Sensor&Actuator

“Write a wise saying and your name will live forever” ~ Anonymous ~

“Scientists discover what is, Engineers create what has never been.” ~ Theodore von Karman, 1911 ~

Setiap makhluk hidup menggunakan inderanya untuk mengetahui kondisi atau informasi di sekelilingnya. Hal ini sangat diperlukan dalam rangka untuk menentukan setiap gerak/tindakan yang akan dilakukan selanjutnya. Demikian juga pada sistem mekatronik yang dikendalikan secara otomatis. Sensor dan transduser adalah representasi dari sistem penginderaan yang tidak lain merupakan pintu masuknya informasi dari lingkungannya. Dalam desain sistem mekatronik, jenis sensor yang digunakan dapat berupa sensor mekanik ataupun sensor elektrik. Banyak definisi yang dikenal untuk menerangkan apa yang dimaksud dengan sensor, salah satunya adalah berikut ini:

”Sensor adalah komponen suatu sistem mekatronik yang pertama kali berhubungan dengan objek ukur atau lingkungan dan memperoleh data parameter fisik tertentu yang selanjutnya diubah menjadi signal yang dapat diproses oleh sistem yang bersangkutan”.

Sensor tak lain merupakan elemen yang memproduksi suatu signal yang terkait dengan besaran yang sedang diukur. Jadi dalam hal ini, sebut saja elemen pengindera temperatur berbasis tahanan listrik, besaran yang diukur adalah temperatur dan sensor akan mengubah input temperatur menjadi perubahan nilai tahanan/resistansi.

Sementara istilah transduser juga sering digunakan sebagai ganti kata sensor. Transduser didefinisikan sebagai elemen yang bila dikenai perubahan fisik akan mengalami suatu perubahan yang berkaitan. Jadi, sensor itu juga tidak lain adalah elemen transduser. Dalam suatu sistem pengukuran, bisa jadi terdapat berbagai transduser sebagai tambahan dari sensor yang berfungsi untuk mengubah signal dari satu bentuk ke bentuk lain yang bersesuaian.

Sistem monitoring dan sistem kendali memerlukan sensor (perangkat pengindera) untuk mengukur besaran-besaran fisik seperti posisi, jarak, getaran, gaya, regangan, temperatur, tekanan dan lain-lain. Adanya fenomena yang berbeda dari setiap besaran fisik yang diukur akan menentukan rancangan sensor yang

ensor dan Transduser

MEKATRONIKA - Pengantar

Bagus Arthaya, Teknik Industri – Unpar [98]

harus digunakan. Rancangan ini selalu melibatkan penerapan hukum-hukum atau prinsip fisika atau kimia yang berkaitan dengan besaran fisik yang diukur.

4.1 Transduser Primer dan Sekunder

Dalam suatu rakitan elemen pengindera, seringkali digunakan lebih dari satu tingkat pengubahan variabel yang terukur oleh transduser. Tingkatan pengubahan tersebut biasanya dibedakan menjadi dua macam, yakni: tingkat pertama yang dilakukan oleh transduser primer dan tingkat kedua dilakukan oleh transduser sekunder. Secara skematik Gambar 4.1 menunjukkan bagaimana cara kerja kedua transduser tersebut.

Transduser primer umumnya bertugas mengubah besaran input terukur misalnya gaya menjadi bentuk informasi lain (misal regangan) yang dapat dirasakan oleh sensor gaya (Gambar 4.8). Dalam hal ini yang dapat berfungsi sebagai transduser primer adalah batang gaya. Regangan ini kemudian akan diindera oleh elemen pengukur regangan misalnya “strain gauge” menjadi perubahan nilai resistansi dirinya. Dalam hal ini transduser sekundernya adalah strain gauge itu sendiri.

Dalam Gambar 4.2 (a) dicontohkan suatu pengukur tekanan (pressure gauge) dengan skala 0 hingga 76 cmHg. Alat ini menggunakan pipa Bourdon pipih melingkar sebagai transduser primer, untuk mengubah besaran tekanan menjadi gerak translasi pengait pada Gambar 4.2 (b). Selanjutnya gerakan pengait akan menyebabkan rack and pinion akan mengubah gerak translasi ini menjadi gerak rotasi putaran jarum penunjuk skala pembacaan (Gambar 4.2 c). Dalam hal ini batang pengait bersama rack and pinion berfungsi sebagai transduser sekunder.

Dengan beragamnya besaran fisik yang harus diukur oleh sensor, maka sensor dapat dikelompokkan salah satunya berdasarkan sifat-sifat elektris bahan dari elemen pengindera utamanya. Kelompok utama sensor yang banyak dikenal adalah sensor yang bersifat resistif, kapasitif dan induktif. Sesuai dengan kelompoknya maka hukum-hukum fisika/kimia yang terkait akan berlaku. Selain

Gambar 4.1 Aliran Informasi Pengubahan Besaran Input Menjadi Signal Output

besaran terukur

signal output

signal tengahan

Transduser primer

Transduser sekunder



ke-tiga jenis sifat di atas, dikenal juga sensor yang bekerja berdasarkan prinsip rambatan bunyi/cahaya, perubahan bentuk benda karena efek piezoelektrik, timbulnya arus/tegangan karena kenaikan temperatur dan sebagainya.

Keuntungan utama dari sensor elektris dibanding dengan sensor non-elektris, antara lain:

a) Penguatan atau pelemahan dapat dengan mudah disesuaikan, b) Efek inersia massa dapat diperkecil, c) Efek gesekan sangat kecil, d) Daya keluaran dari hampir semua besaran yang dikehendaki dapat

disediakan, e) Penunjukan/pencatatan dari jarak jauh dapat dilakukan, f) Sensor elektris biasanya mudah diminiaturkan, dan lain sebagainya.

Secara singkat macam-macam sensor yang tergantung dari sifat elektrik bahan akan dijelaskan pada Sub-bab berikut. Juga akan disajikan beberapa contoh sensor yang tidak dipengaruhi oleh sifat elektrik bahan pada Sub-bab selanjutnya. Disamping sifat bahan tersebut, sensor dapat dibedakan berdasarkan output mekanikal ataupun jenis output elektrik aktif yang dapat dihasilkan. Tabel 4.1 menyarikan macam-macam elemen penginderaan dan variabel-variabel terukurnya.

4.2 Sensor Resistif

Sifat bahan logam yang paling mudah dikenali adalah sifat resistifnya terhadap adanya arus yang mengalir pada dirinya. Sensor yang bersifat resistif akan menunjukkan adanya perubahan nilai resistansi dirinya bila sensor tersebut sedang mendeteksi adanya suatu signal input. Input yang dirasakan dapat berupa informasi perpindahan, tarikan, tekanan, aliran fluida, intensitas cahaya, temperatur dan lain-lain. Pada paragraf berikut akan dijelaskan beberapa contoh sensor yang bersifat resistif.

Gambar 4.2 Pengukur Tekanan dengan Pressure Gauge Pipa Bourdon

(a) (b) (c)

pipa Bourdon

rack and pinion pengait



Tabel 4.1 Elemen Pengindera dan Beberapa Variabel yang Diukur

Tem

pera

tur

Fluk

s pa

nas/

si

nar

Teka

nan

Gay

a

Tors

i

Leve

l (k

etin

ggia

n)

Den

sita

s

Deb

it A

liran

Laju

Alir

an

Perp

inda

han/

re

gang

an

Kec

epat

an

Perc

epat

an

Kom

posi

si

Gas

K

onse

nstr

asi

Ioni

k

Output Elektrik (pasif)

Resistif

Kapasitif Induktif Piezoresistif

Output Elektrik (aktif)

Elektromagnetik

Termoelektrik Piezoelektrik Elektrokimia

Output Mekanikal Elastik

Perbedaan Tekanan

Turbin Vorteks Pneumatik



4.2.1 Potensiometer

Potensiometer adalah komponen elektronik yang memiliki resistansi yang dapat diubah-ubah dan biasanya digunakan untuk mengukur besarnya putaran sudut ataupun perpindahan linier suatu objek ukur. Bentuk umum potensiometer yang banyak terdapat di pasaran adalah potensiometer putar, tetapi dikenal juga jenis potensiometer geser. Contoh pemakaian potensiometer yang paling sering ditemui adalah pengaturan volume radio atau tombol pengaturan input pre-amp pada perangkat sound system.

Komponen potensio ini terdiri dari kontak geser yang berhubungan dengan elemen hambatan (gulungan kawat) seperti yang terlihat pada Gambar 4.3. Dengan bergeraknya titik kontak geser b, maka nilai resistansi antara titik kontak geser dengan salah satu ujung elemen hambatan (titik a atau c) akan berubah bersesuaian dengan perpindahan titik kontak tersebut. Pada potensiometer yang bersifat linier, gerakan kontak baik berupa gerakan geser maupun putar, akan menghasilkan nilai tahanan yang sebanding/proporsional dengan besarnya perpindahan. Disamping itu dikenal juga jenis potensiometer logaritmis.

Dengan adanya gerakan putar atau geser titik b, maka nilai resistansi antara titik b-a atau b-c akan berubah bersesuaian dengan besarnya pergerakan titik b, maksudnya resistansi tersebut dapat membesar maupun mengecil tergantung dari mana resistansi tersebut diukur. Nilai resistansi ini dapat berubah secara linier maupun logaritmik sesuai konstruksi sensor yang dibuat oleh pabrik. Gambar 4.4 menunjukkan bagaimana koneksi potensiometer dilakukan. Sementara cara pemberian/pembacaan simbol resistansi yang lain ditunjukkan dalam Gambar 4.5.

Gambar 4.3 Contoh Potensiometer Putar dan Tahanan Geser

b

a c a

b

c poros putar

kont

ak g

eser



4.2.2 Pengukur Regangan (Strain-gauge)

Untuk menentukan besaran fisik tertentu, sering kali besaran itu tidak dapat diukur secara langsung. Sebagai contoh adalah besaran gaya khususnya yang bersifat dinamis sering tidak dapat diukur secara langsung menggunakan suatu jenis sensor elektronik tunggal. Gaya dapat diukur dengan cara pengukur pengaruh yang ditimbulkan pada suatu media perantara, misalnya regangan batang akibat gaya tarik. Regangan benda dapat diukur dengan menggunakan strain-gauge berupa wire-grid yang dirakit diantara dua lembar kertas/lapisan tipis seperti pada Gambar 4.6.

Gambar 4.4 Koneksi Potensiometer: (a) Sederhana, (b) Dapat Diatur

FS adjust

Zero adjust

Vsupply Vout

+

-

Vout + -

+V

-V

Gambar 4.5 Penentuan Nilai Resistansi Terukur pada Berbagai Macam Kondisi

Pemasangan



Jika strain-gauge yang telah terakit mendapat beban tarik, maka wire-grid yang terpasang di antara kedua kertas tipis penutupnya akan memanjang. Berdasarkan hukum fisika, maka akan terjadi pertambahan nilai resistansi sesuai dengan besarnya perpanjangan wire-grid tersebut. Perubahan ini dipengaruhi oleh jenis bahan yang dipakai untuk membuat strain-gauge itu.

Ada banyak macam strain-gauge yang digunakan untuk berbagai aplikasi. Jika macam regangan yang bekerja lebih dari satu arah, maka strain-gauge jenis Rosette dapat digunakan. Beberapa contoh bentuk strain-gauge ini ditunjukkan pada Gambar 4.7. Jenis yang paling umum dipakai dan mudah didapatkan di pasaran adalah jenis single element dan two-element Rossette.

Pada pengukuran besaran gaya, langkah pertama adalah menentukan regangan yang terjadi pada suatu titik pada lengan gaya. Bila sebuah beban P bekerja pada suatu batang gaya seperti pada Gambar 4.8, maka pada jarak d dari beban P akan dirasakan momen tekuk (bending) sebesar Md yang selanjutnya akan menyebabkan regangan pada bagian sisi atas dan bawah batang tersebut. Pada kedua sisi tersebut dipasang dua buah strain-gauge A dan B. Adanya regangan itu menyebabkan perubahan nilai resistansi kedua strain-gauge tersebut sesuai dengan sifat elemen pengukuran ini. Hubungan antara beban yang bekerja dengan perubahan nilai resistansi strain-gauge dapat diturunkan sebagai berikut:

dPMd ⋅= (4.1)

IcMd ⋅

=σ (4.2)

Gambar 4.6 Pemasangan Strain-gauge di Antara Dua Kertas Tipis

kertas tipis

disolder dgn wire grid

wire grid

kertas tipis sumbu

pasif



dimana σ = tegangan normal pada sisi atas/bawah batang tempat strain-gauge dipasang, c = setengah tebal batang, dan I = momen inersia penampang batang.

Dalam teori ilmu bahan diketahui bahwa σ = E.ε, dimana E adalah modulus Young bahan dan ε = regangan yang terjadi karena tegangan yang bekerja (dL/L). Sementara itu suatu bahan kawat dengan panjang dan diameter tertentu, terdapat nilai hambatan R, sebesar:

ALR ρ

= (4.3)

Gambar 4.8 Pengukuran Beban dengan Sepasang Strain-gauge

d A

B RC

RD

VS VO

P

Gambar 4.7 Strain-gauge untuk Mengukur Berbagai Arah Beban



dimana R = resistansi (ohm), ρ = resistivitas (ohm.m), L = panjang kawat (m), dan A = luas penampang kawat (m2).

Karena adanya regangan pada permukaan batang tempatnya menempel, maka strain-gauge juga akan ikut mengalami regangan (perpanjangan/pemendekan). Dengan kata lain akan terjadi perubahan panjang dan penampang pada kawat strain-gauge yang secara umum dapat dinyatakan dari turunan differensial Pers. (4.3):

AdA

LdLd

RdR

−+=ρρ (4.4)

Rasio dR/R (atau ε) ini terjadi karena adanya perubahan panjang dan penampang kawat yang tidak lain merupakan pengaruh langsung dari regangan. Dengan penurunan lebih lanjut dan mengacu pada definisi rasio Poisson, maka diperoleh hubungan:

ρρ

νεd

RdR

axial ++= )21( (4.5)

dimana ν = rasio Poisson. Secara komersial, strain gauge di pasaran dijual dengan menyatakan nilai Faktor Gauge (GF) sehingga Pers. (4.5) dapat dinyatakan dalam bentuk yang lebih sederhana yakni:

GFRdR

axial ⋅= ε (4.6)

dimana )21( νρε

ρ++=

axial

dGF (4.7)

Bentuk two-element dan three-element Rosette biasanya digunakan pada pengukuran tegangan (gaya) dua arah. Untuk mengukur gaya yang bekerja di ruang 3-dimensi, diperlukan teknik pemasangan strain-gauge secara khusus. Penggunaan pengukuran regangan diperlihatkan pada contoh pengendalian robot fleksibel pada Sub-bab 8.2.3. Pada Sub-bab 9.9 akan dijelaskan secara lebih rinci konstruksi sensor untuk pengukuranan gaya 3-dimensi beserta rangkaian elektronik dasar yang dibutuhkan.

4.2.3 Sel Cahaya (Photo-cell)

Elemen sel sinar yang lebih dikenal degan nama photo-cell adalah elemen listrik yang sifat-sifatnya dipengaruhi oleh jumlah cahaya yang mengenai dirinya. Cahaya merupakan salah satu besaran fisik yang dapat langsung dideteksi oleh elemen



foto-sel. Suatu kondisi pencahayaan tertentu akan menyebabkan foto-sel memiliki nilai resistansi tertentu pula. Bila kondisi ini terganggu, hal ini bisa terjadi karena terhalangnya sinar atau sebab lainnya, maka nilai resistansi tersebut akan berubah sesuai dengan jumlah cahaya yang masih diterima. Contoh penerapannya adalah optocoupler, digital optical encoder, alat pendeteksi asap dan lain-lain.

Rangkaian pemutus arus tak langsung dengan menggunakan foto-sel (foto-resistor) seperti ditunjukkan pada Gambar 4.9 merupakan contoh sederhana pemakaian foto-sel. Bila saklar Sw ditekan, maka arus mengalir pada loop kiri dan menyebabkan foto-diode aktif. Sinar akan terpancar di dalam optocoupler dan mengenai foto-sel, yang akan menyebabkan adanya penurunan nilai tahanannya, selanjutnya menyebabkan arus mengalir pada loop kanan. Cara pemutusan arus secara tidak langsung seperti ini cocok/lebih aman dipakai bila loop kanan memiliki tegangan Vcc yang tinggi.

Untuk proses pengukuran dengan tingkat ketelitian yang tinggi, photo-cell dipakai pada rangkaian pengukur perpindahan. Istilah pita-Moiré dikenal pada alat ukur perpindahan linier dengan memanfaatkan bayangan interferensi antara garis-garis vertikal dan susunan garis miring suatu lembar mika bergaris, seperti terlihat pada Gambar 4.10.

Pada gambar ini ditunjukkan kondisi saat pita-Moiré menghalangi jalannya sinar dari sumber sinar menuju photo-cell di depannya. photo-cell ke-dua pada tumpukan (b) yang terhalang oleh garis interferensi, sehingga secara digital kondisi ke-empat photo-cell (a, b, c, d) dapat dinyatakan dengan bilangan biner: 1 0 1 1. Bila lembar mika utama bergeser ke kiri sejauh ¼ ukuran garis, maka posisi garis interferensi akan berpindah ke atas, sehingga photo-cell ke-tiga (c) yang akan tidak terhalang. Kondisi setelah pergeseran ini dapat dinyatakan secara biner: 1 1 0 1 dan seterusnya. Dengan mengamati perubahan nilai biner ini, maka besarnya perpindahan dapat diketahui.

Gambar 4.9 Contoh Pemutus Arus dengan Optocoupler

photo- cell

optocoupler

Vs

Sw

Rs Rc

Vcc



4.2.4 Resistance Temperature Detector (RTD)

Suatu komponen elektronik resistif lain dapat berperan pada sistem pengukur disipasi panas. Untuk tujuan itu digunakan komponen yang disebut resistance temperature detector. Dengan mengetahui kenaikan nilai resistansinya yang sebanding dengan kenaikan temperatur, maka dapat diketahui berapa besar panas (daya) yang terbuang.

RTD terbuat dari logam murni atau paduan tertentu dimana nilai resistansinya meningkat dengan kenaikan temperatur dan sebaliknya bila temperatur turun resistansinya juga mengecil. Sebuah komponen RTD pada dasarnya adalah resistor yang sensitif terhadap perubahan temperatur. Jenis material yang paling baik digunakan sebagai sensor RTD adalah logam murni dengan kualitas yang seragam, stabil dalam suatu rentang temperatur tertentu, dan mampu memberikan pembacaan resistansi-temperatur secara bolak-balik. Sayangnya hanya beberapa jenis logam saja yang memiliki sifat-sifat yang diperlukan dalam penggunaan elemen RTD ini.

Probe RTD beserta rakitannya merupakan perangkat yang memiliki rentang yang luas dalam hal produk pengindera temperatur elektronik jenis solid-state. RTD berkerja berdasarkan prinsip perubahan resistansi listrik pada logam murni. Karena sifat linieritas, kestabilan dan keakuratannya pada rentang temperatur yang lebar, maka RTD telah menjadi acuan utama bagi perangkat pengukuran temperatur sejak lama. Bila dibandingkan dengan termokopel ataupun termistor, RTD dikenal sebagai elemen pengindera temperatur yang paling mahal.

Umumnya ada tiga macam konstruksi elemen RTD. Bentuk wire-wound dibuat dengan menggulung kawat berdiameter kecil ke dalam bobbin yang cocok

Gambar 4.10 Pengukuran Perpindahan Linier dengan Pita Moiré

Pita Moiré

gerakan mesin

a

4-buah photo-cell

sumber sinar

b

c

d



(Gambar 4.11 b). Berbagai cara bisa dilakukan untuk menjaga elemen gulangan kawat dari beban kejut dan getaran. Salah satu cara yang dipakai adalah dengan menggunakan bobbin keramik dengan seal gelas atau epoxy disekujur gulungan dan kemudian dipatri.

Alternatif lainnya adalah elemen gulungan spiral kawat dalam mica card (Gambar 4.11 a) dan thin-film (Gambar 4.11 c). Elemen ini terdiri dari lapisan logam dasar tipis yang dipendam dalam substrat keramik dan dipotong dengan laser hingga mencapai nilai resistansi yang diinginkan. Elemen thin-film bisa mencapai resistansi yang lebih tinggi dengan jumlah material logam lebih sedikit, sehingga jenis ini cenderung lebih murah.

RTD bisa berfungsi sebagai transduser elektrik, yang mengkonversi perubahan temperatur menjadi signal tegangan dengan pengukuran resistansi. Resistor ini adalah peralatan yang memiliki koefisien temperatur positif, yang berarti bahwa resistansinya meningkat dengan kenaikan temperatur (Gambar 4.12). Seperti logam pada umumnya, resistansi logam meningkat dengan kenaikan temperatur. Sifat resistif yang sangat sensitif terhadap perubahan temperatur ini merupakan keunggulan elemen ini.

