagai

dasar pada umumnya instrumen penunjuk arus searah yang dipakai secara luas

saat ini. Dengan beberapa penyempurnaan, Galvanometer suspensi masih

digunakan untuk pengukuran-pengukuran laboratorium sensitivitas tinggi tertentu,

jika keinda-han instrumen bukan merupakan masalah dan portabilitas bukan

menjadi prioritas.

Konstruksi sebuah galvanometer suspensi, ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 3. Galvanometer Suspensi.

1. Sebuah kumparan kawat halus digantung di dalam medan maknet yang

dihasilkan oleh sebuah maknet permanen, berdasarkan hukum gaya

elektromaknet , jika dialiri arus listrik , maka kumparan tersebut akan berputar

( arus listrik mengalir dari dan ke kumparan melalui sebuah gantungan yang

terbuat dari serabut halus dan keelastisan serabut tersebut menghasilkan suatu

torsi yang akan melawan perputaran kumparan ).

2. Kumparanakan terus berdefleksi sampai gaya elektromaknetnya mengim-bangi

torsi mekanis lawan dari gantungan. Dengan demikian defleksi kumparan

merupakan ukuran untuk arus yang dibawa kumparan tersebut.

3. Sebuah cermin dipasang pada kumparan yang berfungsi untuk mende-fleksikan

seberkas cahaya, sehingga sebuah bintik cahaya yang sudah diperkuat

bergerak. diatas skala pada suatu jarak dari instrumen dan efek optiknya

adalah sebuah jarum penunjuk yang panjang dengan massa nol.

2.3 Defleksi Galvanometer dalam Keadaan Mantap (Steady State deflection ).

Prinsip kerja galvanometer suspensi diterapkan sama terhadap jenis instrumen

yang lebih baru, yaitu mekanisme kumparan putar maknet permanen ( PMMC :

permanent magnet moving coil ), dan konstruksi PMMC dan bagian-bagiannya

ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Konstruksi PMMC

Prinsip kerjanya yakni Jika arus mengalir di dalam kumparan, akan timbul

torsi elektromaknetik yang menyebabkan berputarnya kumparan, dan torsi ini

akan diimbangi torsi mekanis dari pegas-pegas pengatur yang diikat pada

kumparan. Kesetimbangan torsi-torsi dan posisi sudut kumparan putar, dinyatakan

oleh jarum penunjuk terhadap referensi tertentu, yang disebut skala. Menurut

hukum dasar eletromaknetik , persamaan untuk torsi adalah :

Dimana:

T = torsi dalam Newton-meter (N-m)

B = kerapatan fluksi didalam celah udara (Wb/m2)

A = luas efektif kumparan (m2)

I = arus dalam kumparan putar (Ampere, A)

N = jumlah lilitan kumparan

Karena kerapatan fluksi dan luas kumparan merupakan parameter-

parameter konstan untuk sebuah instrumen, maka persamaan diatas torsi

berbanding lurus dengan arus I (T~I). Torsi menyebabkan defleksi jarum ke

keadaan mantap, dimana torsi diimbangi oleh torsi pegas pengontrol.

Perencana hanya dapat mengubah nilai torsi pengatur dan jumlah lilitan

kumparan untuk mengukur arus skala penuh. Umumnya luas kumparan praktis 0,5

– 2,5 cm, kerapatan fluksi untuk instrumen modern 1500 – 5000 gauss ( 0,15 – 0,5

Wb/m2).

2.4 Sifat Dinamik Galvanometer.

Jika arus bolak balik dialirkan ke sebuah galvanometer pencatat, maka pencatatan

yang dihasilkan oleh gerakan kumparan putar meliputi karakteristik respons dari

elemen yang berputar itu sendiri, dengan demikian adalah penting untuk

mempertimbangkan sifat dinamiknya.