Logam platina adalah elemen yang paling utama sebagai bahan RTD, walaupun nikel, tembaga dan paduan balco (nikel-besi) juga bisa digunakan. Logam-logam ini adalah material terbaik bagi penerapan RTD karena sifat-sifat linearitas resistansinya akibat temperatur, koefisien resistansinya yang tinggi, dan kemampuannya menghadapi siklus temperatur yang berulang-ulang. Koefisien resistansi terkait dengan perubahan nilai resisitansi per derajat perubahan temperatur, biasanya dinyatakan dalam % per derajat temperatur. Platina menjadi material populer karena rentang temperaturnya yang lebar, keakuratan, stabilitas, dan juga derajat standar di antara para produsen. Elemen ini menghasilkan signal

Gambar 4.11 Beberapa Contoh Tipe Elemen RTD



yang paling linier terhadap perubahan temperatur di antara perangkat pengindera elektronik manapun.

Dari ilustrasi di atas, dapat disimpulkan bahwa elemen RTD memiliki hal-hal khusus seperti:

1. Nilai resistansi RTD akan bervariasi secara langsung dengan perubahan temperatur: a) Bila temperatur meningkat, resistansi juga meningkat, b) Bila temperatur mengecil, resistansi juga mengecil,

2. RTD biasanya dibuat menggunakan kawat seperti pegas yang sangat halus, bersifat murni dan metalik dimana di luarnya dibungkus dengan suatu isolator dan diselubungi dalam tabung logam,

3. Suatu perubahan temperatur akan mengakibatkan elemen RTD memanas atau mendingin, kemudian menghasilkan perubahan nilai resistansi yang proporsional. Perubahan ini diukur dengan instrumen ukur presisi yang terkalibarasi untuk mendapatkan pembacaan yang benar.

4.2.5 Termistor

Termistor adalah salah satu sensor panas paling populer, yang pada dasarnya adalah suatu resistor dengan koefisien temperatur yang sangat tinggi. Sebaliknya dari RTD, termistor akan menunjukkan penurunan nilai resistansi pada saat terjadinya kenaikan temperatur. Penurunan nilai ini sangat curam dengan sedikit kenaikan temperatur, sehingga alat ini cocok sekali untuk pengukuran temperatur yang teliti. Secara skematis, pola perubahan nilai tahanan ini ditunjukkan pada Gambar 4.12, beserta beberapa bentuk fisik termistor yang ada di pasaran.

Gambar 4.12 Respon Beberapa Elemen yang Sensitif Terhadap Temperatur

V / R

Termocouple

RTD Termistor

T



Kurva individual termistor dapat didekati paling cocok dengan menggunakan persamaan Steinhart-Hart, sebagai berikut:

3)(lnln1 RCRBAT

++= (4.8)

dimana A, B, dan C = konstanta curve-fitting, B = resistansi termistor, T = temperatur dalam Kelvin. Dengan tiga titik data dalam rentang sampai dengan 100OC di sekitar pusat rentang termistor, maka kurva ini memberikan kecocokan penunjukkan hingga ± 0,02OC.

Termistor umumnya terbuat dari bahan semikonduktor. Walaupun terdapat termistor dengan koefisien temperatur positif, tapi kebanyakan memiliki koefisien temperatur negatif. Karena beberapa keterbatasannya, termistor biasanya dibatasi hanya untuk mengukur temperatur hingga beberapa ratus OC saja.

Termistor dapat dibuat sangat kecil yang berarti alat ini akan merespon sangat cepat terhadap perubahan temperatur. Hal ini juga berarti bahwa massa termalnya yang kecil akan membuat alat ini terhindar dari kesalahan pemanasan diri (self-heating error).

4.3 Sensor Kapasitif

Perpindahan suatu objek ukur dapat diterjemahkan dalam bentuk perubahan luas penampang, atau jarak antara dua pelat logam yang saling berhadapan dan terpisahkan oleh material dielektrikum atau isolator (Gambar 4. 13). Konsep dasar itulah yang digunakan dalam sensor kapasitf. Bila dua pelat logam yang berhadapan satu sama lain diberi polaritas positif dan negatif, maka perubahan posisi yang terjadi dapat diketahui dengan mengukur besar perubahan tegangan di antara kedua pelat tersebut.

Perubahan tegangan ini merupakan fungsi dari beberapa variabel yang dapat dijabarkan secara umum seperti pada persamaan berikut:

V = ƒ(d, A, N, ε) (4.9)

dimana d = jarak antar pelat, A = luas penampang yang saling berhadapan, N = jumlah pasangan pelat dan ε = dielektrikum di antara ke dua pelat.

Karena keterbatasan luas penampang yang selalu berhadapan satu dengan lainnya ataupun jarak antar keduanya, maka besar perpindahan yang dapat diukur juga terbatas. Sensor ini cocok dipakai untuk mengukur kehalusan permukaan suatu benda atau getaran suatu objek ukur. Nilai kapasitansi (C) dari dua plat kapasitor dapat dinyatakan sebagai berikut:



dAC orεε

= (4.10)

dimana εr = permitivitas relatif dari dielektrikum (konstanta dielektrik), εo = konstanta yang dikenal dengan permitivitas ruang hampa (vacuum), simbol lainya sama dengan di atas.

Karena bentuk input perubahan yang mungkin terjadi sangat bervariasi, maka Pers. (4.9) harus disesuaikan dengan kasus-kasus yang mungkin terjadi. Beberapa hal khusus tersebut itu diantaranya adalah:

1. Gambar 4.13 (a) untuk kasus perubahan posisi bahan dielektrik:

[ ]xldwC o )( 122 εεε

ε−−= (4.11)

2. Gambar 4.13 (b) untuk kasus sensor tekanan kapasitif:

PEdt

aCC

3

42

16)1( ν−

=Δ (4.12)

Gambar 4.13 Sensor Perpindahan Linier Menggunakan Sifat Kapasitif

x

+

d~ (e) (f)

+

A~

+

(d)

x

w

A~

ε2 t

d

a

l

x ε1

y

P

ε h

l

b

a

(a)

(b)

(c)



dimana C = (ε0πa2/d) adalah kapasistansi saat tidak ada tekanan.

3. Gambar 4.13 (c) untuk kasus sensor level (ketinggian) kapasitif:

[ ]hl

ab

C r

e

oh )1(

)(log

2−+= ε

πε (4.13)

4. Gambar 4.13 (d) kasus sensor perpindahan dengan perubahan luas:

)( wxAd

C or −=εε (4.14)

5. Gambar 4.13 (e) untuk kasus sensor perpindahan dengan perubahan jarak pemisah:

xdAC or

+=

εε (4.15)

6. Gambar 4.13 (f) untuk kasus sensor perpindahan dengan perubahan luas silinder, yakni:

)2( 2xrAd

C or πεε

−= (4.16)

4.4 Sensor Induktif

Pengindera induktif (yang didasari oleh variable-reluctance) memanfaatkan adanya perubahan induktansi dari suatu lilitan (induktor) pada saat berada dekat dengan material feromagnetik, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4.14 dan 4.16. Nilai induktansi itu meningkat pada saat material feromagnetik dimasukkan ke dalam (Gambar 4.14 a), ataupun mendekati lilitan (Gambar 4.14 b). Untuk membaca signal keluaran yang dihasilkan maka induktor ini harus dirangkai dalam suatu rangkaian jembatan yang diberi catu daya listrik AC (Gambar 4.15).

Dalam jembatan ini dipasangkan satu dummy sensor yang berupa induktor kedua (bersifat variabel) pada lengan yang berseberangan dengan sensor induktif pertama. Kadangkala induktor ini digabungkan bersama-sama di dalam konstruksi transduser yang dibuat. Output dari rangkaian penguatan ini akan berupa tegangan AC yang sebanding dengan perpindahan material magnetik dan dapat diukur pada voltmeter atau melalui rangkaian pengubah arus AC-ke-DC. Perubahan induktansi yang terjadi dikonversi secara linier menjadi tegangan mengikuti hubungan Pers.(4.17) berikut:



xKRRVV L

o

bacout 4

= (4.17)

dimana KL = sensitivitas induktansi terhadap posisi, dan x = perpindahan posisi inti/bahan feromagnetik terhadap lilitan.

Untuk membahas elemen pengindera yang bersifat induktif, pertama harus dikemukakan kembali konsep rangkaian megnetik. Dalam suatu rangkaian listrik, gaya gerak listrik (e.m.f.) menyebabkan arus mengalir melalui suatu hambatan, dan besarnya dapat dinyatakan dalam hubungan Pers. (4.18):

e.m.f = arus × hambatan (4.18)

Sementara pada rangkaian magnetik seperti pada Gambar 4.16 (a) ditunjukkan suatu rangkaian yang terdiri dari loop atau inti material feromagnetik yang dililit dengan kawat sebanyak n putaran dan dialiri arus listrik sebesar i. Secara analogi, maka dapat diketahui besarnya gaya gerak magnetik (m.m.f) sebesar:

m.m.f = flux × reluktansi = φ × ℜ (4.19)

Gambar 4.15 Rangkaian Penguat Jembatan Untuk Sensor Induktif

2Ra

Vac

sensor

induktor dummy

741Vout

2Ra Rb

Gambar 4.14 Pengindera Induktif: (a) Tipe Solenoid, (b) Tipe Celah-udara, (c) Rangkaian Ekivalennya

(a) (b)

L0+ΔL

(c)

x x



Dengan definisi bahwa induktansi diri suatu lilitan L adalah total flux (N = nφ = n2i/ℜ) per satuan arus, maka didapat:

ℜ==

2niNL (4.20)

Pers. (4.20) memungkinkan seseorang menghitung induktansi dari suatu elemen pengindera. Reluktansi rangkaian magnetik ℜ ini dapat dihitung dengan:

Α=ℜ

or

lμμ

(4.21)

dimana l = panjang total lintasan flux, μr = permeabilitas relatif material, μo = permeabilitas di ruang hampa dan A = luas penampang lintasan flux.

Pada Gambar 4.16 (b) ditunjukkan inti yang terpisah oleh celah udara yang dapat berubah-ubah lebarnya, sehingga reluktansinya adalah total reluktansi inti dan celah udaranya. Karena nilai permeabilitas relatif udara mendekati satu sedangkan untuk inti mencapai beberapa ribu sehingga keberadaan celah menyebabkan kenaikan nilai reluktansi rangkaian ini dan menurunkan nilai

Gambar 4.16 Contoh Elemen Reluktansi Variabel

(b)

Celah udara

Permeabilitas armatur μA

(c)

d

Radius r R

L Lintasan flux pusat

Permeabilitas inti μc

2r

t

(d)

n lilitan

(a)



induktansi yang terkait. Jadi, perubahan kecil saja pada celah udara menyebabkan perubahan induktansi yang cukup terukur sehingga bisa didapat cara kerja mendasar dari sensor perpindahan induktif ini.

Contoh sensor induktif berbentuk semi-toroid ditunjukkan pada Gambar 4.16(c). Sensor ini terdiri dari tiga elemen yakni inti fero-magnetik berupa semi toroid, celah udara dan plat fero-magnetik (armatur). Reluktansi total rangkaian magnetik ini adalah jumlah semua reluktansi yang ada:

ℜtotal = ℜinti + ℜcelah + ℜarmatur (4.22)

rtR

rd

rR

Actotal μμπμμμ 0

20

20

2++=ℜ (4.23)

Perubahan nilai reluktansi di atas dapat dipakai pada Pers. (4.21) untuk menghitung nilai induktansi suatu lilitan magnetik. Selanjutnya dengan memakai Pers. (4.20), seseorang dapat menghitung perubahan induktansi suatu rangkaian magnetik karena adanya perubahan reluktansi oleh pergerakan armatur atau yang lainnya.

4.4.1 Jenis Self Inductance

Pemakaian lilitan induktor sebagai pengindera seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.17 (kiri) adalah bentuk yang umum digunakan pada pengindera perpindahan induksi diri. Seperti telah dijelaskan, sensor ini dapat dipakai untuk mengukur perindahan linier suatu armatur berbahan fero-magnetik. Perpindahan armatur ditunjukkan oleh nilai pengukuran pada meter pengukur, sementara gerakan linier roda gigi baik ke kiri/kanan akan memberikan purubahan tegangan yang dapat dibaca pada frekuensi meter Gambar 4.17 (kanan).

magnet permanen N

S

ke frek. meter

gerakan armatur

meter

celah udara

gerakan armatur

exciter

Gambar 4.17 Contoh Elemen Induksi-diri dan Variabel Reluktansi



Dengan mengetahui/memastikan jarak antara armatur dengan inti lilitan, berbagai elemen dapat diidentifikasi berdasarkan jarak ini. Misalnya buah catur elektronik dapat diketahui identitasnya dengan membedakan jarak antar armatur yang tertanam dalam buah catur dengan inti lilitan yang ditanam di meja catur. Setiap buah catur berbeda diberi armatur didasarnya dengan posisi yang unik sehingga satu dengan lainnya dapat dibedakan.

4.4.2 Jenis Mutual Inductance

Bentuk lain prinsip sensor induktif adalah induktansi mutual antara lilitan primer dan lilitan sekunder pada inti fero-magnetik berbentuk U-terbalik. Tegangan imbas akan terjadi pada bagian kanan inti karena adanya induksi imbasan dari lilitan kiri yang mendapat eksitasi dari sumbernya. Perubahan posisi armatur (mendekat/ menjauh) akan mengganggu kondisi induksi imbas dari lilitan primer ke sekunder. Perubahan induksi pada lilitan sekunder ini bersesuaian dengan gerakan mendekat/menjauh armatur (Gambar 4.18). Dengan mengukur tegangan induksi pada lilitan sekunder, berarti seseorang dapat menentukan perubahan posisi armatur tersebut.

4.4.3 Jenis Two-coil Inductance Ratio

Pemanfaatan lain sifat induktansi gulungan adalah dengan membandingkan nilai induktansi dua gulungan yang saling bekaitan (Gambar 4.19). Metoda two-coil inductance ratio akan menunjukkan perbandingan nilai induktansi antara gulungan kawat kanan dan kiri pada saat inti magnetik dalam gulungan bergerak ke kiri atau ke kanan. Saat inti berada di tengan-tengah, maka rasio induktansinya bernilai satu dan perubahan nilai rasio ini akan terjadi bersesuaian dengan perpindahan posisi inti yang dapat disebabkan oleh gerakan komponen mesin yang sedang diukur.

Gambar 4.18 Contoh Elemen Sensor Induktansi Mutual

gerakan armatur

pengeksitasi ke rangkaian lanjut



4.4.4 LVDT (Linear Varaible Differential Transducer)

Pengindera perpindahan lainnya yang memanfaatkan perubahan induktansi adalah LVDT seperti pada Gambar 4.20 (a). Pada tahun 1831, Michael Faraday membuktikan bahwa arus listrik dapat diinduksikan dalam material konduktor melalui suatu medan magnet. Penemuan ini berlanjut dengan penelitian lainnya, hingga pada tahun 1940 diterbitkan Paten di AS untuk G.B. Hoadley memanfaatkan teori dari Faraday dalam penggunaan LVTD sebagai alat ukur perpindahan linier dan kecepatan suatu objek. Hasil penelitian yang dipatenkan itu menyatakan bahwa amplitudo output LVDT berubah secara linier sesuai dengan perpindahan intinya.

Prinsip kerja elemen ini mirip dengan transduser induktif, tetapi prinsip dan karakteristik listriknya berbeda. LVTD terdiri dari suatu inti/material ferrit yang bergerak di dalam suatu gulungan (koil) kawat yakni: sebuah gulungan primer dan dua gulungan sekunder. Dalam operasi normal, poros dihubungkan dengan suatu objek ukur dan suatu eksitasi tegangan diterapkan pada gulungan primer sehingga timbul medan magnet AC. Tegangan yang dipakai tergantung pada kondisi gulungan, yakni antara 1 – 10 Volt. Rentang frekuensi tegangan yang dipakai adalah: 60 – 25 kHz. Kedua gulungan sekunder tersebut masing-masing berada di kedua sisi gulungan primer dan keduanya dihubungkan sedemikian sehingga

Gambar 4.20 Gulungan LVDT dan Hubungan Input-Outputnya

rentang linier

gerak armatur

volt

+x -x

(b)

gerakan armatur

gulungan primer

gulungan sekunder Vs

Vp (a)

Gambar 4.19 Contoh Elemen Sensor Rasio Induktansi Dua-koil

gerakan armatur

L-kiri L-kanan



outputnya saling berbalikan. Kopling antar kedua gulungan itu ditentukan oleh gerakan inti di dalamnya.

Pada posisi tepat di tengah gulungan, fluks magnet yang dibangkitkan pada koil primer akan dikopel secara seimbang oleh koil sekunder. Pada kondisi ini, beda tegangan antara kedua koil sekunder adalah nol. Ketika poros bergerak dari posisi tengah tadi, maka akan muncul kopel fluks magnetik yang lebih besar pada salah satu dari koil sekunder tersebut seperti pada Gambar 4.21 (a) dan (c). Di sini jelas terlihat sepasang gulungan mendapat induksi maksimum sementara pasangan lainnya mendapat induksi minimum. Hal ini akan menghasilkan beda tegangan positif atau negatif. Dengan menggunakan polaritas dan besarnya tegangan tadi, maka posisi poros dapat ditentukan.

Ketika inti bergerak ke satu arah, kopling ke salah satu gulungan sekunder meningkat sehingga tegangan outputnya juga meningkat. Untuk rentang jarak tertentu nilai outputnya linier dengan pergerakan inti x, yakni:

Vs = Vp.K.x (4.24)

dimana K adalah sensitivitas dan x adalah gerakan inti ke kiri atau kanan. Gambar 4.22 menunjukkan salah satu contoh gambar potongan dalam suatu komponen LVDT yang banyak digunakan.

Gambar 4.21 Gulungan LVDT dan Hubungan Input-Outputnya

Vs=E1-E2=0

NOL

S1 P S2

(b) inti KIRI Max

Vs=E1-E2

S1 P S2

(a) inti

Vs=E2-E1

KANAN Max

S1 P S2

inti (c)

Gambar 4.22 Contoh Komponen LVDT yang Banyak Digunakan



Dari keterangan di atas dapat disarikan bahwa signal output yang dihasilkan pada gulungan sekunder LVDT adalah tegangan AC (sinusoidal) dengan ciri-ciri sebagai berikut: a. Proporsional dengan perpindahan intinya, b. Umumnya linier sepanjang suatu daerah kerja operasi dimana setelah rentang

tersebut kondisi non-linearitas sering terjadi, c. Terdapat pembalikan fasa 180º pada sisi lain dari titik nol, d. Cacat harmonik pada tegangan masuk yang disebabkan oleh:

1. Kedua koil sekunder tidak benar-benar identik, 2. Ketika inti benar-benar di tengah, tegangan output sering tidak bernilai nol,

tetapi berupa suatu nilai minimum saja.

4.5 Sensor Ultrasonik

Sensor ultrasonik menawarkan cara untuk melakukan pengukuran jarak tanpa adanya kontak. Suatu sensor ultrasonik bekerja dengan cara mengukur waktu tempuh yang diperlukan oleh gelombang suara ultra (gelombang tekanan) menjalar sejak keluar dari pembangkit suara ke suatu objek hingga saat pantulannya tiba kembali ke sensor tersebut. Gelombang atau pulsa ultrasonik (dengan frekuensi antara 200 - 500 kHz tergantung pada produknya) yang dibangkitkan oleh transmiter menjalar dengan kecepatan suara, kemudian dipantulkan kembali oleh target dan gelombang pantulnya dideteksi oleh unit penerima, seperti yang ditampilkan dalam Gambar 4.23.

Pengukuran selang waktu itu digunakan untuk menentukan jarak sampai ke posisi objek (target) tersebut. Suatu mikro-kontroler menganalisis signal yang diterima dan mengukur interval waktu antara signal yang ditransmisikan dan signal yang terpantul. Semakin jauh jarak objek, semakin lama waktu yang

target

transmitter dan receiver

target transmitter dan receiver

Gambar 4.23 Pemancar dan Penerima Gelombang Ultrasonik



diperlukan gelombang suara untuk menjalar. Sensor ultrasonik dirancang untuk aplikasi industri standar yang melibatkan pendeteksian keberadaan objek. Karena sensor ini tidak dilengkapi dengan rangkaian listrik yang redundan, maka mereka kurang cocok untuk penggunaan pada aplikasi keamanan. Secara umum contoh penerapan sensor ultrasonic ditampilkan pada Gambar 4.24.

Untuk menjamin operasi yang efisien dalam jangka panjang terkait dengan ketahanan kimia, maka perlu dijaga agar setiap zat kimia yang masuk dan berkontak dengan sensor ultrasonik ini tidak mempengaruhi pembungkusnya (casing) sehingga kehandalan operasi sensor tersebut dapat terjaga. Untuk kebutuhan itu, maka sensor ini harus sangat tahan terhadap zat-zat kimia seperti:

a) garam, minyak alifatik dan aromatik, b) minyak (bensin), basa dilusi dan asam.

Kelebihan sensor ultrasonik ini adalah mampu mendeteksi tanpa kontak, setiap objek tanpa ditentukan oleh:

1. jenis materialya (logam, plastik, kayu, kardus, dll), 2. kondisi alamiahnya (padat, cair, bubuk, dll), 3. warnanya, 4. derajat kebeningannya.

Jenis sensor ini cocok digunakan dalam berbagai penerapan di industri misalnya untuk mendeteksi:

Gambar 4.24 Berbagai Aplikasi Sensor Ultrasonik di Industri



1. posisi berbagai part dari mesin, 2. keberadaan kaca depan pada proses perakitan bodi mobil, 3. aliran objek di atas sistem konveyor: botol, kotak, dos kue, dll, 4. tingkatan/kadar isian:

a) cat berbeda warna dalam kaleng, b) palet plastik di dalam pengumpan mesin pencetakan injeksi.

Sensor ultrasonik mudah dipasang kerena sistem perkabelannya yang sudah terintegrasi baik dan ketersediaan kabel dan perlengkapan yang sudah pasti. Keunggulan pendeteksian dengan sensor ultrasonik adalah:

1. Tidak ada kontak fisik dengan objek yang akan dideteksi, karenanya, tidak akan ada keausan dan cara ini memungkinkan untuk melakukan pendeteksian objek yang mudah pecah (fragile) atau objek yang baru saja dicat, dan lain-lain,

2. Pendeteksian terhadap material jenis apapun, tidak peduli dengan warnanya, pada jarak yang sama tanpa perlu pengaturan atau faktor koreksi,

3. Resistansi yang sangat bagus terhadap lingkungan industri (merupakan jenis produk/elemen yang tangguh dimana seluruhnya dibungkus dalam resin),

4. Unit alat ini bisa berupa solid-state: tidak ada part yang bergerak di dalam sensor, karenanya umur pakai tidak tergantung pada jumlah siklus operasinya.

4.6 Sensor Temperatur

Hampir semua sifat listrik material atau peralatan bervariasi sebagai fungsi terhadap temperatur dan secara prinsip dapat dianggap sebagai sensor temperatur. Salah satu sensor temperatur yang paling dikenal adalah termistor. Selain termistor, terdapat elemen termokopel yang terbuat dari dua konduktor yang berbeda, biasanya kawat logam.

Bila dua kawat yang terbuat dari logam berbeda disambungkan pada kedua ujungnya, dan salah satu ujungnya dipanaskan, maka akan muncul suatu arus kontinu yang mengalir dalam sirkuit termoelektrik. Fenomena ini ditemukan oleh Seebeck di tahun 1821. Saat sambungannya dipanaskan, maka suatu tegangan termoelektrik kecil akan dihasilkan dimana nilainya meningkat mendekati linier sesuai dengan kenaikan temperatur titik sambungan. Pada kenyataannya selalu terdapat dua titik sambungan, yakni: titik sambungan pengukuran dan titik referensi, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.25.

Pada titik sambungan kedua metal dibagian manapun selalu terdapat perbedaan potensial v12 sebagai konsekuensi dari perbedaan konsentrasi efektif elektron dari kedua logam. Kedua titik sambungan tersebut dihubungkan ke rangkaian dengan polaritas yang terbalik. Apabila keduanya ada pada temperatur



yang sama, maka beda potensial antar keduanya saling meniadakan (ΔVT = v12 – v21 = 0). Bila tidak, ΔVT ini bisa positif/negatif tergantung apakah T lebih besar atau lebih kecil dari pada TR.

Sebenarnya ingin diketahui nilai tegangan v1 yang menjadi output dari sambungan T1. Untuk itu, maka dibuat sambungan T2 dari tembaga-constantan yang akan menghasilkan e.m.f (v2) yang berlawanan dengan v1 (Gambar 4.26). Pembacaan tegangan (v) dalam voltmeter akan bergerak proporsional sesuai dengan perbedaan temperatur antara titik T1 dan T2. Hal ini berarti bahwa T1 tidak akan dapat ditentukan bila tempertur T2 tidak diketahui terlebih dahulu.

Salah satu cara termudah untuk menentukan nilai T2 terlebih dahulu adalah dengan mencelupkan sambungan tersebut ke dalam bak es, memaksa temperaturnya menjadi 0O C dan menjadikan T2 sebagai titik referensi (Gambar 4.27). Karena terminal sambungan dalam voltmeter terbuat dari tembaga-tembaga, maka tidak dihasilkan e.m.f termal, sehingga pembacaan tegangan (v) pada

T2

T1

- Cu

Cu

C

v1 +

v2 - +Cu

Cu

T3

T2

+

-

Cu T1

C

v - v1

+

Voltmeter

Gambar 4.26 Rangkaian Pengukuran Termokopel dengan Voltmeter

TR

T

v v12 T

TR

Metal 1

Met

al 2

Metal 1

Metal 1 Metal 2

ΔVT

(a) (b)

Gambar 4.25 Sambungan Termokopel: (a) Beda Potensial Antar Titik Sambungan, (b) Daerah Titik Pengukuran dan Titik Referensi



voltmeter hanya tergantung dari temperatur T1 saja. Metoda ini menjadi sangat akurat karena temperatur bak es dapat dikendalikan dengan tepat. Titik beku es ini juga digunakan oleh NBS (National Bureau of Standard, AS) sebagai titik referensi fundamental dalam membuat tabel pengukuran termokopel sehingga setiap pembacaan voltmeter (v) dapat langsung dikonversikan ke temperatur T1 dari tabel tersebut.

Cara lain untuk mendapatkan pengukuran dengan termokopel secara langsung tanpa harus menyiapkan bak es adalah menggunakan termistor dengan nilai resistansi RT. Karena nilai resistansinya merupakan fungsi temperatur, maka sambungan tempat termistor dipasang (T3 dan T4) yang berupa blok temperatur akan dijadikan sebagai temperatur absolut (Tref) dari sambungan acuan (Gambar 4.28). Dengan menggunakan multimeter digital dalam kendali komputer, maka hal yang perlu dilakukan adalah:

1. Mengukur RT untuk menentukan Tref, dan selajutnya ubah Tref menjadi tegangan sambungan referensi vref,

2. Ukur teganan v, dan kurangi dengan vref untuk mendapatkan v1, dan konversikan v1 ke temperatur T1.

Prosedur ini dikenal dengan istilah kompensasi dengan software karena metoda ini sangat bergantung pada software untuk mengkompensasi pengaruh

Cu

Cu

+

-

+

- v

Cu

Cu

LVv

Es

- v1

+v2 + -

T1

Voltmeter

Gambar 4.27 Pengukuran Termokopel dengan Titik Acuan External (Bak Es)

T2 = 0oC

T1

- Cu

v1+

v2 - +-

v+

=

Gambar 4.28 Pengukuran dengan Titik Acuan External Tanpa Bak Es

Cu

T3

T4 -

+

-

RT

Temp. Blok Tref Cu

T1 Fe

C

v v1

Voltmeter

+



sambungan referensi. Jenis sensor temperatur yang bisa dipasang pada terminal blok adalah sensor yang memiliki karakteristik proporsional terhadap temperatur seperti: RTD, termistor atau sensor temperatur IC.

Secara umum dapat disarikan bahwa termokopel memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

1. Suatu termokopel dibuat dari dua buah kawat dari meterial yang tidak sejenis yang disambungkan pada satu ujungnya, dan dibungkus dengan proteksi logam untuk mencegahnya dari kerusakan,

2. Masing-masing ujung termokopel lainnya dihubungkan ke peralatan pengukuran,

3. Pemanasan pada titik sambungan termokopel akan menimbulkan tegangan listrik yang lebih besar dari pada tegangan antara dua titik sambungan referensi,

4. Perbedaan kedua tegangan ini adalah proporsional terhadap perbedaan temperatur dan perbedaan itu dapat diukur dengan sebuah voltmeter.

4.7 Sensor Tekanan

Tekanan merupakan salah satu besaran fisik yang sering menjadi variabel yang secara terus menerus harus diukur dan dikendalikan, khususnya pada industri proses. Kadang kala signal output dari sensor tekanan tidak dapat langsung digunakan sehingga diperlukan transduser sekunder yang bersesuaian untuk mengubahnya, yaitu sensor perpindahan misalnya: strain-gauge, potensiometer, LVDT yang mengubah informasi perpindahan akibat adanya tekanan menjadi signal listrik.

Beberapa elemen elastis pengindera tekanan yang sering digunakan dewasa ini disajikan dalam Tabel 4.2. Semua elemen ini memberikan perpindahan linier ataupun rotasi yang nilainya cukup berarti. Pipa Bourdon (Gambar g s/d i) memiliki kekakuan yang rendah, frekuensi pribadi rendah, tetapi sensitivitas perpindahan yang besar. Pipa Bourdon berbentuk-C dengan diameter putar 50mm bisa memiliki pergerakan ujung hingga 4mm, dan digunakan bersama sensor perpindahan potensiometer. Pipa ini biasanya dibuat dari brass atau phospor-bronze dan mampu menahan tekanan dari 35 kPa hingga 100 Mpa.

Sementara jenis membran, diafragma, kapsul dan bellow (Gambar a s/d f) merupakan elemen yang jauh lebih kaku dengan frekuensi pribadi yang tinggi, tetapi sensitivitas perpindahan yang rendah. Elemen ini digunakan dengan sensor kapasitif atau strain-gauge yang mampu mendeteksi perpindahan yang sangat kecil sebesar 0,1mm atau bahkan kurang.



Tabel 4.2 Berbagai Macam Elemen Elastis Pengindera Tekanan

Suatu contoh rakitan sensor tekanan ditunjukkan pada Gambar 4.29 (a) dimana plat tipis yang telah dipasangi dua strain-gauge diberi tekanan P sehingga terjadi regangan pada tempat strain-gauge (2) dan (3), serta terjadi pengerutan pada strain-gauge (1) dan (4). Selanjutnya output dari keempat sensor dapat dihubungkan ke rangkaian jembatan penguat seperti pada Gambar 2.17.

Gambar 4.29 Pengukuran Tekanan dengan Strain-gauge dan LVDT

(b)

saluran tekanan

core LVDT

output

input

blok penahan

pegas

pipa Bourdon tipe C

(1) (4)

(2,3)

saluran tekanan

P

strain gauge

plat tipis

(a)

a) Membran b) Plat tipis c) Diafragma Catenary

f) Bellow e) Kapsul d) Diafragma Corrugated

g) Pipa Bourdon berbentuk C

h) Pipa Bourdon terpuntir

i) Pipa Bourdon spiral



Dalam hal ini, plat tipis berfungsi sebagai transduser primer, sedangkan strain-gauge sebagai transduser sekunder. Cara pengukuran lainnya dapat dilakukan dengan menggunakan pipa Bourdon yang dilengkapi dengan LVDT untuk mengukur defleksi ujung pipa yang terjadi seperti dalam Gambar 4.29 (b). Output LVDT bisa disambungkan dengan rangkaian jembatan penguat seperti pada Gambar 4.15. Dalam hal ini, pipa Bourdon berfungsi sebagai transduser primer, sedangkan LVDT sebagai transduser sekunder.

Sistem mekanis dapat juga dipakai dalam pengukuran tekanan, misalnya pada mengukuran spesifikasi geometri produk manufaktur dengan menggunakan metoda sistem tekanan balik ataupun sistem kecepatan aliran fluida yang bekerja berdasarkan fluida kerja udara. Sistem ini digabungkan menjadi alat ukur geometrik yang bekerja berdasarkan prinsip pengubah pneumatik [Rochim, 2001].

4.8 Sensor Aliran Fluida (Flowmeter)

Salah satu cara penentuan kecepatan material cair bergerak adalah berupa pengukuran kecepatan aliran fluida. Metoda yang umum dilakukan antara lain dengan aliran volumetrik, aliran massa dan kecepatan aliran. Pengukuran akurat terhadap aliran fluida ini sangat menentukan unjuk kerja berbagai proses industri. Walaupun banyak cara dapat dilakukan untuk mengukurnya, pendekatan umum yang dilakukan adalah mengubah energi kinetik yang dimiliki aliran menjadi bentuk output terukur lainnya.

Metoda yang secara tradisional telah dikenal adalah pengukuran beda tekanan yang terjadi ketika fluida mengalir melewati suatu hambatan semacam orifice. Prinsip pengukuran perbedaan tekanan ini dikenal dengan istilah efek Bernoulli. Pada Gambar 4.30 (a) terlihat bahwa pipa venturi akan menyebabkan adanya drop tekanan (dimana P2 < P1) dan selanjutnya LVDT digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan tersebut. Berdasarkan persamaan Bernoulli, didapat hubungan:

202

10

22

1 VpVp ee ρρ +=+ (4.25)

Perbedaan tekanan (P2 < P1) tadi akan membuat ke dua bellow menghasilkan perpindahan linier yang berbeda dan ditangkap oleh LVDT untuk diubah menjadi pembacaan signal tegangan.

Alternatif lain adalah dengan memasang strain-gauge pada lengan penahan gaya dorong yang dihasilkan oleh fluida. Strain-gauge ini akan memberi informasi tentang defleksi penahan dan terkait langsung dengan laju aliran fluida yang ada. Teknik yang lain adalah dengan menggunakan turbin dimana pada ujung-ujung sudunya dipasang elemen magnet sehingga koil akan mendeteksi magnet lewat dan



menghasilkan pulsa yang menyatakan jumlah putaran poros turbin dan berkorelasi langung dengan kecepatan aliran fluida seperti disajikan dalam Gambar 4.30 (b), (c).

4.9 Sensor Lainnya

Sering sekali dalam mengendalikan suatu sistem mekanis, gerakan komponen sistem merupakan salah satu variabel yang selalu dan terus menerus harus diukur. Dalam hal-hal tertentu, turunan dari perpindahan misalnya kecepatan atau percepatan juga sering dibutuhkan. Selain perpindahan linier, perpindahan rotasional yaitu gerakan benda yang ditahan pada suatu titik putar (engsel) juga sering diperlukan. Ada banyak macam sensor yang tersedia untuk mengukur jarak/perpindahan, putaran dan kecepatan. Berbagai sensor gerakan dapat menghasilkan output berupa pulsa digital ataupun signal analog kontinu yang merupakan respon terhadap gerakan suatu objek.

Sensor digital menggarap informasi posisi yang masuk dengan cara menghitung pulsa dan merujuk jarak yang bersesuaian dengan dua pulsa yang berurutan. Hanya sedikit sensor layaknya encoder optis inkremental dan laser interferometer yang mampu memberikan arah gerak selain posisi yang diukur. Sensor jenis lain menghasilkan output berupa data analog yang sebanding dengan perpindahan linier yang diukur. Jenis sensor ini meliputi: sistem triangulasi laser dan beberapa sensor kedekatan (proximity). Tabel 4.3 merangkum beberapa jenis sensor perpindahan yang menghasilkan output baik digital maupun analog.

Gambar 4.30 Berbagai Cara Pengukuran Aliran Fluida

LVDT

P1 P2 flow

bellow

venturi

(a)

flow

lead

strain gauge

(b)

flow

coil

turbin

magnet

(c)



4.9.1 Encoder Optis Inkremental

Encoder optis inkremental adalah sensor posisi linier/angular yang memanfaatkan berkas sinar dan sistem lensa untuk mengindera gerakan. Karena encoder optis dapat memberi informasi posisi dengan kecepatan tinggi, maka mereka biasanya ditemukan pada sistem kendali umpan balik posisi dan kecepatan. Misalnya, encoder optis sering ditemukan pada sistem pengendali gerakan mesin perkakas, sistem gerak printer dan plotter, peralatan penanganan material, mesin-mesin tekstil dan lain-lain.

Kebanyakan encoder optis putar (rotary) terdiri dari sebuah lempengan kaca yang ditandai garis hitam dengan jarak yang sama, sebuah sumber cahaya (LED) ditempatkan pada salah satu sisi lempeng, dan sebuah pendeteksi sinar (foto-dioda) ditempatkan pada sisi lainnya (Gambar 4.31). Komponen encoder optis putar biasanya dibungkus dalam kotak tertutup yang kokoh. Kotak ini bertujuan untuk menjaga lintasan dan rangkaian elektroniknya dari debu dan material lain yang sering muncul dalam lingkungan industri yang kotor dan jorok.

Saat lempengan berputar, garis hitam tadi untuk sementara menghalangi lintasan sinar yang mengakibatkan encoder mengeluarkan sebuah pulsa. Jumlah pulsa yang dibangkitkan oleh encoder per satu putaran akan menentukan tingkat resolusi encoder. Resolusi encoder (disebut ppr, pulsa per rotasi), biasanya memiliki rentang dari beberapa ppr hingga ribuan ppr. Karena tanda garis pada lempengan terdistribusi dengan jarak yang seragam, maka encoder akan selalu membangkitkan rangkaian pulsa berjarak sama sebagai respon terhadap gerakan putar inkremental poros pemegang lempengan.

Gambar 4.31 Sinar LED Saat Mengenai Foto-sel dan Saat Terhalang



Tabel 4.3 Beberapa Jenis Sensor Gerakan yang Umum Dipakai.

Sensor Penentu Arah Output Rotasi atau

Linier Keterangan

Encoder Optis

Inkremental Ya Digital

(Quadratur) Keduanya

Keakuratan dan kecepatan terbaik untuk harga yang layak. Dilapisi sistem optik pada Encoder yang memberi pertahanan dari lingkungan. Encoder harus ditempel pada objek untuk mengindera gerakannya.

Sensor Pemutus Tidak

Digital (Pulsa

Tunggal) Rotasi

Sensor non-kontak kecil dan tidak mahal. Memerlukan penyesuaian arah. Sensitif terhadap debu dan kelembaban.

Sensor Foto-reflektif Tidak

Digital (Pulsa

Tunggal) Linier Memberi penginderaan non-kontak sederhana dari poros

atau objek berputar lainnya.

Sensor Kedekatan

dan Hall Effect

Tidak Digital (Pulsa

Tunggal) Rotasi

Sensor non-kontak kecil dan kaku. Tidak sensitif terhadap minyak, kotoran, kelembaban dan debu. Memerlukan benda pemantul untuk memicu sensor. Kepala gigi pada roda gigi memberi stimulus alami untuk sensor kedekatan tertentu.

Laser Interfero-

meter Ya Digital

(Quadratur) Linier

Keakuratan terbaik. Sensor non-kontak yang memakai sinar laser terpantul untuk mengukur jarak ke objek. Digunakan untuk melakukan pengukuran perpindahan linier yang akurat.



Tabel 4.3 Beberapa Jenis Sensor Gerakan yang Umum Dipakai (lanjutan).

Sensor Triangulasi Ya* Analog Linier

Sensor non-kontak gerakan linier yang relatif tidak mahal yang memakai sinar laser terpantul untuk mengukur jarak ke objek. Tidak seteliti laser interferometer.

Sensor Magneto-

striktif Ya*

Analog atau Pulsa

Digital Linier

Sensor non-kontak yang memanfaatkan medan magnetik radial yang dipantulkan berupa pulsa regangan, prinsip kerjanya mirip dengan sensor ultrasonik.

Pendeteksi Ultrasonik Ya* Analog Linier Sensor non-kontak yang memanfaatkan pantulan

gelombang suara ultrasonik.

Transduser Perpanjang-

an Kabel Ya* Analog atau

Digital Linier Sensor kontak yang memanfaatkan putaran sudut potensiometer atau encoder karena adanya tarikan tali. Data yang terbaca bisa tegangan listrik atau pulsa.

Sensor LVDT Ya* Analog Linier Sensor kontak yang memanfaatkan induksi magnet

Tachometer Tidak Analog Rotasi Sensor kontak yang mengukur kecepatan putar poros

* Arah dapat diketahui dari kemiringan signal analog yang dihasilkan



Selanjutnya posisi suatu objek dapat diukur dengan menghubungkan output encoder dengan sebuah counter yang menjumlah atau mengurangi setiap kali encoder membangkitkan pulsa tergantung arah putaran yang ada. Nilai counter dapat menunjukkan posisi objek yang ditentukan oleh resolusi encoder. Misal, encoder membangkitkan 10 pulsa per putaran, resolusi pengukuran posisi tidak akan bisa lebih baik dari 0,1 putaran.

Untuk mengetahui arah gerakan dan meningkatkan resolusi efektif encoder, maka dipasanglah pendeteksi sinar ke-2 dan suatu masker yang diselipkan di antara lempengan kaca dan pendeteksi sinar tersebut. Fitur ini ditanam dalam suatu encoder komersial seperti pada Gambar 4.32. Kedua pendeteksi sinar itu dan maskernya diletakkan sedemikian rupa sehingga dua gelombang sinus/kotak (yang outputnya berbeda fasa 90°) dibangkitkan selama poros encoder itu berputar. Arah putaran poros CW atau CCW dapat diketahui dengan menguji kedatangan signal A dan B saat signal Z berstatus high.

Suatu variasi lain dari encoder putar standar adalah encoder dengan poros berlubang (hollow). Encoder berlubang merupakan encoder yang tidak berisi poros. Tidak dengan mengkopling suatu poros yang akan diukur posisinya, encoder berlubang justru langsung dipasang disekeliling poros yang akan diukur. Selanjutnya, encoder berlubang mampu mengeliminasi resonansi yang terkait dengan kopling dan masalah kerumitan penyatuan dua poros yang biasa terjadi.

Encoder optis linier mampu mengindera gerakan linier seperti pada Gambar 4.33. Encoder linier tidak memakai lempengan berputar, tetapi suatu lempeng berskala (ukuran) linier yang ditandai dengan jarak yang sama. Lempeng berskala itu dapat dibuat dari kaca, logam atau pita (logam, plastik, dan lain-lain). Tanda di atas skala itu dibaca oleh suatu rakitan kepala gerak yang berisi sumber cahaya dan pendeteksi sinar.