Sifat dinamik galvanometer adalah : kecepatan respons, redaman dan over-

shoot. Sifat dinamik galvanometer dapat diamati dengan memutuskan arus input

secara tiba-tiba, sehingga kumparan berayun kembali dari posisi defleksi menuju

posisi nol. Sebagai akibat dari kelembaman ( inersia ) dari sistem yang berputar,

jarum berayun melewati titik nol dalam arah berlawanan dan berosilasi kekiri dan

kekanan, dan secara perlahan-lahan osilasi ini akan mengecil sebagai akibat dari

redaman elemen berputar dan akhirnya jarum berhenti pada posisi nol.

Gerakan sebuah kumparan didalam medan maknet, diketahui dari tiga

kuantitas, yaitu :

1. Momen inersia kumparan putar terhadap sumbunya ( J ).

2. Torsi lawan yang dihasilkan oleh gantungan kumparan ( S ).

3. Konstanta redaman ( D ).

Penyelesaian persamaan diferensial yang menghubungkan ketiga faktor diatas,

menghasilkan tiga kemungkinan yang masing-masing menjelaskan sifat dinamik

kumparan dan sudut defleksinya ( θ ).

Ketiga jenis sifat-sifat tersebut ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 5. Sifat dinamik galvanometer.

Dari gambar 5 diatas dapat dijelaskan sebagai berikut :

Kurva I : Keadaan terlalu redam, dimana kumparan kembali secara perlahan ke

posisi diam tanpa lonjakan atau osilasi.

Kurva II : Keadaan kurang redam, dimana gerakan kumparan dipengaruhi oleh

osilasi sinusoida teredam. Laju dimana osilasi berhenti ditentukan

konstanta redaman ( D ), momen inersia ( J ) dan torsi lawan ( S ) yang

dihasilkan gantungan kumparan.

Kuva III : Keadaan redaman kritis, dimana jarum kembali dengan cepat ke

keadaan mantap tanpa osilasi.

Idealnya, respons galvanometer adalah sedemikian rupa, sehingga jarum

jam bergerak ke posisi akhir tanpa lonjakan, berarti gerakan tersebut harus pada

keadaan redaman kritis, akan tetapi dalam praktek, pada umumnya galvano- meter

sedikit kurang teredam, sehingga jarum sedikit melonjak sebelum berhenti, dan

lebih lambat dari redaman kritis.

2.5 Mekanisme Redaman.

Redaman galvanometer terjadi dalam dua mekanisme, yaitu :

1. Redaman mekanis, disebabkan :

a. perputaran kumparan di udara sekelilingnya dan tidak

bergantung pada arus listrik di kumparan.

b. gesekan di bantalan-bantalannya karena gerakan.

c. pembengkokan pegas-pegas gantungan.

2. Redaman elektromaknetik, disebabkan : efek induksi di dalam

kumparan, yang berputar di dalam medan maknet.

Cara-cara peredaman antara lain:

a. Alat-alat ukur PMMC dibuat agar menghasilkan redaman viskos yang

minimum dan derejat redaman diperbesar.

b. Beberapa instrumen menggunakan prinsip elektromaknetik ( hukum

Lenz ), dimana kumparan digulung pada sebuah rangka aluminium ringan,

perputaran kumparan dalam medan maknet menghasilkan arus sirkulasi

pada logam peng-hantar, sehingga torsi penahan dibangkitkan untuk

melawan gerakan kumparan.

c. Sebuah galvanometer dapat juga diredam dengan sebuah tahanan

dihubungkan ke kumparan, jika kumparan berputar dalam medan maknet

tegangan dibangkit-kan di kumparan yang akan mensirkulasi arus melalui

kumparan dan tahanan luar, sehingga dihasilkan torsi yang meredam

gerakan kumparan.

2.6 Gerak d’ Arsonval ( d’ Arsonval movement )

Gerakan dasar kumparan putaran maknet permanen yang ditunjukan pada gambar

4, sering disebut dengan gerak d’Arsonval. Konstruksi ini memungkinkan maknet

besar di dalam suatu ruangan tertentu dan digunakan bila diinginkan fluksi

terbesar di celah udara. Dia adalah instrumen dengan kebutuhan daya sangat

rendah dan arus kecil untuk defleksi skala penuh. Gambar 6, menunjukkan sebuah

pandangan maya dari gerakan d’Arsonval.