Gambar 4.32 Encoder dengan Pulsa Arah Kiri dan Kanan

A

Z

B

T

T

T/4

CW



Resolusi encoder linier dinyatakan dalam unit jarak dan ditentukan oleh jarak aktual antar garis skala. Encoder ini tersedia dengan ukuran dari beberapa sentimeter hingga beberapa puluh centimeter dan resolusinya bisa mencapai satu mikron (atau bahkan kurang). Sensor jenis ini banyak dipakai pada mesin perkakas CNC untuk mengukur gerak meja mesin dalam sumbu x, y dan z dan output dikirim ke unit DRO (digital read out).

Encoder optis laser merupakan tipe lain dari sensor gerakan. Walaupun memakai pendekatan pengukuran yang berbeda di dalamnya, alat ini menawarkan fungsionalitas yang sama seperti encoder standar. Encoder optis laser juga memberikan resolusi yang jauh lebih tinggi dengan harga peralatan yang memang lebih mahal. Diantara sensor-sensor gerakan yang tersedia, encoder ini memberikan keakuratan dan kecepatan yang terbaik untuk harga yang masuk akal dan sudah tersedia dari berbagai produsen terkenal.

4.9.2 Sensor Kedekatan/Keberadaan (Proximity)

Sensor-sensor ini memberikan suatu indikasi gerakan dengan mengindera sinar, medan magnet atau ada tidaknya objek. Sifatnya yang tidak berkontak, menawarkan integrasi yang nyaman dengan sistem mekanik yang ada pada saat ini. Sebagai contoh, sensor foto-reflektif (Gambar 4.34 b) dapat dipakai untuk mengindera posisi (kecepatan dan percepatan) dari suatu poros yang berputar dengan hanya menempelkan pita reflektif pada poros tersebut. Ketika poros berputar, sebuah signal dibangkitkan setiap kali pita reflektif itu berada di depan sensor. Walaupun sensor ini hanya menghasilkan satu pulsa per putaran, teknologi edge capturing dapat digunakan untuk mendapatkan resolusi/keakuratan pengukuran yang tinggi pada kecepatan putaran berapapun.

Sensor pemutus menghasilkan sebuah pulsa bila objek pejal memutus berkas sinar yang melewati celah pada sensor (Gambar 4.34 a) sedangkan sensor

Gambar 4.33 Encoder Optis Linier dengan Skala Ukuran Linier

skala

arah gerak lempengan

detector sinar

sumber cahaya



fotoreflektif akan menghasilkan sebuah pulsa bila sensor menerima pantulan sinar (Gambar 4.34 b). Sementara sensor kedekatan dan Hall effect menghasilkan sebuah pulsa bila sensor datang mendekati objek. Tergantung pada rancangan sensor, objek yang didekati bisa bersifat magnetik ataupun tidak (Gambar 4.35).

4.9.3 Laser Interferometer

Laser interferometer digunakan untuk mengukur perpindahan linier suatu objek. Alat ini menawarkan resolusi terbaik dalam pengukuran posisi dengan keakuratan hingga 0,02 ppm (point/m) dan resolusi hingga 0,3 nm. Laser interferometer menggunakan panjang gelombang sinar sebagai unit pengukur posisi dan terdiri dari tiga komponen dasar:

• Suatu sumber laser yang menyediakan berkas sinar monokromatik, • Sistem lensa yang mengarahkan berkas sinar dan membangkitkan pola

interferensi, • Rangkaian elektronik yang mendeteksi dan menghitung fringes interferensi gelap

terang sinar dan menghitung output berupa informasi jarak.

(a) (b)

Gambar 4.34 Sensor Pemutus dan Sensor Fotoreflektif

Gambar 4.35 Sensor Kedekatan dan Hall Effect



4.9.4 Sensor Laser Triangulasi

Sensor laser triangulasi (Gambar 4.36) digunakan untuk melakukan pengukuran perpindahan linier suatu objek secara non-kontak dan beroperasi mengikuti prinsip kerja sebagai berikut: suatu berkas sinar laser (biasanya dari laser semikonduktor) dipantulkan oleh suatu permukaan target. Berkas yang kembali diterima dan difokuskan pada suatu array (jajaran) pengindera jenis CCD. Array CCD ini kemudian mendeteksi nilai puncak sinar dan menentukan posisi target berdasarkan pada posisi titik (spot) berkas. Sensor ini memproduksi tegangan analog (biasanya dalam rentang -10V to 10V) yang sebanding dengan jarak dari target hingga sensor.

4.9.5 Sensor Magnetostriktif

Sensor magnetostriktif digunakan untuk mengukur perpindahan linier suatu objek. Sensor jenis ini beroperasi dengan cara mengirimkan medan magnetik radial melewati pengarah kepada suatu megnet cincin permanen. Suatu pulsa medan magnetik radial (yang memulai proses pengukuran) akan terbentuk ketika suatu pulsa listrik dimunculkan dalam kawat koaksial yang ada di dalam pengarah magnetik tadi (Gambar 4.37).

Gambar 4.36 Laser Triangulasi Sebagai Sensor Posisi

array CCD

objek target

Gambar 4.37 Cara Kerja Sensor Magnetostriktif

medan magnet radial magnet cincin

disambungkan dengan objek ukur

pulsa regangan

Sensor



Magnet cincin permanen tadi, yang bergeser di luar pengarah ditempelkan pada objek bergerak yang akan diukur. Ketika pulsa medan magnetik radial mencapai magnet cincin permanen, interaksi ini akan menyebabkan terbentuknya regangan torsional. Regangan ini menjalar kembali melalui pengarah menuju sensor. Jarak dihitung dengan mengukur waktu dari terbentuknya pulsa medan magnetik radial hingga datangnya pulsa regangan yang dihasilkan.

4.10 Sensor Percepatan dan Getaran

Percepatan merupakan salah satu variabel yang sangat penting dalam pengukuran getaran suatu struktur mekanis. Gaya penyebab timbulnya gataran pada suatu struktur, dapat diukur bila kita bisa mengukur pola getaran yang diakibatkannya. Salah satu alat ukur percepatan yang dikenal adalah akselerometer, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4.38. Getaran seluruh landasan sensor akan ditangkap oleh sensor, misalnya LVDT atau strain-gauge. Dengan mengetahui konstanta pegas, massa dan damper (Gambar 4.38 a) atau kekakuan batang cantilever (Gambar 4.38 b), maka gaya penggetar struktur dapat dihitung. Gaya ini tak lain merupakan perkalian antara massa dengan percepatan gravitasi yang terjadi.

Sensor percepatan pengukur getaran pada mulanya merupakan peralatan

mekanis yang kompleks dan lebih cocok untuk pekerjaan di laboratorium dari pada untuk pekerjaan praktis. Pada Gambar 4.38 ditujukkan contoh akselerometer menggunakan rakitan massa-pegas-damper (a) dan batang cantilever dengan strain-gauge (b). Akan tetapi akselerometer moderen telah banyak memanfaatkan keunggulan teknologi sehingga biayanya, keakuratannya, dan kemudahan pemakaiannya telah menjadi semakin meningkat di tahun-tahun terakhir ini.

Gambar 4.38 Dua Jenis Akselerometer: (a) Strain-gauge, (b) Potensiometer



Kegunaan akselerometer di industri adalah untuk memonitor getaran mesin-mesin untuk keperluan analisis, misalnya kondisi tidak seimbang suatu part rotasional. Penganalisis getaran berbasis akselerometer dapat mendeteksi getaran tak normal, menganalisis tanda-tanda (pola) getaran dan dapat membantu menentukan apa penyebab kondisi tidak normal tesebut.

Akselerometer jaman dahulu berupa perangkat elektronik analog yang belakangan berubah menjadi rancangan elektronik digital dan berbasis mikro-komputer. Bahan kristal atau jenis material piezoelektrik memberi keluaran langsung berupa tegangan bila material tersebut dikenai tekanan karena tekanan konstan pegas dan adanya getaran pada massa seismik (Gambar 4.39 a). Elemen ini akan menghasilkan suatu tegangan listrik yang proporsional dengan gaya yang bekerja pada dirinya. Material piezoelektrik ini berguna sekali dalam pengukuran getaran dan beban kejut (shock) karena frekuensi naturalnya yang tinggi hingga mencapai 5 KHz. Sementara inti feromagnetik dalam koil berupa LVDT juga dapat berfungsi menangkap getaran suatu struktur (Gambar 4.39 b).

Pengendalian kantong udara keselamatan (Gambar 4.40) untuk pengendara mobil (airbag) sebagai fitur unggulan kendaraan memakai sistem hibrid mikro-elektromekanis (MEMS). Perangkat ini menggantungkan kehandalannya pada perancangan suatu komponen semikonduktor pada satu kondisi khusus yang pada waktu dahulu pernah dianggap sebagai suatu cacat, yaitu yang disebut suatu “layar yang lepas” atau lembaran lepas rangkaian di atas permukaan chip. Sensor akselerometer pada industri mobil tersedia dengan frekuensi dari 0.1 hingga 1,500 Hz, dengan rentang getaran dari 1.5 hingga 250 G sepanjang satu atau dua sumbu, dengan sensitivitas dari 7.62 hingga 1333 mV/G.

Gambar 4.39 Jenis Akselerometer Memakai Piezo-material dan LVDT



Pada saat terjadi tabrakan, mobil mengalami perlambatan (akselerasi negatif) yang sangat tinggi. Perlambatan yang mendadak ini diukur oleh sebuah akselerometer tipis (biasanya tipe kristal) yang ditempelkan pada suatu chip silikon dan elemen ini akan mengaktifkan alat pemicu (igniter). Pemicu ini akan segera melepaskan gas nitrogen ke dalam airbag dan menyebabkan airbag mengembang dengan cepat sehingga pengemudi terbebas dari benturan dengan stir. Harga airbag ini kira-kira $10 per unit di AS, dan tercatat sekitar 50 juta unit akselerometer airbag terjual per tahunnya.

Penerapan lainnya adalah pengujian struktur, dimana pemunculan kegagalan struktur, seperti: crack, lasan jelek serta korosi dapat mengubah pola getaran suatu struktur. Bangunan struktur itu bisa berupa rumah motor atau casing turbin, bejana reaktor atau suatu tangki. Pengujian dilakukan dengan memberi pukulan pada struktur dengan palu, yang berarti menggetarkan struktur dengan suatu pola fungsi gaya transien yang telah diketahui. Beban impak dari palu ini akan menghasilkan pola getaran yang dapat dicatat dan dianalisis serta dibandingkan dengan tanda-tanda (pola) referensi yang telah diketahui.

4.11 Sensor Torsi/Puntiran

Torsi bisa diukur dengan cara mengukur baik defleksi poros yang sesungguhnya terjadi karena adanya gaya puntiran ataupun dengan mengukur pengaruh dari defleksi tersebut. Suatu poros yang terkena torsi akan mengalami tegangan tekan dan tegangan tarik pada bagian permukaannya, seperti pada Gambar 4.41. Kedua macam tegangan itu berorientasi 90O satu sama lain dan membentuk sudut 45O terhadap sumbu poros. Untuk mengukur torsi yang disebabkan oleh beban L pada jarak d dari pusat poros, elemen strain-gauge dipasang secara berpasangan pada permukaan poros. Satu pasang mengukur pertambahan panjang (pada arah

Gambar 4.40 Penggunaan Akselerometer pada Komponen Air-Bag Mobil Error!

Reference source not found



terjadinya tegangan tarik) dan sepasang lagi mengukur pengerutan pada arah lainnya yang tegak lurus terhadap arah sebelumnya.

Selanjutnya output dari masing-masing pasangan strain-gauge diproses menggunakan penguat jembatan (seperti pada Gambar 4.42). Karena poros harus diukur pada saat sedang berputar, maka output strain-gauge harus dikirim menggunakan slip-ring, sehingga bagian yang berputar dan bagian yang stasioner tetap dapat saling bertukar signal pengukuran. Pada rangkaian ini, penguat jembatan mendapat energi eksitasi dari rangkaian yang stasioner dan output jembatan dikuatkan kembali dan dimodulasi untuk kebutuhan lebih lanjut.

Pengukuran torsi dengan cara ini memungkinkan seseorang mengukur torsi suatu poros pada saat poros tersebut sedang berputar (sedang mengalami

Gambar 4.41 Pemakaian Dua Pasang Strain-gauge pada Pengukuran Torsi

sumbu poros

kompresi

tarik

d

L

strain-gauge

Gambar 4.42 Rangkaian Jembatan Wheatstone Untuk Mengukur Torsi Pada Poros yang Berputar

strain gauge

signal

output

pengeksitasi jembatan

BAG. STASIONER

jembatan torsi

Amplifier Demodulator

BAG. BERPUTAR

Pengeksitasi (supply)

output jembatan



puntiran). Dengan demikian kondisi terpasang poros mesin misalnya akan dapat diketahui dalam keadaan operasional.

4.12 Contoh Rakitan Sensor Terintegrasi

Suatu contoh rakitan struktur mekanis yang menggunakan berbagai macam sensor adalah jari pencekam (gripper, Gambar 4.43) pada ujung lengan robot [Klafter, 1989]. Struktur yang dirancang untuk dapat melakukan gerakan (tindakan manipulasi) ini biasanya dilengkapi dengan unit aktuator sehingga gerakan dapat direalisasi, serta berbagai macam sensor untuk dapat mengetahui apakah nilai variabel yang ingin dikendalikan telah tercapai atau belum. Kedua unit utama ini akan saling terkait (saling mempengaruhi) terutama agar performasi gabungan keduanya menjadi selaras.

Pada suatu unit jari pencekam (gripper) dipasang sebuah motor listrik (DC) dan motor ini dapat dioperasikan dengan kecepatan yang relatif tinggi untuk menggerakkan jari lengan robot menjepit suatu benda kerja pada saat jari menuju titik approaching. Untuk mendapatkan performansi terbaik bagi gripper ini, maka dipasangkan beberapa macam sensor antara lain berupa:

1. Encoder, berfungsi untuk mengukur berapa jumlah putaran yang telah dilakukan oleh poros motor penggerak. Jumlah putaran ini terkait dengan berapa besar sudut putar linkage jari, selanjutnya menujukkan besarnya gerakan menutup ke dua ujung jari,

Gambar 4.43 Integrasi Berbagai Sensor Pada Gripper Lengan Robot



2. Sensor gaya/torsi, berfungsi untuk mengukur berapa besar beban struktur penjepit itu sendiri, ataupun ditambah berat beban yang telah digenggam pada kedua ujung jari,

3. Sensor slip, berfungsi untuk mengetahui apakah gaya jepit pada jari sudah cukup kuat agar benda tidak slip dari posisi tercekamnya,

4. Potensiometer (sensor posisi), berfungsi untuk mengukur secara langsung sudut putar link jari, dimana informasi ini selanjutnya digabungkan dengan data dari encoder,

5. Sensor ultrasonik, berfungsi untuk mengetahui apakah objek yang akan digenggam telah berada dalam daerah jangkauan jari atau belum,

6. Sensor infrared, berfungsi untuk mengetahui jarak pendekatan (approaching) sebelum jari benar-benar bersentuhan dengan objek,

7. Sensor piezoelektrik, berfungsi untuk mengetahui bahwa objek telah menyentuh jari sekaligus menguji apakah gaya tekan telah cukup kuat untuk mengangkat/memanipulasi benda objek. Disamping itu, profil permukaan benda kerja juga bisa ditentukan dari data sensor ini.

Oleh sebab itu, jari pencekam (gripper) jenis ini memiliki kemampuan dan unjuk kerja yang cukup tinggi untuk mencekam suatu benda kerja. Karena arah gerakan jarinya hanya pada bidang x-z saja, maka jari pencekam ini lebih cocok untuk produk-produk yang memiliki simetri bentuk pada bidang x-z dengan sumbu simetri adalah sumbu-z.

4.13 Soal untuk Latihan

[1] Jelaskan cara kerja optocoupler. Dapatkan komponen ini dipakai untuk mengukur putaran poros engine suatu mobil?

[2] Lampu penerangan jalan di highway negara-negara Eropa jumlahnya mencapai ribuan buah. Untuk menghidup dan mematikannya sebaiknya tidak dilakukan secara manual. Rangkailah suatu rangkaian yang dapat melakukan fungsi otomatis menggunakan sensor yang tepat.

[3] Apakah perbedaan antara fotoresistor dan fototransistor? Dalam kondisi apakah komponen ini cocok digunakan?

[4] Rangkailah komponen-komponen yang dapat dipakai untuk mengukur panjang gulungan benang pada bobbin pemintalan.

[5] Mobil anda dirumah dapat dilengkapi dengan sensor rakitan sendiri agar pengemudi dapat mengetahui jarak bumper belakang mobil dengan objek padat terdekat. Sensor dan komponen apakah yang cocok digunakan dan informasi apa saja yang perlu disiapkan bagi pengemudi?



[6] Temperatur pengecoran logam biasanya bisa mencapai lebih dari 1000O Celcius. Dapatkan termokopel dipakai untuk mengukur temperatur ini? Agar petugas ukur tidak perlu mendekati area pengecoran pada daerah yang membahayakan, adakah sensor lain yang dapat digunakan?

[7] Apakah yang disebut dengan Gauge Factor?

[8] Apakah yang dimaksud dengan tactile sensor? Dimanakan jenis sensor seperti ini digunakan?

[9] Bagaimanakah rangkaian dasar sensor induktif yang bisa dipakai untuk membedakan dua buah catur yang berbeda identitasnya?

[10] Untuk dapat mengukur suatu putaran sudut poros hingga mencapai kecermatan ½ derajat, tentukanlah jumlah bit encoder optis yang harus digunakan dan gambarkan konstruksi garis gelap-terang yang diperlukan.

[11] Bagaimanakah cara kerja lampu stroboskop yang dipakai untuk menentukan besar putaran posos engine mobil?

[12] Sebutkan macam-macam sensor termal yang bersifat resistif. Manakah yang paling tepat dipakai untuk mendeteksi disipasi panas?

[13] Sebutkan komponen-komponen mana yang dapat disebut sebagai transduser primer dan sekunder pada alat pengukur akselerasi dengan LVDT seperti pada Gambar 4.39?

[14] Jelaskan cara kerja sensor yang memanfaatkan munculnya Pita Moiré untuk mengukur perpindahan. Berapa besar kecermatan yang mungkin dihasilkan dengan sensor ini?

Halaman ini sengaja dibiarkan kosong

“I don't know everything, I just do everything” ~ Toni Morrison ~

“It takes a lot of courage to show your dream to someone else” ~ Erma Bombeck ~

Suatu sistem mekanis memerlukan aktuator untuk menggerakkan komponen-komponennya. Aktuator inilah yang merupakan perangkat yang mengubah suatu bentuk energi tertentu menjadi energi mekanik sehingga sistem mekanis dapat bergerak sebagaimana mestinya. Dari berbagai sumber energi yang dapat digunakan, dikenal banyak macam aktuator beserta prinsip dasar bagaimana perangkat ini bekerja. Masing-masing jenis aktuator memiliki karakteristik dan keunggulannya sendiri, dengan demikian pemakaiannyapun harus disesuaikan dengan karakteristiknya.

Untuk mengendalikan arah dan kecepatan kendaraan, seseorang perlu melihat arah dan kecepatan yang ada pada saat awal. Bila keadaannya berbeda dengan yang diinginkan, maka harus segera dilakukan koreksi. Proses pembandingan ini dilakukan oleh mata dan perbedaan yang ada dikirim ke otak yang selanjutnya difikirkan untuk mengambil tindakan yang cocok. Model pengendalian kendaraan bermotor ini ditunjukkan dalam Gambar 5.1 berupa sistem umpan balik.

acam-macam Aktuator

Gambar 5.1 Pengendalian Variabel Ganda Pada Kendaraan Bermotor

arah mobil arah

mobil

(tangan)

(kaki) kec. mobil

Σ

Σ

aturan kendali D

AC

ADC

aktuator

aktuator

dinamika

kendaraan

(gangguan lantas) (gangguan angin)

(mata) (otak)

batas kec.

sensor



Keputusan otak ini dikirim ke aktuator yang nantinya akan direalisasi berupa gerakan kaki menekan pedal dan secara bersamaan gerakan tangan memutar setir. Begitulah seterusnya sehingga arah dan kecepatan yang terjadi sama dengan yang diinginkan. Walaupun sudah cocok, gangguan yang datang (misalnya angin atau kemacetan lalu lintas) bisa juga mengharuskan dilakukannya koreksi gerakan aktuator untuk menghindari penyimpangan yang masih mungkin terjadi. Aktuator mendapat perintah gerak dari sistem kendali untuk menghasilkan output yang harus sesuai dengan setting point (SP) yang diinginkan,

Bila sistem semacam ini ingin dijalankan secara otomatis atau diterapkan pada sistem mekanis terotomasi, maka perlu disisipkan perangkat ADC (Analog to Digital Converter) dan DAC (Digital to Analog Converter) agar dunia komputer yang menggantikan otak manusia bisa berkomunikasi dengan dunia nyata. Kedua perangkat tersebut merupakan interface (antar muka) antara dunia digital (dunia komputer) dengan dunia analog (alam nyata). Informasi dari lingkungan (berupa data kecepatan dan arah kendaraan) masih berupa data analog. Dalam hal inilah fungsi ADC terlihat, yakni mengubah data analog menjadi data digital. Sebaliknya DAC akan memberi signal analog kepada aktuator setelah sebelumnya mengubah data digital yang dihasilkan oleh komputer pengendali.

Secara garis besar, aktuator dapat diklasifikasi menjadi empat macam, yaitu:

1. Aktuator yang digerakkan dengan fluida bertekanan, 2. Aktuator elektrik, digerakkan dengan energi listrik dan 3. Aktuator mekanik, digerakkan dengan mekanik dan 4. Aktuator khusus, digerakkan dengan cara yang khusus.

Secara lebih lengkap, beberapa macam dan cara kerja aktuator tersebut akan dijelaskan dalam Sub-bab berikut.

5.1 Aktuator Dengan Fluida Bertekanan

Salah satu sumber energi yang dapat memberikan energi gerak/kinetik adalah fluida bertekanan. Contoh yang paling jelas adalah saat kincir angin berputar karena adanya aliran angin di udara. Putaran kincir ini selanjutnya digunakan untuk menggerakkan perangkat lainnya misalnya, poros generator sehingga kemudian dihasilkan energi listrik. Pada kincir angin, udara bebas mengalir tanpa diarahkan melalui saluran atau ke arah tertentu. Sementara agar bisa lebih terarah/terfokus, aliran udara bertekanan bisa disalurkan melalui pipa. Macam-macam penggerak yang menggunakan fluida bertekanan dalam saluran adalah aktuator pneumatik dan hidrolik.



5.1.1 Aktuator Pneumatik

Jenis aktuator yang mengubah energi udara bertekanan menjadi energi gerak disebut aktuator pneumatik (baca: numatik!). Ditinjau dari jenis gerakan yang bisa dihasilkan, aktuator pneumatik (ingat, baca: numatik) ini dapat dikelompokkan menjadi dua macam, yakni:

1. Penggerak linier, menghasilkan gerakan linier, baik terkendali dalam satu arah ataupun dua arah,

2. Penggerak rotasional, umumnya terkendali dua arah.

Prinsip kerja aktuator pneumatik adalah penekanan suatu penampang piston oleh sejumlah udara bertekanan (umumnya tekanan antara 3 - 5 bar). Arah penekanan ini dapat dibuat dalam satu arah (pada single acting piston) ataupun dua arah (pada double acting piston). Gambar 5.2 menunjukkan cara kerja aktuator pneumatik secara garis besar. Pada kasus double acting, kecepatan maju mundur piston dapat dikendalikan dengan cara mengatur laju aliran fluida yang memiliki tekanan p1 ataupun p2. Gerakan maju dan mundur memberi gaya dorong yang berbeda besarnya karena adanya perbedaan luas penampang piston yang didorong oleh udara bertekanan dari dua sisi yang berlawanan. Kondisi ini harus menjadi perhatian pada saat seseorang merancang alat pencekam/clamping menggunakan piston pneumatik dua arah ini.

Sementara pada kasus single acting, hanya kecepatan maju piston saja yang dapat dikendalikan. Gerakan balik piston dilakukan oleh pegas, dengan gaya tekan yang selalu sama. Perbedaan luas penampang piston tidak memberi pengaruh pada kecepatan balik piston. Rentang jangkauan kedua jenis piston ini sangat luas, dari beberapa cm hingga puluhan cm.

Untuk kebutuhan gerak (jangkauan) yang pendek, digunakan konsep gerakan/lendutan diafragma (Gambar 5.3). Disamping itu, penggunaan diafragma memberikan fitur lain, yakni bentuk/konstruksi pistonnya bisa dibuat kecil dan

double acting

A1 A2

piston

p1 p2

Gambar 5.2 Double dan Single Acting (dengan Pegas) Piston Pneumatik

single acting

p

tekanan atmosfer

piston



ringan. Piston jenis ini banyak digunakan pada industri elektronika, dimana komponen-komponen elektronik perlu ditekan hanya dengan gaya yang kecil saja.

Untuk mendapatkan gerakan rotasi, ada dua cara yang umum dilakukan, yakni: mengunakan sistem rotary vane dan jenis motor pneumatik/hidrolik, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5.4. Rotary vane adalah sistem poros berputar karena adanya tekanan udara p1, yang mendorong sudu putar tunggal hingga sapuan sudut tertentu. Putaran poros ini tidak bisa dilakukan hingga satu putaran penuh karena konstruksi fisiknya yang tidak memungkinkan. Sementara motor pneumatik/hidrolik memungkinkan terjadinya putaran lebih dari 360O. Gerakan sudu yang berputar sambil didorong radial keluar oleh pegas berfungsi untuk menjaga tekanan fluida dari kebocoran di antara celah-celah sudu.

Piston pneumatik memiliki beberapa ciri khas antara lain berupa:

1. Kecepatan gerak yang relatif tinggi, 2. Biaya instalasi pembangkit tekanan relatif murah, 3. Gaya cekam/dorong relatif kecil, dibandingkan dengan sistem hidrolik,

Gambar 5.4 Aktuator Rotasional: Sistem Vane dan Motor

p1

p1

p2

p2

Gambar 5.3 Piston dengan Memanfaatkan Gerakan Diafragma

diafrag

katup p1

pegas balik

tekanan atmosfer

diafragma

p1



4. Sering timbul suara desis/desing yang kencang bila ada kebocoran pada saluran udara,

5. Tidak memiliki mekanisme self-locking yang baik, karena sifat incompressibility fluida yang rendah.

Contoh penggunaan aktuator pneumatik antara lain untuk menggerakkan unit penekan (press) pada mesin pembuat mangkok kue. Pemanfaatan yang lain adalah mesin penekuk pelat logam ataupun unit pengarah benda kerja pada konveyor tipe rol (Gambar 5.5). Selain itu, piston pneumatik sangat banyak digunakan pada proses welding di industri otomotif, seperti perakitan sepeda motor ataupun mobil.

Untuk memasok tekanan yang diperlukan bagi sistem pneumatik ini, maka dirancang suatu sistem pemasok udara bertekanan yang sedapat mungkin memiliki kadar kualitas kekeringan udara tertentu. Salah satunya adalah sistem pemasok seperti pada Gambar 5.6, dimana udara atmosfir pertama disaring melalui filter. Selanjutnya setelah melalui silencer, udara ditekan oleh kompresor hingga memiliki tekanan tertentu. Udara bertekanan melalui relief valve dan didinginkan serta dipisahkan kandungan airnya. Setelah itu, udara kering bertekanan siap dipakai pada sistem pneumatik. Udara sistem pneumatik ini benar-benar harus kering agar piston pneumatik selalu dapat bekerja dengan sempurna.

Gambar 5.5 Contoh Penerapan Unit Penggerak Pneumatik di Industri

katupsolenoid

saklar tekanan

exhaust

saklar tekanan pneumatik benda

kerja

(a) solenoid belum aktif (siap start)

(b) solenoid sedang aktif

benda kerjatertekuk

roll penekuk

roll penekuk

benda kerja

piston

piston

piston penekan

aliran utama barang

barang yg tersortir



5.1.2 Aktuator Hidrolik

Sebaliknya dengan aktuator pneumatik, aktuator hidrolik memiliki fitur-fitur yang sedikit bertolak belakang. Jenis piston yang digunakan serupa dengan aktuator pneumatik, yakni: sistem single acting dan double acting. Ciri utama dari aktuator hidrolik dibanding dengan aktuator pneumatik adalah:

1. Kecepatan gerak rendah, 2. Instalasi pembangkit tekanan relatif mahal dan kompleks, 3. Gaya dorong yang sangat kuat/besar, 4. Adanya kebocoran fluida bisa menyebabkan bahaya dan lingkungan kotor, 5. Memiliki mekanisme self-locking yang baik, karena sifat incompressibility

fluidanya yang tinggi.

Pada sistem hidrolik, diperlukan suatu sumber fluida (minyak pelumas) bertekanan, yang biasanya dihasilkan oleh pompa listrik. Pompa akan menekan minyak dari suatu bak penampung (sump) menuju katup satu arah (non-return) dan ke akumulator, kemudian menuju ke sistem keseluruhan. Dari sini minyak dikirim kembali ke bak penampung (Gambar 5.7). Katup pelepas-tekanan akan membuang tekanan berlebihan di atas nilai aman yang terjadi pada saluran fluida. Katup non-return dimaksud untuk menahan agar minyak bertekanan dari pompa tidak kembali lagi menuju pompa.

Sistem penguatan hidrolik bisa diperoleh pada sistem penggerak hidrolik, dimana suatu katup spool dipasang antara sumber tekanan dengan jalur keluar dan fluida bertekanan akan mengalir melaluinya menuju sistem piston hidrolik (Gambar 5.8). Gaya yang dihasilkan pada piston silinder adalah gerak output piston yang merupakan perkalian antara luas permukaan piston dengan perbedaan

Gambar 5.6 Pemasok Tekanan pada Sistem Pneumatik

Filter

silencer

kompresor

motor

pendingin

2

pemisah kabut/embun

relief valve

silinder tampung

intake udara



tekanan sumber dan tekanan jalur keluar. Gaya ini bisa bernilai jauh lebih besar dari pada gaya yang diperlukan untuk menggerakkan katup spool ke kiri atau ke kanan. Rangkaian seperti ini bisa digunakan untuk elemen pengendali akhir dalam rangka menghasilkan gaya besar yang diperlukan, misalnya untuk menggerakkan benda kerja bagi mesin-mesin industri.

pompa

kembali

katup lepas-tekan

katup non-return

motor

sump minyak

akumulator

beban

piston

Gambar 5.7 Penyediaan Tekanan pada Sistem Hidrolik

Gambar 5.8 Katup Spool pada Silinder/Piston Hidrolik

sumber tekanan

katup spool

gerak input

saluran keluar

aktuator

gerak output



Gerakan rotasi juga bisa dihasilkan oleh piston hidrolik. Sebuah tabung dilengkapi dengan pasangan dua buah rack dan sebuah pinion disusun seperti pada Gambar 5.9. Tekanan p1 diterapkan dari bagian sisi kiri dan kanan tabung, kemudian kedua rack akan bergerak saling mendekat, sementara fluida di antara ke-dua rack keluar dengan tekanan p2. Karena adanya gerakan linier oleh rack, maka pinion (poros) yang ada di antara ke-dua rack akan berputar dengan kecepatan putar tertentu. Bila poros (pinion) harus diputar dengan arah terbalik, maka arah aliran fluida harus dibalik, yakni dari p2 ke p1.

Di samping itu, sistem piston hidrolik juga banyak digunakan pada pencekaman batang pahat potong dalam spindel pada mesin perkakas CNC. Karena putaran spindel bisa begitu tinggi dan demikian juga bagi poros pahat potong, maka tingkat keamanan pahat yang tinggi juga harus dapat dijamin. Sistem piston hidrolik mampu memberikan gaya cekam yang kuat agar pahat benar-benar tercekam dan terpegang kuat dalam spindel, disamping juga didukung oleh konstruksi rahang pencekam/pengunci yang sangat baik (Gambar 5.10).

Pada saat fluida hidrolik dipompa masuk, maka plunger dan selanjutnya batang tarik akan mendorong cakar pengunci (locking jaws) ke depan. Gerakan ini menyebabkan cakar pengunci menganga, maka taper shank dari pahat bisa dilepaskan ataupun segera dipasang. Setelah dipasang, plunger ditarik kembali ke posisi semula dengan cara membalik arah aliran fluida. Gerakan balik ini menyebabkan cakar pengunci berfungsi, yakni dengan sangat kuat mencekam dan menahan pahat pada posisinya selama diputar oleh spindel. Cara pencekaman seperti ini memungkinkan untuk memperoleh gaya tarik kepada pahat dan poros pahat dapat diputar dengan kecepatan yang tinggi.

Gambar 5.9 Motor Hidrolik Menggunakan Pasangan Rack dan Pinion

p1 p1

poros

rack pinion

p2

p2



Beberapa aplikasi sistem hidrolik lain dalam kehidupan sehari-hari adalah elevator hidrolik pada bengkel pencucian mobil, pengangkat beban (scissor jack) di gudang penyimpanan dan crane (cherry picker crane) pemadam kebakaran atau batang penganggkat untuk petugas PLN saat harus memasang lampu di jalan raya seperti dalam Gambar 5.11. Semua sistem ini bekerja dengan memanfaatkan tenaga dorong piston hidrolik yang sangat kuat, akan tetapi gerakan yang dihasilnya relatif perlahan.

5.1.3 Katup Pengendali

Katup pengendali harus digunakan untuk mengarahkan dan mengendalikan aliran fluida yang melalui suatu sistem pneumatik dan hidrolik. Katup ini bisa dikelompokkan menjadi jenis katup posisi tak hingga, artinya katup bisa berada pada

Gambar 5.10 Penggunaan Piston Hidrolik Untuk Pencekam Pahat Potong

Gambar 5.11 Beberapa Aplikasi Sistem Hidrolik Untuk Kegiatan Sehari-hari



posisi manapun di antara keadaan terbuka dan tertutup total ataupun jenis katup posisi tertentu, artinya hanya posisi terbuka atau tertutup penuh saja yang bisa dimiliki, mirip dengan saklar listrik On/Off. Hubungan aliran fluida kepada katup dilakukan melalui apa yang disebut port (pintu).

Pada Gambar 5.12, ditunjukkan suatu sistem katup pengendalian yang paling dasar yakni jenis posisi tertentu. Beban dihubungkan dengan pintu (port) A dan B, sementara fluida bertekanan dari pompa atau kompresor dengan pintu P dan untuk kasus katup hidrolik, fluida disalurkan kembali ke tangki penampung (T). Dalam hal katup pneumatik, udara balik dibuang saja ke udara luar. Pada kasus ini, posisi piston hanya bisa berada pada dua titik ekstrim yakni ujung atau pangkal saja. Oleh karena itu, piston jenis ini dikatakan memiliki dua posisi kendali. Akan tetapi bisa juga dibuat agar piston berada pada kedua posisi ekstrim dan juga di sembarang titik diantara kedua titik ekstrim itu.

Katup jenis posisi tertentu dinyatakan dalam bentuk jumlah port dan jumlah posisi yang dimiliki. Misalnya katup 4/2 artinya terdapat 4 port dan 2 posisi, sementara katup 4/3 artinya terdapat 4 port dan 3 posisi. Gambar 5.13 menunjukkan aksi yang mungkin dilakukan oleh katup ini. Pada katup 4/3, terdapat posisi Off dimana port P dan T dihubungkan, sementara A dan B ditutup. Cara lain untuk mendapatkan posisi Off adalah menutup semua port atau menghubungkan port A dan B dengan port T.

Simbol yang dipakai untuk menunjukkan katup pengendali adalah kotak dengan simbol semua port. Untuk katup 4/2 akan ada 2 kotak simbol dan katup 4/3 terdapat 3 kotak, seperti pada Gambar 5.14. Pada gambar (a), kotak pertama menyatakan satu posisi katup pada saat piston ke luar. Kotak kedua menyatakan posisi katup yang lain yakni saat piston tertarik. Pada gambar (b) ditunjukkan hubungan P dan T dengan A dan B tertutup, sementara gambar (c) menunjukkan hubungan A dan B dengan T serta P tertutup.

Gambar 5.12 Contoh Jenis Katup Pengendali 4 Terminal

beda jarak

P

A

B

T

P

A

B

T

load load

extended retracted



Katup dapat dioperasikan dengan bermacam cara, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5.15. Salah satunya dengan tombol tekan (push button) dimana pengguna harus menekan tombol dan tombol akan tetap pada posisi tertekan. Untuk mengembalikan ke posisi semula, biasanya diperlukan komponen pembalik, misalnya pegas. Dalam penerapan di industri, jenis roller sering digunakan untuk mengaktifkan piston, saat roller disentuh oleh meja atau komponen bergerak lainnya.

Gambar 5.16 (a) menunjukkan bagaimana tombol tekan digunakan untuk memanjangkan piston (extended) pada katup 4/2. Gerakan piston ditunjukkan oleh simbol dalam kotak dimana tombol tekan itu ditempelkan. Bila tombol dilepas, maka pegas akan mengembalikan piston ke posisi semula (retracted). Gerakan yang

Gambar 5.14 Hubungan pada Katup: (a) Jenis 4/2, (b) Jenis 4/3 dengan P dan T terhubung pada Posisi Off, (c) Jenis 4/3 dengan T dan A, serta B terhubung pada

Posisi Off

P T

A B

P T

A B

(a) (b) (b) (c) P T

A B

Gambar 5.15 Beberapa Cara Pengendalian Katup

push button spring lever roller

motor listrik

tahan posisi

saluran tekanan solenoid M

Gambar 5.13 Simbol Beberapa Macam Katup: (a) 4/2 dan (b) 4/3

A

B P

T

A

B P

T

A

B P

T

Extend Retract Off

(b)

A

B P

T

A

B P

T

Extend Retract

(a)



dihasilkan oleh pegas sama dengan simbol kotak dimana ia ditempelkan. Gambar 5.16 (b) menunjukkan hal yang sama, hanya saja untuk mengaktifkan katup ini digunakan solenoid.

Simbol katup pada Gambar 5.14 memiliki konstruksi fisik seperti pada Gambar 5.17, dimana pada saat solenoid tidak aktif (gambar kanan), tekanan bisa bebas mengalir dari port P menuju port A. Ketika solenoid diaktifkan (gambar kiri), pegas akan tertekan dan tekanan dari port P bebas mengalir menuju port B, sementara saluran dari port A berhubungan dengan tangki penampung (T). Dengan begitu, sistem ini dapat dikendalikan secara elektronik dan juga dari jarak jauh.

5.1.4 Jenis-jenis Katup Pengendali

Jenis-jenis katup pengendali yang digunakan di industri dapat dilihat pada Gambar 5.18 beserta simbol gerakannya, dimana hanya penjelasan singkat saja yang

Gambar 5.17 Katup Pengatur dengan Konstruksi Solenoid dan Pegas

simbol katup dengan solenoid

dan pegas

Gambar 5.16 Contoh Katup Beserta Pengendalian Push-button dan Solenoid

P T

A B

(a) P T

A B

(b)



disajikan. Katup poppet (boneka) sederhana 2/2 yang selalu tertutup dalam keadaan normal. Dalam katup ini, bola atau cakram maupun konus sering digunakan untuk mengatur aliran fluida. Sementara katup geser berfungsi untuk mengatur aliran fluida dari sumber (P) menuju salah satu port baik A maupun B, sementara port T tetap tertutup.

Disamping itu katup yang dioperasikan oleh katup pilot digunakan pada saat gaya manual atau gaya solenoid tidak cukup kuat untuk menggeser katup geser. Sistem seperti ini memberikan gaya cukup besar bagi katup geser (katup kedua), seperti ditunjukkan pada Gambar 5.19. Katup pilot merupakan katup berkapasitas rendah sehingga dapat dioperasikan secara manual atau dengan solenoid. Keluaran katup ini dihubungkan dengan port pilot dari katup utama yang disimbolkan dengan huruf X, Y, Z dan lain-lain. Saluran tekanan pilot digambarkan dengan garis putus-putus berwarna merah.

Gambar 5.19 Pengendalian Katup Utama dengan Katup Pilot P T

A B katup pilot

P

A

T

B

Z

katup utama

Gambar 5.18 (a) Katup poppet 2/2, (b) Katup Geser 4/2

P

D

(a)

A

P T

A B

(b)

P

A B

T



Kadang kala aliran fluida hanya boleh dilewatkan menuju satu arah saja, karena satu alasan tertentu. Keperluan semacam ini dapat direalisasi dengan katup pengarah (directional) seperti pada Gambar 5.20 (a). Hanya aliran satu arah yang bisa melalui katup ini, karena bola penahan bisa tertekan ke arah pegas. Aliran fluida yang terbalik akan tersumbat oleh bola yang terjepit pada dudukannya karena tekanan pegas bersama fluida.

Sementara itu katup pelepas tekanan (pressure relief) sering diperlukan dan dipasang pada sistem pneumatik dan hidrolik. Fungsi ini sangat diperlukan sebagai langkah pencegahan terhadap risiko dari tekanan yang berlebihan bagi sistem. Hal ini terjadi pada saat tekanan masuk melewati nilai tekanan oleh pegas, maka katup akan segera membuka dan mengijinkan adanya aliran fluida melalui katup (Gambar 5.20 b). Artinya katup ini hanya akan berfungsi hanya bila tekanan yang telah ditentukan telah dilewati oleh tekanan masuk. Sering juga katup semacam ini digunakan sebagai katup sekuensial bagi beberapa part tertentu.

5.2 Aktuator Elektrik

Setelah terjadinya revolusi industri, sumber energi yang paling banyak dieksploitasi adalah energi listrik. Energi ini sangat mudah dikirim dari satu tempat ke tempat lain dan mudah dikonversi menjadi bentuk energi lainnya. Salah satu bentuk pengubahan energi listrik adalah gerakan poros motor listrik. Motor ini termasuk dalam kategori aktuator elektrik. Dalam dunia industri, hampir seluruh perangkat produksi menggunakan tenaga listrik untuk menghasilkan berbagai macam gerakan, walaupun penggerak pneumatik dan hidrolik tetap masih digunakan pada area kerja tertentu.