Gambar 6. Gerak d’ Arsonval

Pengamatan pada gambar 6, menunjukkan :

- Sebuah maknet permanen berbentuk sepatu kuda dengan potongan-

potongan besi lunak menempel padanya.

- Antara potongan-potongan tersebut, terdapat sebuah silinder besi lunak

yang berfungsi untuk menghasilkan medan maknet yang homogen.

- Kumparan yang dililitkan pada sebuah kerangka logam ringan dan

dipasang sedemikian rupa hingga dapat berputar bebas di celah udara.

- Jarum penunjuk dipasang dibagian atas kumparan, bergerak sepanjang

skala yang sudah dibagi-bagi dan menunjukkan defleksi sudut kumparan

yang berarti juga menunjukkan arus melalui kumparan.

- Bentuk “ Y “ adalah pengatur nol ( zero adjust ) dan dihubungkan ke ujung

tetap pegas pengatur depan.

- Sebuah pasak eksentrik ( pin ) yang menembus kotak instrumen yang

memegang bagian “ Y “, sehingga posisi “ nol “ jarum dapat diatur dari

luar.

- Dua pegas konduktif dari fosfor-perunggu biasanya berkekuatan sama,

yang menghasilkan gaya terkalibrasi untuk melawan torsi kumparan

putar dan prestasi pegas yang konstan dibutuhkan untuk

mempertahankan ketelitian instrumen.

- Ketebalan pegas diperiksa secara teliti untuk mencegah kondisi pegas yang

permanen ( eksitasinya hilang ). Arus dialirkan dari dan ke kumparan

melalui pegas-pegas penghantar.

- Keseluruhan sistem yang berputar dibuat setimbang statis oleh tiga buah

beban kesetimbangan untuk semua posisi defleksi, seperti ditunjukkan

pada gambar 7.

Gambar 7. Tiga buah beban kesetimbangan.

- Jarum, pegas dan titik putar ( pivot ) dirakit ke peralatan kumparan

dengan menggunakan alas titik putar dan ditopang oleh bantalan jewel

( jewel bearing ), seperti ditunjukkan pada gambar 8. Jewel berbentuk “

V “ ditunjukkan pada gambar 8 a digunakan secara umum pada

bantalan-bantalan instrumen dan mempunyai gesekan paling kecil

diantara semua bantalan.

Gambar 8. bantalan jewel ( jewel bearing )

2.7 Sensitivitas galvanometer.

Untuk menyatakan sensitivitas sebuah galvanometer, umumnya digunakan tiga

buah defenisi, yaitu :

1. Sensitivitas arus ( current sensitivity )

2. Sensitivitas tegangan ( voltage sensitivity )

3. Sensitivitas mega-ohm ( megohm sensitivity )

4. Sensitivitas balistik

1. Sensitivitas Arus, didefinisikan sebagai :

Perbandingan defleksi galvanometer terhadap arus yang menghasilkan

defleksi tersebut. Untuk galvanometer yang skalanya tidak dikalibrasi dalam

milimeter ( mm ), defleksi dapat dinyatakan dalam bagian skala, maka

sensitivitas arus :

Dimana:

d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm.

I = arus galvanometer dalam mikroamper ( μA )

2. Sensitivitas Tegangan, didefinisikan sebagai : Perbandingan defleksi

galvanometer terhadap tegangan yang menghasilkan-nya, jadi :

Dimana:

d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm.

V = tegangan yang diberikan ke galvanometer dalam milivolt ( mV ).

Adalah lazim untuk memandang galvanometer bersama-sama dengan tahanan

redaman kritis ( CDRX ) dan kebanyakan pabrik menyatakan sensitivitas

tegangan dalam mm / mV.