Pada Sub-bab ini akan dijelaskan secara sederhana bagaimana energi listrik bisa diubah menjadi energi gerak, baik untuk gerak translasi maupun rotasi. Aturan utama yang digunakan adalah hukum Lorentz. Pengertian dasarnya adalah adanya medan magnet yang terbentuk melingkar pada sepanjang kawat yang dialiri arus

Gambar 5.20 Katup Pengarah dan Pengatur Tekanan

aliran tertahan

aliran bebas

aliran bebas

aliran tertahan

katup lepas tekanan

(a) (b)



listrik DC seperti dilukiskan pada Gambar 5.21 (a) untuk kawat lurus dan Gambar 5.21 (b) untuk gulungan kawat. Selanjutnya, bila suatu kawat dialiri arus listrik dan dikenai medan magnet, maka akan muncul gaya Lorentz yang cenderung menggeser posisi kawat tersebut.

Motor listrik sebagai salah satu bentuk aktuator sering menjadi elemen terakhir dalam sistem kendali posisi atau kecepatan. Secara garis besar motor listrik dapat dibagi ke dalam dua kategori yakni: motor DC dan motor AC. Prinsip kerja dasar motor listrik ini adalah sebagai berikut:

1. Suatu gaya akan muncul pada seutas kawat konduktor yang berada dalam suatu medan magnet apabila ada arus listrik yang melewatinya. Pada konduktor sepanjang l yang dilalui arus i dalam suatu medan magnet dengan intensitas flux B yang tegak lurus dengan konduktor tadi, akan muncul gaya F yang besarnya sama dengan Bil.

2. Bila suatu konduktor bergerak dalam medan magnet, maka akan muncul e.m.f. yang menginduksi sepanjang kawat tadi. Gaya e.m.f. induksi ini (disimbulkan dengan e) akan bernilai sama dengan laju sapuan dimana fluks magnet Φ yang dilalui oleh konduktor (sesuai hukum Faraday), yakni e = -dΦ/dt. Tanda negatif muncul karena arah e.m.f. sedemikian rupa sehingga melawan perubahan medan yang menghasilkannya (sesuai hukum Lenz). Oleh karena itu medan ini selanjutnya dikenal dengan istilah back e.m.f.

Selain motor DC dan motor AC sebagai penggerak yang memanfaatkan energi listrik, juga dikenal motor stepper yang merupakan kasus khusus dari motor DC. Ketiganya memanfaatkan prinsip dasar yang sama yakni hukum Lorentz untuk menghasilkan gerakan, tetapi berbeda dalam konstruksinya. Secara lengkap klasifikasi motor listrik ditunjukkan dalam Gambar 5.22.

Gambar 5.21 Terjadinya Medan Magnet Disekitar Kawat Berarus

i

arus DC

(a) medan magnet: B

medan magnet: B

(b) i i



5.2.1 Relay dan Solenoid

Pemanfaatan hukum Lorentz yang paling sederhana sebagai aktuator elektrik adalah relay, yang berfungsi untuk memutus arus listrik pada suatu jaringan apabila rangkaian pada relay aktifkan atau sebaliknya justru pada saat dimatikan. Disamping berfungsi sebagai saklar, relay juga digunakan sebagai komponen elektronik yang dipakai untuk merealisasi gerbang logika AND, OR ataupun NOT (Bab 3 pada Gambar 3.5).

Arus i yang diberikan pada titik A pada Gambar 5.23 kanan, akan menyebabkan adanya medan magnet yang akan menarik saklar menuju posisi ON (kontak) sehingga titik C memiliki tegangan sama dengan Vcc dan arus bisa mengalir melewati beban L. Dengan kata lain, relay ini berfungsi sebagai saklar berbasis arus (dikenal dengan istilah current controlled switch) bagi jalur koneksi antara sumber tegangan Vc dengan titik C, sementara transistor disebut sebagai saklar berbasis tegangan (dikenal degan istilah voltage controlled switch). Gambar 5.23 kiri menunjukkan relay yang sudah menjadi terangkai dalam unit yang kompak.

Gambar 5.22 Klasifikasi Lengkap Berbagai Motor Listrik

Fasa terpisah Str. kapasitor Kapasitor pisah

permanen Kutub bayangan Kapstr. dua nilai Stepper:

Permanen magnet Reluktansi variabel Hibrid

Motor AC

Motor DC

1 Magnet permanen 2 Gulungan serie 3 Gulungan shunt 4 Gabungan serie-shunt

Universal

Polyphase

Sinkronos

Induksi

Rotor lilitan

Squirrel-cage

Rotor lilitan Squirrel-cage

Single phase

Repulsi Repl. start Repl. induksi

Motor Listrik



Berbeda dengan relay, komponen solenoid mirip dengan relay hanya saja sebagai outputnya adalah gerakan pendek (stroke) poros intinya. Sebuah inti logam ferro diletakkan di dalam lilitan kawat yang dialiri arus listrik, menyebabkan gaya Lorentz menarik/mendorong inti tersebut keluar dari posisi awalnya hingga titik tertentu. Posisi ini merupakan posisi keseimbangan antara gaya Lorentz dengan gaya pegas yang menahan inti pada posisi stabil (Gambar 5.24). Gerakan solenoid ini misalnya dipakai untuk mengaktifkan katup pengendali pada sistem pneumatik secara otomatis dan lain sebagainya.

5.2.2 Motor DC

Unit penggerak yang mengandalkan energi listrik arus searah adalah motor DC. Motor ini sebenarnya jarang digunakan dalam penerapan industri pada kondisi normal, karena hampir semua sistem fasilitas kelistrikan menyediakan arus bolak-balik (AC). Akan tetapi untuk penerapan yang khusus, ada keunggulan tertentu yang bisa diperoleh dari motor listrik ini. Maka dari itu untuk menjalankan motor

Gambar 5.24 Rakitan Solenoid dan Konstruksi Komponen-komponennya

dipakai untuk alat lain

input dari pengendali

inti pegas

lilitan

pivot

Gambar 5.23 Komponen Relay Saat Terpasang dan Simbol Rangkaiannya

Vcc

A

R

C

i L

koil input pegas

kontak

NC

NO



DC, hal sederhana yang dilakukan adalah dengan mengubah arus bolak balik menjadi arus searah. Karakteristik utama motor ini diantaranya adalah pada saat diperlukan adanya operasi dengan rentang torsi yang luas dan pengaturan kecepatan yang baik. Secara rinci karakteristik umum motor DC adalah:

a. Menghasilkan torsi yang tinggi pada kecepatan yang rendah, b. Pengaturan kecepatan yang baik sepanjang rentang kerjanya (tidak ada low-end

cogging), c. Kapabilitas kelebihan beban (overload) yang baik, d. Lebih mahal dari pada motor AC, e. Secara fisik berukuran lebih besar dari pada motor AC untuk ukuran daya (HP)

yang sama, f. Memerlukan perawatan dan perbaikan lebih banyak dibanding motor AC.

Motor DC disusun dari beberapa gulungan kawat yang dipasang dalam slot suatu silinder material magnetik yang disebut armatur (armature). Armatur ini ditempatkan dalam suatu medan magnet dan ditumpu oleh bantalan (bearing) sehingga bisa berputar bebas. Medan magnet ini bisa dihasilkan dari magnet permanen ataupun dari pole medan magnet yang dihasilkan oleh gulungan kawat yang dialiri arus listrik.

Sebagai contoh adalah satu lilitan kawat yang dialiri arus i, diletakkan pada medan magnet yang dihasilkan oleh magnet permanen N - S. Pada segmen kawat yang melintang terhadap garis medan magnet (B), maka akan muncul gaya Lorentz (F = B.i.l) yang cenderung menggerakkan kawat ke atas (Gambar 5.25 a). Besarnya gaya ini dapat diatur dengan cara mengubah variabel B, i atau l. Yang umum dilakukan adalah mengubah besarnya arus listrik yang masuk.

Dalam satu lilitan penuh kawat pada stator motor DC, terjadi dua buah gaya Lorentz, dengan arah yang bertolak belakang dan memiliki jarak tertentu seperti ditunjukkan Gambar 5.25 (b). Karenanya akan muncul couple/torsi (sebesar F.d) yang cenderung menyebabkan lilitan ini berputar. Agar torsinya menjadi besar maka yang umum dilakukan adalah menambahankan jumlah lilitan sehingga panjang lilitan meningkat (l = ) ataupun memperbesar diameter kawat (i = ).

Prinsip kerja motor DC magnet permanen ditunjukkan pada Gambar 5.26. Pada saat armatur dialiri listrik, maka bagian ini berfungsi sebagai magnet. Kutub magnet armatur akan tertarik ke arah medan magnet yang berlawanan, sehingga menyebabkan poros armatur berputar. Pada gambar kiri armatur sedang berputar searah jarum jam, dan saat sumbu armatur ini segaris dengan magnet permanen (tengah), maka arus tidak mengalir karena sikat ada di celah antara kedua komutator. Saat ini efek inersia yang bekerja dan mendorong armatur meneruskan putaran sehingga komutator membalik arah arus, dan magnet sejenis muncul



antara armatur dengan magnet permanen. Selanjutnya gaya tolak magnet (kanan) mendorong armatur menjauhi posisi kutub S dan begitu seterusnya.

Cara lain yang dilakukan bila tidak digunakan magnet permanen adalah dengan cara membangkitkan medan magnet dari kutub-kutub elektromagnetik. Pada pada Gambar 5.27 (a) ditampilkan bagaimana putaran armatur dihasilkan oleh medan magnet dari beberapa kutub magnet. Rangkaian ini nanti dikenal dengan nama motor DC jenis koil gabungan yang memiliki keunggulan gabungan dari dua macam motor DC yang lain.

sikat

catu daya DC

S

N

U

S

S

U

S

U

kom

utat

or

U

S

S

U

arm

atur

Gambar 5.26 Tiga Posisi Saat Armatur Berada di Antara Kutub U - S

Gambar 5.25 Pengaruh Medan Magnet pada Satu Lilitan Kawat Berarus

B i

U

S

F

(a)

(b)



Sementara Gambar 5.27 (b) menunjukkan bagaimana medan magnet bisa dibangkitkan dari sumber tegangan DC yang sama pada motor DC 4-kutub. Setiap ujung dari sebundel lilitan kawat dalam armatur dihubungkan dengan sepotong segmen ring di depannya yang disebut komutator. Kontak listrik terjadi saat komutator ini menempel dengan kontaktor karbon yang disebut sikat-sikat. Dengan berputarnya armatur komutator akan membalik arah aliran listrik pada setiap koil saat mereka bergerak diantara kutub magnet. Di sini terdapat gulungan yang melewati kutub dan terus masuk ke dalam armatur dan arus akan lewat melalui sikat-sikat yang terpasang.

Akibat terjadinya kontak terus menerus antara sikat-sikat dengan komutator yang bersegmen, lama kelamaan sikat akan menjadi aus. Untuk menghindari hal itu, maka dibuatlah motor DC brushless (tanpa sikat). Motor DC ini memakai rangkaian saklar solid-state untuk mengubah polaritas tegangan dalam armatur (Gambar 5.28). Arah putaran motor dapat dibalik dengan cara membalik arus dalam armatur ataupun arus lilitan pada kutub magnet.

S U

drive

encoder komutasi

Gambar 5.28 Motor DC-PM Tanpa Sikat-sikat, Diganti Encoder Komutasi

armatur

lilitan kawat

kutub magnet

koil magnet (a)

(b)

Gambar 5.27 Motor DC dengan Koil Pembangkit Medan Magnet



Pada motor DC brushless (tanpa sikat), magnet permanen dipasang sebagai rotor dan lilitan kawat dipasang sebagai stator. Tidak seperti motor DC dengan sikat, motor ini tidak bisa langsung dihubungkan dengan sumber arus searah. Arus dalam stator harus dibalik arahnya pada posisi tertentu dari rotor, sehingga seolah-olah motor ini digerakkan dengan arus bolak balik. Lilitan medan pada stator diaktifkan secara berurutan untuk mengasilkan medan magnet yang berputar. Perintah pembalikan arus ini dihasilkan oleh encoder komutasi sebagai respon terhadap signal dari sensor cahaya atau sensor Hall-effect. Motor ini memiliki efisiensi tinggi, umur yang panjang, noise yang rendah dan konsumsi daya yang kecil. Jenis ini banyak digunakan pada sistem robotika dan sistem mekanisme servo.

Motor DC dengan lilitan pembangkit medan magnet pada Gambar 5.27, dapat dibedakan menjadi 4 bagian yaitu : (a) jenis serie, (b) jenis shunt, (c) jenis gabungan dan (d) jenis pembangkit terpisah, tergantung pada bagaimana gulungan medan dan gulungan armatur tersebut dihubungkan. Pada motor jenis gulungan serie seperti pada Gambar 5.29 (a), gulungan medan dan armatur dihubungkan secara serie, dan motor ini membangkitkan torsi awal paling besar serta kecepatan tertinggi pada saat tanpa beban. Motor ini agak berbahaya untuk beban yang kecil karena motor akan berjalan dengan kecepatan yang terlalu tinggi. Perubahan polaritas catu daya tidak memberi pengaruh apapun pada putaran karena kedua gulungan sama-sama berubah arah arusnya.

Motor jenis shunt pada Gambar 5.29 (b), gulungan armatur dan pembangkit medan adalah paralel. Jenis ini memberi torsi paling kecil dengan kecepatan tanpa beban yang jauh lebih rendah dan memiliki pengaturan kecepatan yang baik. Karena kecepatan yang relatif konstan terhadap perubahan beban, maka motor jenis ini digunakan secara luas. Untuk membalik putaran, polaritas kedua gulungan juga harus dibalik, oleh karenanya untuk situasi seperti ini jenis pembangkit terpisah lebih banyak diminati.

Gambar 5.29 Beberapa Rangkaian Untuk Mengaktifkan Motor DC

(d)

(c) (a)

pembuat medan

pembuat medan

pembuat medan

shunt medan pembuat

medan

armatur armatur

armatur

armatur

(b)



Pada jenis gabungan (Gambar 5.29 c), terdapat dua gulungan, satu secara serie dengan armatur dan yang lain secara paralel. Jenis ini dimaksud untuk memanfaatkan keunggulan dari jenis serie dan jenis shunt, yakni torsi awal yang tinggi dan pengaturan kecepatan yang baik.

Sementara motor jenis terpisah (Gambar 5.29 d) memiliki kendali terpisah antara arus yang melalui armatur dan yang melalui gulungan pembuat medan. Motor jenis ini sering dianggap sebagai kasus khusus motor jenis shunt. Secara umum kecepatan dan torsi dari masing-masing dari motor DC ini dapat dibandingkan dan konstruksi fisiknya ditunjukkan seperti pada Gambar 5.30 [Petruzella, 1996].

Biasanya motor listrik dipasang untuk suatu pekerjaan tertentu dimana motor harus dikendalikan agar kecepatan putarnya tetap walaupun bebannya berfluktuasi. Kadang-kadang diperlukan juga perubahan arah putaran motor tersebut. Arah putaran motor DC tergantung pada arah medan magnet dan arah arus yang mengalir melalui armatur. Bila salah satu dari kedua faktor tadi dibalik, maka arah putaran motor akan berbalik. Bila kedua-duanya dibalik pada saat yang bersamaan, maka motor tetap berputar seperti arah sebelumnya. Cara baku yang dilakukan dalam praktek adalah membalik arah arus yang mengalir melalui armatur.

Cara termudah untuk mengendalikan motor DC adalah menggunakan rangkaian loop terbuka. Seseorang hanya perlu menentukan nilai tegangan inputnya dan kecepatan serta torsi motor selanjutnya pola gerakan langsung ditentukan oleh karakteristik motor dan beban yang ada seperti ditunjukkan dalam contoh Gambar 1.17 (a). Tetapi kenyataan di lapangan adalah adanya kebutuhan agar motor berputar dengan kecepatan yang diinginkan, yang dapat dilaksanakan dengan

Gambar 5.30 Karakteristik dan Kontruksi Fisik Motor DC

arus

torsi (serie)

torsi (gabungan)

torsi (shunt)

kec. (serie)

kec. (gabungan)

kec. (shunt)



semacam sistem kendali otomatis dimana tegangan input untuk motor diatur sedemikian rupa sehingga dihasilkan kecepatan rotasi yang diinginkan.

Cara pengendalian seperti itu disebut kendali loop tertutup atau sistem kendali umpan balik (Gambar 1.17 b), dimana sistem ini menggunakan informasi output sensor kecepatan atau torsi sebagai pembanding. Sistem akan bekerja secara terus menerus membandingkan output aktual dengan nilai yang diinginkan (setting-point). Pada metoda ini, unit pengendali akan secara aktif mengatur diri agar output sistem bergerak menuju setting-point atau sedekat mungkin dengan nilai yang diinginkan. Untuk kemudahan realisasi pengendalian seperti itu, maka sistem kendali elektronik lebih banyak digunakan.

Terdapat dua macam pengendalian motor secara elektronik yaitu dengan: (a) penguat (amplifier) linier, dan (b) modulasi lebar pulsa (PWM). Walaupun kedua cara ini dapat befungsi dengan baik, tapi pengendali PWM memiliki keunggulan karena cara ini mampu mengatur transistor daya bipolar dengan cepat antara cut-off dan saturasi dimana operasinya berjalan sangat efisien (disipasi daya sangat minimal). Penguat servo yang menggunakan penguatan daya linier juga dapat bekerja dengan baik tetapi terjadi disipasi panas yang sangat besar karena transistor bekerja di daerah operasi liniernya. Pembahasan akan difokuskan pada penggunaan PWM (pulse width modulation), karena rendahnya daya yang diperlukan, kemudahan perancangan, ukuran yang kecil dan biaya yang murah.

Prinsip kerja PWM ini adalah mengirimkan tegangan catu daya antara nilai ON dan OFF dengan pola frekuensi f tertentu yang dihasilkan oleh suatu rangkaian elektronik (Gambar 5.31). Frekuensi ini merupakan pola perubahan tegangan high/low yang bisa memiliki kecepatan lebih besar dari 1 kHz. Nilai ON (high) ditahan untuk selang waktu pulsa, t selama perioda tertentu, T. Lamanya nilai high ini ditahan akan menentukan duty-cycle pulsa ini, yang didefinisikan sebagai rasio antara waktu ON (t) dengan perioda gelombang (T), dalam bentuk persentase:

Elektronik PWM

Catu daya (Vs)

pulsa

motor t

T

Bentuk pulsa:

cepat (t besar)

lambat (t kecil)

t

(Vs)

Gambar 5.31 Prinsip Kerja PWM dan Contoh Rangkaian Pengendaliannya



duty cycle = %100×Tt Pers. (5.1)

Pada saat nilai duty cycle ini diubah oleh pengendali, maka arus rata-rata yang melewati motor juga akan berubah, dan ini menyebabkan kecepatan dan torsi motor ikut berubah. Jadi karakteristik output motor terutama ditentukan oleh nilai duty cycle dan bukan hanya ditentukan oleh tegangan catu daya ke motor saja. Untuk menghasilkan pola gelombang dengan lebar termodulasi, dapat juga digunakan rangkaian Op-Amp seperti pada Sub-bab 2.5, tentang penggunaan Op-Amp sebagai komparator tegangan (Gambar 2.8). Dengan mengatur besarnya tegangan terminal inverting (Vref), maka diperoleh bentuk pulsa kotak dengan lebar yang termodulasi.

Suatu blok diagram sistem pengendali kecepatan umpan balik dengan PWM untuk motor DC ditunjukkan pada Gambar 5.32. Tegangan output tachometer yang berkorelasi linier dengan kecepatan motor dibandingkan dengan nilai setting-pointg (dalam bentuk tegangan yang secara manual/komputer dapat dikorelasikan dengannya). Berdasarkan besar error yang terjadi, regulator akan membangkitkan pulsa-pulsa gelombang kotak dengan lebar termodulasi yang baru sebagai outputnya. Tegangan pulsa ini dikuatkan lagi oleh penguat daya hingga mencapai tingkat tegangan penggerak yang sesuai bagi motor.

Dalam pengendalian motor DC dengan PWM, tegangan catu daya diubah-ubah (switching) dengan begitu cepat melalui armatur, dan arus yang melewati motor dipengaruhi oleh induktansi dan resistansi motor. Karena switching ini terjadi begitu cepat, maka arus yang melewati rotor memiliki fluktuasi disekitar nilai tertentu seperti pada Gambar 5.33. Dengan naiknya duty-cycle, maka arus rata-rata yang melalui rotor juga membesar, sehingga kecepatan motor menjadi bertambah.

Gambar 5.32 Prinsip Kerja PWM dan Contoh Rangkaian Pengendaliannya

tacho

kecepatan terukur

error regulator elektronik

PWM

setting point

Σ amp. daya

motor

arus (i)



Untuk membalik arah putaran suatu motor DC, yang umum dilakukan adalah membalik arus yang mengalir ke dalam rotornya. Hal itu dapat dilakukan dengan menggunakan rangkaian H-bridge seperti pada Gambar 5.34. Ketika transistor T5 diaktifkan (Pin 1 active high), maka optokopler kiri akan aktif dan memicu transistor T1 dan T4, sementara T2 dan T3 tetap tidak aktif. Karenanya arus dari Vcc = 24 Volt bisa mengalir melalui T1, lanjut ke motor DC, setelah itu melalui T4 menuju ground. Untuk membalik arah putaran motor, maka transistor T6 diaktifkan (Pin 2 active high), maka dengan cara penelusuran yang sama akan diperoleh putaran motor dengan arah sebaliknya.