3. Sensitivitas Mega-ohm, didefinisikan sebagai :

Tahanan ( dalam mega-ohm ) yang dihubungkan seri dengan galvanometer ,

agar menghasilkan defleksi sebesar satu bagian skala bilamana tegangan

sebesar 1 V diberikan ke rangkaian tersebut.

Karena tahanan ekivalen dari galvanometer yang diparalelkan diabaikan

terhadap tahanan ( dalam mega-ohm ) yang seri dengannya, maka arus masuk

praktis sama dengan 1 / R ( μA ) dan menghasilkan defleksi satu bagian.

Secara numerik, sensitivitas mega-ohm sama dengan sensitivitas arus ;

Dimana:

d = defleksi galvanometer dalam bagian skala atau mm

I = arus galvanometer dalam mikroamper ( μA ).

4. Sensitivitas Balistik Sensitivitas ini ditemukan pada galvanometer balistik dan

didefinisikan sebagai : Perbandingan defleksi maksimal galvanometer ( dm )

terhadap jumlah muatan listrik ( Q ), jadi :

Dimana:

dm = defleksi maksimal galvanometer dalam bagian skala atau mm.

Q = muatan listrik dalam mikrocoulomb ( μC ).

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan.

Untuk mengukur fluksi maknit digunakan galvanometer balistik, dimana

galvanometer ini bekerja menggunakan prinsip d’ Arsonval dan dirancang khusus

untuk pemakaian selama 20 – 30 sekon dengan kepekaan tinggi.

Galvanometer suspensi masih digunakan untuk pengukuran-pengukuran

laboratorium sensitivitas tinggi tertentu, jika keinda-han instrumen bukan

merupakan masalah dan portabilitas bukan menjadi prioritas.

Prinsip kerja galvanometer suspensi diterapkan sama terhadap jenis

instrumen yang lebih baru, yaitu mekanisme kumparan putar maknet permanen

( PMMC : permanent magnet moving coil ), Prinsip kerjanya yakni Jika arus

mengalir di dalam kumparan, akan timbul torsi elektromaknetik yang

menyebabkan berputarnya kumparan, dan torsi ini akan diimbangi torsi mekanis

dari pegas-pegas pengatur yang diikat pada kumparan.

Sifat dinamik galvanometer adalah : kecepatan respons, redaman dan over-shoot.

Sifat dinamik galvanometer dapat diamati dengan memutuskan arus input secara

tiba-tiba, sehingga kumparan berayun kembali dari posisi defleksi menuju posisi

nol.

Redaman galvanometer terjadi dalam dua mekanisme, yaitu: Redaman

mekanis dan Redaman elektromaknetik. Gerakan dasar kumparan putaran maknet

permanen sering disebut dengan gerak d’Arsonval.

Untuk menyatakan sensitivitas sebuah galvanometer, umumnya digunakan tiga

buah defenisi, yaitu :

1. Sensitivitas arus ( current sensitivity )

2. Sensitivitas tegangan ( voltage sensitivity )

3. Sensitivitas mega-ohm ( megohm sensitivity )

4. Sensitivitas balistik

3.2 Saran.

Dalam sebuah penulisan, tentu diperlukan dilakukannya penulisan lanjutan guna

meningkatkan ilmu pengetahuan. Dalam membuat makalah, disarankan mencari

referensi yang lebih luas lagi, sehingga pembahasan akan semakin mendalam dan

lebih efektif. Sehingga akan benar-benar memberikan manfaat dimana akan

didapat sebuah pengetahuan yang dapat diterapkan di dalam masyarakat

hendaknya.

DAFTAR PUSTAKA

http://indonesian.irib.id/balistic-galvanometer/html

http://www.ampl.or.id/galvanometer-suspensi/html

http://cills.wordpress.com/2008/04/20/centre-of-indonesia-physics-studies

http://groups.yahoo.com/group/alat-ukur-listrik/html

http://greenpressnetwork.blogspot.com/2008/03/galvanometer/html