Gambar 5.33 Perbandingan Tegangan dan Arus pada Duty-cycle Berbeda

waktu

tegangan PWM

arus motor

duty-cycle kecil duty-cycle besar

tegangan PWM

arus motor

waktu

Gambar 5.34 Rangkaian H-bridge untuk Membalik Arus Motor DC



Pada prakteknya terdapat berbagai cara untuk menjalankan motor DC. Cara lain yang juga sering digunakan dalam kegiatan hobby untuk mengatur putaran motor DC dapat dilakukan dengan memanfaatkan IC tipe TC4424 MOSFET seperti pada Gambar 5.35 [robotroom.com, 2006]. IC ini menyediakan dua pin untuk menyalurkan signal kendali, yakni (a) pin pertama untuk jalur signal PWM yang bisa dihasilkan oleh rangkaian pembangkit PWM dan (b) pin ke-dua untuk tanda arah putaran. Dengan mengatur ke-dua signal ini maka arah dan kecepatan putar motor DC dapat dikendalikan dengan mudah secara elektronik.

Tampilan fisik motor ini ditunjukkan dalam Gambar 5.36 (a) dari ukuran kecil hingga yang besar. Pada Gambar 5.36 (b) ditunjukkan kondisi inti motor (armatur dengan lilitannya) sedang dilepas dari rumahnya. Komutator beserta casing belakang tempat saluran kabel listrik ke dalam motor ditujukkan dalam Gambar 5.36 (c) dan (d). Sementara motor DC mikro ada yang telah dilengkapi dengan encoder yang terpasang secara integral dengan poros rotor (Gambar 5.37). Pengguna dapat langsung membaca data posisi poros dari jalur kabel data yang telah disediakan [Okretic, 2006].

Salah satu aplikasi nyata yang telah dilakukan adalah versi baru mobil Fiat Punto diklaim sebagai kendaraan pertama di pasar yang menggunakan electric power steering sebagai ganti sistem/mekanisme hidrolik. Satu keuntungan utamanya adalah sistem steering ini dapat disesuaikan dengan persyaratan unjuk kerja steering yang khusus. Dengan versi elektrik ini, kerja steering dapat diubah tergantung pada situasi yang ada. Sistem ini juga menghilangkan perlunya pompa hidrolik, selang dan minyak pelumas, dan juga katrol serta tali kipas seperti pada sistem konvensional. Hal ini dapat mengirit ruang, menghindarkan terjadinya kebocoran dan mengurangi tenaga yang diambil dari engine mobil, meningkatkan ekonomi

Gambar 5.35 Pengaturan Motor DC dengan IC TC4424



bahan bakar dan akselerasi. Keunggulan lainnya adalah sistem electric power steering dapat tetap berfungsi walaupun engine mobil dalam keadaan mati.

5.2.3 Motor AC

Kebanyakan motor listrik yang ada di pasaran adalah dari jenis motor AC. Dibandingkan dengan motor DC, motor AC memiliki beberapa keunggulan antara lain adalah:

1. Biaya pemakaian yang lebih rendah,

Gambar 5.37 Motor DC mikro dengan Encoder Terintegrasi

Gambar 5.36 Ukuran Fisik Motor DC, Rotor, Komutator dan Casing Belakang

(a) (b)

(c) (d)



2. Memerlukan perawatan lebih ringan/sedikit, 3. Telah tersedia untuk berbagai lingkungan operasi yang berbeda, 4. Mampu bertahan pada lingkungan operasi yang berat/kasar, 5. Memiliki ukuran fisik yang lebih kecil untuk ukuran daya (HP) yang sama, 6. Biaya perawatan yang lebih murah, 7. Dapat beroperasi di atas nilai kecepatan yang tercantum pada nameplate.

Terdapat beberapa macam motor AC tergantung pada bagaimana gerakan rotasi itu dihasilkan. Ada pihak yang membagi menjadi dua kelompok yakni jenis motor fasa tunggal dan fasa jamak yang masing-masing dibagi lagi menjadi motor induksi dan motor sinkron. Ada yang mengklasifikasi berdasarkan prinsip operasinya yakni motor induksi atau motor sinkron. Fitur yang paling mendasar pada semua motor AC adalah medan magnet berputar yang dibangkitkan oleh gulungan kawat pada stator dengan arus 3-fasa. Inventor motor AC 3-fasa adalah Nikola Tesla, yang merupakan seorang pionir dalam teori elektromagnetik.

Konsep kerja motor AC dapat dilejaskan melalui kerja motor 3-fasa yang memiliki tiga gulungan dengan posisi 120O satu sama lain. Masing-masing gulungan dihubungkan dengan satu fasa dari sumber tegangan 3-fasa (Gambar 5.38). Pada saat arus 3-fasa melalui gulungan itu, maka terciptalah efek medan magnet berputar di dalam inti stator. Kecepatan putar medan ini tergantung pada jumlah kutub pada stator dan frekuensi dari sumber tegangan. Kecepatan motor AC ini, yang disebut kecepatan sinkron, ditentukan berdasarkan rumus berikut:

Gambar 5.38 Pembangkitan Medan Magnet yang Berputar

C

A

B

1 2 3 4 5 6 7

A

C

B C

B A

B A

A C

C

B



PfS 120

= Pers. (5.2)

dimana S = kecepatan sinkron (rpm), f = frekuensi sumber tegangan (Hz) dan P = jumlah gulungan kutub pada setiap gulungan fasa tunggal.

Gambar 5.39 berikut ini merupakan salah satu contoh motor AC sinkron 3-fasa, dimana dalam rotornya terdapat gulungan kawat dengan arus DC. Selain itu, permanen magnet juga bisa digunakan. Pada Gambar 5.39 ini terdapat dua macam gulungan, yakni pertama gulungan AC baik untuk jenis sqirrel-cage ataupun jenis rotor lilitan kawat dan kedua gulungan DC. Gulungan AC akan menarik rotor hingga hampir mencapai kecepatan sinkron, dan tepat pada saat itu gulungan DC diaktifkan, sehingga medan magnet rotor (hasil gulungan DC) akan terkait dengan medan magnet yang berputar tersebut.

Salah satu motor AC yang paling umum digunakan adalah motor AC induksi, dimana motor jenis ini relatif sederhana dan lebih murah dibandingkan dengan jenis yang lain. Motor induksi bisa berupa motor satu fasa ataupun 3-fasa. Arus AC yang mengalir pada stator menginduksi gulungan rotor melalui celah udara, yang selanjutnya menghasilkan arus dalam rotor dan medan magnet. Medan magnet dari rotor dan stator ini kemudian saling berinteraksi dan kemudian menyebabkan motor berputar (Gambar 5.40) secara terus menerus.

Untuk penerapan di industri, mayoritas motor yang digunakan adalah motor AC induksi squirrel-cage 3-fasa (Gambar 5.41). Ciri utama motor AC jenis ini adalah sebagai berikut:

1. Rotornya terbuat dari konduktor tembaga yang ditanam dalam inti yang solid dan diujungnya dipotong membentuk squirrel-cage,

2. Kecepatannya cukup konstan, 3. Arus awal besar yang diperlukan bisa menyebabkan fluktuasi tegangan, 4. Arah putaran dapat dibalik dengan cara menukar dua dari tiga jala-jala listrik

utama ke dalam motor,

Gambar 5.39 Motor AC Sinkron Tiga Fasa dengan Rotor Gulungan

(a) (b)

AC 3-fasa (rotor)

DC (rotor)



5. Faktor daya menurun bersama dengan turunnya beban, 6. Pada saat tegangan diterapkan pada stator, terciptalah medan magnet yang

berputar dan menginduksi tegangan dalam rotor. Tegangan ini menghasilkan arus besar yang mengalir dalam rotor. Arus yang besar ini membentuk medan magnet pada dirinya, kemudian medan magnet rotor dan stator cenderung saling menarik. Kejadian ini menimbulkan torsi, dan memutar rotor dengan arah yang sama dengan putaran medan magnet yang dihasilkan oleh stator.

Motor squirrel-cage biasanya dipilih dibandingkan jenis motor lainnya karena kesederhanaanya, ketahanan dan kekokohannya serta kehandalannya. Oleh sebab itu motor squirrel-cage telah diterima sebagai motor standar bagi penerapan motor AC multi-guna dangan kecepatan konstan. Walaupun demikian, pengendalian kecepatannya tetap lebih rumit dari pada motor DC.

Pengendalian kecepatan motor AC didasarkan pada ketersediaan sumber frekuensi variabel, karena kecepatan motor jenis ini ditentukan oleh frekuensi sumber tegangannya. Torsi yang dihasilkan akan bernilai konstan apabila rasio

Gambar 5.41 Motor Induksi Squirrel-cage 3-Fasa dan Model Lilitannya

konduktor tembaga

A

B

C

Line K

Line L

Line M

rotor

gulungan stator

ring pemendek

aliran arus induksi di dalam rotor

armatur B

BS

U

i

Gambar 5.40 Motor AC dengan Arus Induksi pada Armatur



tegangan sumber dengan frekuensi juga konstan. Jadi, untuk menjaga agar torsi konstan pada kecepatan berbeda ketika frekuensi diubah-ubah, maka tegangan yang diberikan ke stator juga harus diubah-ubah.

Kebutuhan pengendalian seperti itu dapat dilakuakn dengan metoda inverter, yakni: tegangan AC pertama-tama disearahkan menjadi tegangan DC oleh converter dan diubah lagi menjadi AC oleh inverter. Akan tetapi tegangan ini memiliki frekuensi yang bisa dipilih dan nilai tegangan yang besesuaian dengan tujuan untuk menjaga torsi yang konstan. Hingga saat ini terdapat tiga macam rancangan metoda inverter, yaitu: current source inverter (CSI), variable voltage inverter (VVI) dan pulse-width-madulated (PWM) inverter. Untuk penerapan dengan kecepatan rendah, biasanya dipakai cycloconverter yang mengubah tegangan AC langsung menjadi tegangan AC dengan frekuensi lain, tanpa konversi DC ditengahnya. Secara skematik Gambar 5.42 melukiskan cara kerja global inverter.

5.2.4 Motor Stepper

Motor stepper adalah sebuah perangkat elektro-mekanikal yang dapat mengkonversi pulsa-pulsa listrik menjadi gerakan mekanik diskrit. Poros atau spindel motor stepper berputar bertahap perlangkah secara inkremental diskrit ketika pulsa listrik dikirimkan ke motor dengan urutan tertentu. Rotasi motor ini memiliki beberapa kaitan langsung dengan pulsa-pulsa input ini. Urutan bagaimana pulsa ini dikirim secara langsung berkaitan dengan arah putaran poros motor. Kecepatan rotasi poros tersebut langsung berkorelasi dengan frekuensi pulsa-pulsa input ini dan lamanya rotasi berhubungan dengan jumlah pulsa-pulsa input yang diterapkan.

Berbagai keunggulan yang ditawarkan oleh motor stepper dibandingkan motor DC atau motor AC antara lain:

1. Sudut putaran motor proporsional dengan jumlah pulsa input, 2. Torsi penuh motor terjadi saat diam (bila lilitan di-energized),

Gambar 5.42 Metoda Inverter Untuk Mengatur Torsi Motor AC

DC

cycloconverter Frekuensi variabel (AC)

converter

inverter

AC tiga-fasa

motor AC



3. Positioning yang presisi dan keterulangan gerak yang baik karena motor stepper yang baik bisa memiliki akurasi hingga 3 – 5% dari satu step dan error ini tidak bersifat kumulatif dari satu step ke step selanjutnya,

4. Respon yang sangat baik terhadap starting/stopping/reversing, 5. Sangat handal karena tidak ada sikat-sikat yang kontak pada motor, karenanya

umur motor hanya ditentukan oleh umur bantalan saja, 6. Respon motor terhadap pulsa-pulsa input digital memberikan satu bentuk

sistem kendali open-loop, sehingga motor menjadi lebih murah dan mudah dikendalikan,

7. Merupakan hal yang mungkin untuk mencapai kecepatan rotasi sinkron yang sangat rendah ketika beban secara langsung disambungkan dengan poros,

8. Rentang kecepatan putar yang lebar dapat direalisasi karena kecepatan motor proporsional dengan frekuensi pulsa-pulsa input.

Akan tetapi, motor ini juga membawa kelemahan-kelemahan yang perlu diperhitungkan saat menerapkan motor stepper, yakni:

1. Resonansi akan terjadi bila tidak dikendalikan secara tepat, 2. Waktu settling yang relatif panjang, 3. Tidak mudah dioperasikan pada kecepatan yang terlalu tinggi, dan agak kasar

pada kecepatan rendah bila tidak memakai penggerak (drive) mikro-step, 4. Gangguan dari luar (seperti spike) dapat dianggap sebagai pulsa.

Oleh karena itu satu keunggulan utama dari motor stepper adalah kemampuannya untuk dikendalikan secara akurat dalam sistem open-loop. Pengendalian secara open-loop mempunyai konotasi tidak diperlukannya informasi umpan balik tentang posisi, sehingga pengendalian jenis ini meniadakan kebutuhan perangkat sensor dan umpan balik yang mahal seperti encoder optikal. Posisi motor dapat diketahui cukup dengan mencatat (menjejak) jumlah pulsa input yang telah dikirim. Bentuk fisik dan konstruksi gulungan didalamnya ditunjukkan pada Gambar 5.43. Motor ini adalah jenis KP4M4-001 yang awalnya digunakan pada floppy disk drive untuk IBM-PCs dan kompatibel dengan motor stepper jenis Tandon TM100.

Gambar 5.43 Bentuk Fisik dan Gulungan Dalam Motor Stepper



Motor stepper adalah motor yang menghasilkan rotasi dengan sudut putar yang sama, sehingga disebut step (langkah) untuk setiap pulsa yang dikirim sebagai input. Atau dengan kata lain, motor ini mengubah pulsa-pulsa listrik menjadi gerakan rotor secara diskrit (bertahap). Misalnya satu motor stepper dua-derajat-per-step akan memerlukan 180 pulsa untuk berputar satu revolusi. Umumnya motor step dibuat dengan jumlah step per revolusi sebesar 12, 24, 72, 100, 144, 180, 200, 360 dan 1000 yang menghasilkan inkremental perputaran poros sebesar 30O, 15O, 5O, 3,6O, 2,5O, 2O, 1,8O, 1O dan 0,36O. Motor mikro-step juga tersedia yang memerlukan hingga 10.000 step per putaran atau bahkan lebih. Motor ini cocok untuk penerapan dengan kecepatan dan torsi yang rendah, tetapi bisa menyediakan kendali posisi yang presisi untuk suatu gerakan.

Gambar 5.44 mengilustrasikan operasi dasar motor stepper DC. Motor ini terdiri dari empat buah stator elektromagnetik dan sebuah rotor magnet permanen. Bila polaritas dari gulungan pembangkit dibalik secara tepat, maka rotor akan berputar ke arah tertentu sebesar tepat satu step (langkah) menuju satu posisi akhir yang baru. Arah putaran motor diatur dengan mengatur urutan stator mana yang harus diaktifkan. Sementara pada motor stepper unipolar, arus hanya bisa mengalir satu arah dalam koil lilitan, artinya kutub stator hanya bisa dipolarisasi dalam satu arah saja. Jadi motor unipolar adalah salah satu jenis motor stepper yang hanya bisa diatur dengan satu arah putaran saja.

Pengaturan dimulai dengan membuat kutub A dan D menjadi kutub Utara, dan B serta C menjadi kutub Selatan, sehingga permanen magnet dalam rotor akan mengarah ke sudut 45O terhadap garis vertikal. Penukar saklar A dan B kemudian diatur, sehingga kutub Utara pindah dari D ke B, sehingga permanen magnet

Gambar 5.44 Prinsip Dasar Operasi Motor Stepper DC



Tabel 5.1 Urutan Perubahan Polaritas Kutub Stator Motor Stepper

A B C D A B C D A B C D N N S S N S N S S N N S N S N N S S S S N N S N N S N S S N S N S N N S N N S S N S S N S N N S N S S S N N S S N N S N S N N S S N S N N S S N

dan seterusnya. dan seterusnya. dan seterusnya.

bergerak 90O searah jarum jam, dan demikian seterusnya. Untuk contoh ini, satu step adalah putaran rotor sebesar 90O. Jumlah step per putaran ditentukan oleh jumlah pasangan kutub pada rotor dan stator. Semakin banyak jumlah kutub pada kedua bagian, semakin tinggi pula jumlah step per rotasi dari motor itu.

Pengaturan polaritas kutub stator dapat dilakukan dengan beberapa cara antara lain seperti yang dirinci dalam Tabel 5.1. Cara pertama disebut wave drive, yang kedua disebut full-step phase sequence dan yang terakhir disebut half-step phase sequence. Dari tabel ini terlihat bahwa cara paling terakhir memberikan nilai sudut step yang lebih kecil yakni setiap 45O. Hal ini berarti dengan mengatur kombinasi polaritas kutub, langkah yang lebih kecil bisa diperoleh walaupun secara konstruksi motor ini hanya memiliki empat kutub stator. Jadi dengan menambah jumlah kutub stator, kutub permanen magnet dan pengaturan secara elektronik, jumlah step yang sangat besar secara teoritis bisa dicapai.

Untuk tujuan memperhalus gerakan motor stepper, maka dirancang beberapa macam konstruksi antara lain jenis rotor magnet permanen (PM) dengan jumlah yang sangat banyak, motor jenis reluktansi variabel (VR) dan motor jenis hibrid, yakni jenis yang mengkombinasikan prinsip operasi dari kedua macam motor sebelumnya. Secara skematik ketiga jenis motor stepper ini ditunjukkan dalam Gambar 5.45.

Contoh operasi motor stepper jenis reluktansi variabel dilukiskan pada Gambar 5.45 (c) atau 5.46, dimana motor ini terdiri dari dua kutub dengan masing-masing 3-gigi di ujungnya. Di antaranya diselipkan batang magnet sehingga setiap ujung menjadi kutub Utara atau kutub Selatan. Ketiga gigi U - S tersebut dipasang bergeser (shifted) satu dengan lain seperti pada gambar, sementara stator memiliki



4-gigi yang panjangnya sama dengan panjang rotor. Kawat listrik digulung pada stator dan dihubungkan secara berpasang-pasangan.

Ketika tidak ada arus mengalir, maka rotor akan mengambil posisi seperti pada Gambar 5.46 (a). Ini terjadi untuk menjaga keseimbangan (meminimasi reluktansi flux/hambatan magnetik) antara rotor dengan stator disekelilingnya. Posisi ini terjadi saat sepasang kutub rotor Utara-Selatan berpasangan/berhadapan dengan dua kutub stator yang berlawanan.

Torsi yang menahan posisi ini biasanya kecil dan disebut “detent torque”, dan untuk motor ini akan ada 12 posisi detent. Gambar 5.46 (a) adalah satu posisi stabil yang mungkin dan untuk bergeser dari posisi ini diperlukan torsi yang cukup besar dan dikenal dengan nama “holding torque”. Dengan mengubah aliran arus dari pasangan 1A-1B ke 2A-1B, maka medan magnet stator berputar 90O dan akan menarik pasangan kutub stator yang lain (gambar b). Hasilnya adalah perputaran rotor sebesar 30O bersesuaian dengan satu step penuh atau 1/12 dari putaran penuh (360O). Kemudian kembali ke pasangan stator sebelumnya (Gambar 5.46 c), tapi di-energized dengan polaritas terbalik, maka medan stator berputar lagi 90O dan rotor berputar lagi 30O. Kemudian pasangan stator kedua di-energized tetapi dengan polaritas terbalik (Gambar 5.46 d) sehingga tercapai posisi step ke tiga dan begitu

Gambar 5.45 Jenis-jenis Motor Stepper: (a) PM, (b) Hibrid dan (c) VR

(a) permanen maget

(“canstack”)

(c) reluktansi variabel

(b) jenis hibrid 12 step/rev.



seterusnya. Cara pengaturan seperti ini disebut full-stepping, one phase on. Untuk membalik putaran motor, cukup dengan membalik urutan pengaktifan koil itu saja.

Selain motor stepper yang bergerak rotasi, terdapat juga motor stepper yang dapat bergerak linier. Gerakan ini dihasilkan oleh suatu konstruksi forcer dengan magnet permanen yang mengambang di atas bidang landasan yang sangat datar dan halus (Gambar 5.47, [Klafter, 1989]). Elevasi (pengambangan) ini terjadi karena adanya celah udara sebesar 0,0005 inch yang terbentuk berdasarkan konsep bantalan udara (ada aliran udara dari saluran masuk). Untuk bergerak liner, kutub-kutub pada forcer diaktifkan sedemikian rupa sehingga muncul medan magnet yang cenderung membuat kutub forcer saling tarik dengan kutub pada platen. Kecepatan pengaturan kutub mana yang harus diaktifkan akan menentukan kecepatan jelajah/ translasi motor stepper ini. Motor stepper ini memiliki keunggulan dalam hal kehalusan gerak karena selama bekerja tidak ada gesekan antara bagian motor (rotor) dengan landasan (stator). Penelitian yang intensif bagi motor linier ini telah dilakukan oleh produsen sistem penggerak Heidelberg dari Jerman.

Sebagai ilustrasi, pada Gambar 5.48 diperlihatkan bagaimana langkah- langkah pengaturan kutub-kutub forcer agar motor bisa bergerak secara linier di atas landasannya. Pada posisi awal (gambar a) terjadi keseimbangan gaya dalam arah horizontal dan vertikal. Kutub-1 tertarik ke bawah tetapi tertahan oleh gaya angkat bantalan udara. Kutub-3 dan kutub-4 saling tarik menarik ke arah

Gambar 5.46 Prinsip Operasi Motor Stepper Jenis VR



horizontal, tetapi tetap diam karena semua gaya-gaya yang bekerja memberi resultan nol dalam arah horizontal. Agar motor bergerak ke kanan, maka kutub-3 dimatikan, sehingga terjadi ketidak-seimbangan gaya pada kutub-4. Forcer mulai tertarik ke kanan, dan pada saat bersamaan kutub-2 juga diaktifkan, sehingga posisi setimbang yang baru tercapai (Gambar 5.48 b). Bila pengaturan aktivasi kutub ini diteruskan, maka setelah 4 pulsa, forcer akan kembali berada pada konfigurasi seperti semula (satu langkah setelah Gambar 5.48 d yang sama persis dengan Gambar 5.48 a) yang berarti telah ditempuh jarak sebesar 2 kali lebar kutub platen.

Gambar 5.48 Perpindahan Linier Force Secara Bertahap

Gambar 5.47 Prinsip Kerja Motor Stepper Liner di Atas Landasan Halus



5.3 Sistem Penggerak Mekanik

Pada Sub-bab ini akan dibahas apa yang dinamakan sistem penggerak mekanik, yang mana sistem ini umumnya berfungsi untuk mengubah satu macam gerakan menjadi bentuk gerakan lainnya. Sering ditemui kondisi dimana input berupa gerakan linier harus diubah menjadi gerakan rotasi misalnya pada jam ukur (dial indicator). Dalam sistem yang lain input bisa berupa gerakan rotasi dan harus dihasilkan gerakan bolak balik seperti pada mesin skrap (shaper) dan sebaliknya pada motor bakar torak. Untuk proses pengubahan ini, digunakan komponen-komponen sistem mekanis secara utuh.

Elemen-elemen sistem mekanis bisa meliputi linkage (sambungan batang), cam, roda-gigi, rack-and-pinion, rantai, sabuk daya (lebih dikenal sebagai tali kipas), dan lain-lain. Masing-masing elemen ini memiliki ciri khusus dalam pemakaiannya, misalnya rack-and-pinion dipakai untuk mengubah gerakan rotasi stir mobil menjadi gerakan translasi tie-rod agar roda depan mobil bisa dibelokkan ke kanan atau ke kiri, sementara sabuk daya bisa dipakai untuk memindahkan gerakan rotasi dari satu poros ke poros lainnya, dan lain sebagainya.

Istilah mekanisme (mechanism) pada dasarnya terkait dengan proses transformasi gerakan, sementara mesin (machine) diartikan sebagai suatu sistem yang menghasilkan atau mengubah bentuk gaya atau torsi untuk melakukan kerja yang bermanfaat. Kedua istilah ini sangat terkait satu sama lainnya. Sementara kinematika adalah suatu pendekatan yang digunakan untuk mempelajari segala macam gerakan tanpa memperhitungkan gaya yang terlibat didalamnya. Gerakan setiap benda pada ruang 3-dimensi terdiri gerakan translasi dan rotasi ataupun kombinasi keduanya, dimana gerakan translasi berlaku searah dengan salah satu sumbu ataupun gerakan rotasi melingkari salah satu sumbu yang ada.

Rantai kinematik merupakan salah satu cara untuk mendapatkan gerakan tersebut, dimana gerakan suatu mekanisme dapat diperlakukan sebagai kumpulan dari rangkaian link-link individual. Link adalah suatu elemen yang bergerak relatif terhadap elemen lainnya. Contoh mekanisme yang menunjukkan rantai ini misalnya gerakan piston engine motor bakar seperti pada Gambar 5.49. Secara garis besar komponen utama engine adalah ruang bakar, busi, piston, connecting-rod, dan crank-shaft.

Yang menjadi sumber gerakan adalah gerak resiprokal piston di ruang bakar saat engine ini bekerja. Urutan komponen itu digambarkan dalam model link berupa link-1, link-2, link-3 dan link-4. Salah satu komponen harus menjadi rujukan dan tetap berada pada satu posisi mati (fixed), dalam contoh ini adalah link-3. Link-3 ini mewakili tumpuan poros crank-shaft ataupun rumah piston/engine secara keseluruhan. Gerakan dari satu link misalnya link-4 (piston), akan menghasilkan



suatu gerakan terprediksi pada link-1 (crank-shaft) yakni gerakan dengan kecepatan putar poros tertentu.

Mekanisme link yang banyak dikenal adalah mekanisme 4-batang (Gambar 5.50), seperti pada wiper mobil (a), bagian penggerak pahat mesin skrap (b), penarik film pada kamera konvensional (c) dan lain-lain. Setiap mekanisme ini memiliki link penggerak awal dan link output berupa gerakan yang polanya bisa sangat bervariasi tergantung pada kebutuhan atau keinginan sang perancang.

Cara lain untuk mendapatkan pola gerakan yang berbeda adalah dengan menggunakan piston pneumatik yang menggerakkan meja indexing ataupun mekanisme Genewa untuk menghasilkan gerakan rotasi yang intermiten/terputus-putus (Gambar 5.51). Kedua mekanisme ini menghasilkan gerakan output yang sama yakni gerakan rotasi terputus-putus, tetapi mereka disebabkan oleh dua macam sumber gerak yang berbeda, yakni gerakan resiprokal dari piston dan gerakan rotasi murni dari poros penggerak utama mekanisme Genewa. Jumlah gerakan putus-putus per revolusi dapat dirancang sesui dengan kebutuhan.

Gambar 5.49 Sketsa Engine Motor Bakar dan Model Link-nya

busi

connecting rod

crack shaft

ruang bakar

piston

2

3

4

1



5.4 Sistem Penggerak Khusus

Di luar dari sistem penggerak yang telah dijelaskan sebelumnya, masih terdapat jenis aktuator yang dapat dikatakan bersifat khusus. Hal ini tak lepas dari perkembangan teknologi yang semakin maju, meningkatnya pengetahuan tentang jenis-jenis material baru dan juga adanya kebutuhan akan unit penggerak yang bersifat non-konvensional. Ilmu kedokteran memerlukan bantuan peralatan yang bersifat mini, mungkin berukuran beberapa milimeter saja, namun harus bersifat presisi dan dapat melakukan tugas-tugas yang cukup penting dalam proses operasi tubuh pasien misalnya.

Gambar 5.51 Contoh Penggerak Mekanis Intermiten (Terputus-putus)

Gambar 5.50 Beberapa Contoh Mekanisme Empat-Batang

2

43

1

film

A

C

B

B2 B1

E

3

21 4

(a) (b)

(c)



Sebagai contoh adalah pemanfaatan shape memory alloy (material cerdas atau paduan ingat bentuk) yang telah semakin banyak digunakan. Material cerdas ini dapat menggerakkan komponen tertentu dalam alat injeksi, ataupun mengambil benda-benda yang sangat lembut dan tidak boleh ditekan terlalu keras. Dua contoh penggerak spesifik yang akan dibahas dalam Sub-bab ini adalah piezo actuator dan penggerak dengan material shape memory alloy.

5.4.1 Piezo Actuator

Material piezoelektrik biasanya digunakan untuk mendeteksi/mengukur gaya dan percepatan, yang berupa sensor piezoelektrik. Kata “piezo” sendiri berasal dari bahasa Yunani: piezein, yang berarti “menekan hingga isinya keluar” atau dalam bahasa Inggris artinya "to squeeze". Hal ini selaras dengan kenyataan bahwa material piezoelektrik akan mengeluarkan tegangan listrik bila diberi gaya tekan dan besarnya sebanding dengan gaya tersebut. Tegangan listrik yang dihasilkan oleh material ini sangat cepat hilang setelah dikenai gaya tekan. Sebaliknya bila medan listrik diterapkan pada permukaan tertentu dari suatu kristal (quartz) maka kristal akan mengalami deformasi mekanis (menghasilkan perpindahan mekanis).

Fenomena ini sesuai dengan apa yang disebut efek piezoelektrisitas yang ditemukan oleh Pierre Curie dan saudaranya Jacques di tahun 1880 pada material kristal (quartz) dan garam Rochelle. Karena sifat bolak-balik yang sangat sempurna ini, kristal piezoelektrik ini digunakan dalam perangkat elektronik seperti transduser, elemen pick-up pada tape recorder/player, dan sebagai mikrofon. Kristal ini juga digunakan sebagai resonator dalam osilator elektronik dan amplifier berfrekuensi tinggi.

Gambar 5.52 (a) menunjukkan prinsip kerja dari modus operasi stepping dari piezoaktuator [Van de Vijver, 2005]. Dua buah piezoaktuator (A & B) dijepit diantara dua bidang rujukan dan sebuah stator ring. Pertama B memanjang dan mendeformasi stator ring sehingga menempel dengan slider, gambar (i). Ketika A memanjang dan B memendek dengan kecepatan sama, stator ring bersama slider bergerak secara horizontal sepanjang jarak ΔL, gambar (ii). Pemendekan A akan menghilangkan penekanan antara stator ring dengan slider, gambar (iii). Ketika piezoaktuator B memanjang lagi, siklus stepping baru dapat dimulai lagi, gambar (iv). Pada saat di (iii) tentunya slider ditumpu oleh piezoaktuator yang lain. Suatu modul penggerak planar yang terdiri dari dua stator ring telah dirancang seperti Gambar 5.52 (d). Piezoaktuator dipasang diantara frame kaku (fixed frame) dan stator ring. Stator ring ini dihubungkan ke frame kaku dengan pegas lembaran/daun. Frame yang kompak dan kaku ini bisa menjamin terpenuhinya syarat agar kondisi pasti terjepitnya piezoaktuator ini. Setelah dilakukan analisis



dan simulasi finite element serta dibandingkan dengan hasil pengukuran, diperoleh bukti bahwa kekakuan vertikal modul ini adalah 30N/μm, stroke vertikal pada tegangan output maksimum adalah 8mm. Pengukuran menunjukkan bahwa kecepatan gerak bisa mencapai 0.2m/s dan gaya traksi bisa mencapai 5N. Jenis aktuator piezoelektrik ini telah memberik kontribusi yag sangat penting dalam dunia mekatronika yang semakin menuntut bentuk-bentuk mikro ini.

Belakang ini aplikasi perkakas teknik-mikro semakin meningkat sehingga menyebabkan kompleksitas rancangan microdevice juga meningkat. Kebutuhan ini direalisasi dengan rakitan hibrid. Berbagai masalah yang muncul dalam penanganan elemen microoptical, microelectronical atau micromechanical yang sangat kecil dalam ukuran nano bahkan mikrometer, dapat diatasi dengan microgripper dan micropositioner yang dirancang khusus.

Microgripper yang telah dirancang selama ini umumnya hanya dapat menghasilkan gerakan jari pencekam yang bersifat rotasional saja. Saat pencekaman, terdapat gaya reaksi yang bekerja pada titik kontak antara objek dengan batang pencekamnya. Bila objek cekamnya memiliki kurvatur misalnya

Gambar 5.52 Piezo-actuator: (a) Proses penggeseran, (b) Rakitan Penggerak, (c) Rakitan dalam Housing, (d) Planar Drive Module

(a) (b)

(c)

(d)



microlense (seperti Gambar 5.53 a) maka kedua gaya reaksi tadi tidak akan setimbang dan menyebabkan lensa tadi akan jatuh dari genggaman karena terdorong keluar. Hal ini dapat diatasi dengan menggunakan mekanisme pencekaman dengan gerakan paralel pada kedua jari (Gambar 5.53 b), karena gaya cekam yang terjadi hanya pada sumbu horizontal saja. Karena itu tidak ada gaya yang mendorong objek keluar dari area pencekaman.

Untuk merealisasi mekanisme pencekaman paralel, maka dirancang suatu struktur kinematik seperti pada Gambar 5.54. Struktur kinematik ini terdiri dari dua mekanisme parallelogram dan beberapa engsel [Keoschkerjan, 2002]. Penggerak piezoaktuator yang terpasang pada dudukannya menjadi pembangkit gerakan bagi mekanisme microgripper ini. Gaya kontak K1 dan K2 akan menekan mekanisme pengungkit yang juga berfungsi sebagai penguat gerakan piezoaktuator yang nilainya kecil saja. Mekanisme parallelogram ini menghasilkan pembesaran hingga 100 kali. Untuk melepaskan objek dari cekaman, tegangan yang diterapkan pada piezoaktuator harus di-reset, yang mengakibatkan jari pencekam akan membuka.

Untuk mencekam benda, piezoaktuator diberi tegangan sehingga terjadi gaya tekan pada titik K1 dan K2. Karena bergerak serentak, maka ujung jari akan mendekat secara bersamaan, sehingga dihasilkan gerak cekam simetris (Gambar

Gambar 5.53 Mekanisme Pencekaman Secara Rotasional (a) dan Paralel (b)

gaya cekam

jari pencekam

objek cekam

(a) gaya

cekam

jari pencekam

objek cekam

(b)

Gambar 5.54 Struktur Kinematik Microgripper dengan Piezoaktuator

(a) (b) (c)



5.54 a). Bila objek cekam ada di sebelah kiri atau kanan sumbu gripper, maka modifikasi perlu dilakukan pada rancangan awal. Fitur ini juga bisa digunakan untuk memposisikan objek di sisi kiri atau kanan sumbu gripper.

Agar rancangan microgripper memiliki kemampuan positioning, maka piezoaktuator yang digunakan adalah sepasang. Mekanisme menjepit dilakukan dengan cara mendekatkan jari gripping (8) dan (9) yang dihasilkan dari penerapan tegangan input yang sama bagi kedua piezoaktuator (4) dan (10) pada (Gambar 5.54 b). Untuk memposisikan objek di sisi kanan, maka tegangan positif tambahan perlu diberikan kepada piezoaktuator (10) dan justru tegangan negatif yang sama kepada piezoaktuator (4). Pengendalian ini akan menginisiasi ekspansi piezoaktuator (10) dan kontraksi piezoaktuator (4) secara simultan. Hal sebaliknya dilakukan untuk positioning di sebelah kiri sumbu gripper.

Suatu material bernama microstructurable photosensitive glass digunakan untuk membuat microgripper jenis baru ini. Sebagai perbandingan dengan silicon, gelas lebih mengijinkan bentuk-bentuk profil lengkungan pada engsel fleksibel dengan teknologi etching yang memiliki kepresisian tinggi. Seperti pada Gambar 5.55 (a), proses mikrofabrikasi dilakukan dengan deposisi Aluminium pada bagian luar lapisan gelas. Proses lithografi dan etching selanjutnya menghasilkan suatu masker pada struktur microgripper dengan lapisan-Al. Expose dengan sinar UV dan langkah tempering menginisiasi apa yang disebut anisotropic property dalam gelas. Akhirnya lapisan gelas dengan struktur microgripper di-etchsa dalam larutan 10% HF (Gambar 5.55 b). Hasil akhirnya adalah suatu struktur microgripper yang sangat presisi seperti pada Gambar 5.55 (b), (c) dan (d). Langkah akhir adalah pemasangan piezoaktuator pada struktur microgripper ini.

Gambar 5.55 Tahap Pembuatan Microgripper Gelas Khusus

(a)

(b) (c)

(d)



Contoh-contoh lain dari penerapan piezoaktuator disajikan dalam Gambar 5.56 [Keoschkerjan, 2002]. Bila dirinci lebih mendetail, maka terdapat:

1. Suppression of oscillations. Damper berbasis material piezoaktif mengubah osilasi mekanis menjadi energi listrik. Energi yang dibangkitkan kemudian di-shunt untuk membuang energi sebagai panas, artinya energi osilasi dihilangkan,

2. Micromanipulator. Dengan tidak adanya batas resolusi, piezoaktuator digunakan dalam berbagai aplikasi positioning,

3. Micropump. Suatu diafragma digerakkan oleh piezoaktuator, maka katup cek input dan output secara berurutan akan membuka dan menutup sehingga cairan (liquid) atau gas akan terpompa,

4. Microrobot. Kaki-kaki platform robot adalah berupa piezoaktuator. Dengan menerapkan tegangan listrik ke elektroda yang ada, kaki-kaki piezo ini akan memanjang, memendek atau menekuk ke arah manapun untuk mendapatkan gerakan yang diinginkan,

5. Microdosage device. Piezoaktuator memungkinkan berbagai aplikasi untuk menginjeksi sejumlah dosis dari bermacam cairan (liquid), misalnya serum dengan sangat presisi yang mencapai takaran nanoliters.

5.4.1 Shape Memory Alloy (SMA) Actuator

Langkah pertama kali yang dilaporkan dalam usaha penemuan efek memori bentuk terjadi di tahun 1930. Menurut Otsuka dan Wayman (tahun 1988), seorang peneliti

Gambar 5.56 Lima Macam Contoh Penerapan Piezoaktuator

(1)

(2) (3)

(4) (5)



bernama A. Ölander menemukan prilaku pseudoelastik dari paduan Au-Cd di tahun 1932. Greninger & Mooradian (tahun 1938) meneliti pembentukan dan hilangnya fasa martensitif ketika naik dan turunnya temperatur dari paduan Cu-Zn. Fenomena dasar dari efek memori yang diatur oleh prilaku termoelastik fasa martensit banyak dilaporkan satu dasa warsa kemudian oleh Kurdjumov & Khandros (tahun 1949) dan juga oleh Chang & Read (tahun 1951). Di awal tahun 1960-an, Buehler dan koleganya dari Lab. Ordnance, AS menemukan pengaruh memori bentuk pada paduan ekuiatomik Nikel dan Titanium, yang bisa dianggap sebagai terobosan baru dalam bidang material memori bentuk (Buehler, 1967 [herkules.oulu.fi]).

Pertama kali paduan Nickel-Titanium dikembangkan tahun 1965 oleh the Naval Ordnance Laboratory dan dikomersialisasi dengan nama dagang Nitinol (yang merupakan kependekan dari Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Pengembangan dan penelitan selanjutnya membawa material ini menjadi sangat penting yang dikenal dengan nama Shape Memory Alloy. Sejak saat itu, penelitian yang intensif telah dilakukan untuk menjelaskan mekanika prilaku dasarnya. Usaha pertama untuk mengeksplorasi potensi NiTi sebagai material uji dilakukan oleh Johnson dan Alicandri in 1968 [Castleman, 1976]. Pemakaian NiTi untuk aplikasi medis pertama kali dilaporkan tahun 1970-an (Cutright, 1973, Iwabuchi, 1975, Castleman, 1976, Simon, 1977 [herkules.oulu.fi]).

Di awal tahun 1980-an, ide baru ini mendapat banyak dukungan, dan beberapa aplikasinya pada kedokteran gigi dan kebanyakan ortopedi eksperimental diluncurkan. Akhirnya dipertengahan tahun 1990-an, penyebaran komersial pertama kali stent application membuat terobosan di dunia kedokteran. Pemanfaatan NiTi sebagai biomaterial sangat mengagumkan karena sifat super-elastisitas dan efek memori bentuknya, yang merupakan sifat yang benar-benar baru dibanding dengan paduan logam konvensional sebelumnya.

SMA adalah suatu jenis paduan material yang juga dikenal dengan nama “material pintar, paduan ingat bentuk, memory metal atau smart wire" yang mampu mengingat bentuk geometri asalnya. Meterial ini merespon kepada stimulus dari lingkungannya dengan suatu perubahan khusus pada beberapa variabelnya. Karena alasan itu, material ini juga sering disebut material responsif. Tergantung kepada perubahan pada beberapa kondisi eksternal, material pintar ini mengubah sifat-dirinya (seperti sifat mekanis, elektris, tampilannya) atau strukturnya maupun komposisi bahkan fungsi-fungsinya.

Umumnya material pintar ini dipasang pada berbagai sistem yang sifat dasarnya (bawaannya) dapat di ubah dengan mudah untuk mencapai performa yang diinginkan. Salah satu jenis paduan ingat bentuk yang banyak dikembangkan adalah paduan berbasis tembaga (Cu-based alloy). Material ini mempunyai prospek yang baik dan telah diaplikasikan pada berbagai komponen otomotif, sistem



pengendali, sistem pengaman dan sebagainya. Akan tetapi, material ini masih belum intensif dipakai untuk berbagai aplikasi seperti robotika atau otot buatan (artificial muscle), karena ketidak-efisienan energi, waktu respon yang rendah dan histerisis yang besar. Akan tetapi beberapa aplikasi penting juga sudah mulai menunjukkan hasilnya.

Secara bertahap Gambar 5.57 menunjukkan perubahan bentuk balok dari SMA hingga kembali ke bentuknya semula. Proses pengingatan ke bentuk asalnya terjadi setelah material itu terdeformasi, dia memperoleh kembali geometri asalnya sendiri selama pemanasan (one-way effect) atau pada temperatur sekitar yang lebih tinggi, sederhananya selama mengalami unloading (pseudo-elasticity). Sifat-sifat khusus ini disebabkan oleh transformasi fasa martensitik dari yang berstruktur kristalografi simetri rendah (low-symmetry) ke kristalografi simetri tinggi (highly symmetric) yang sangat tergantung kepada temperatur. Struktur kristal seperti itu dikenal dengan nama martensite dan austenite.

Dari kemampuannya mengubah bentuk, material “pintar“ ini bisa memiliki efek ingatan bentuk yang berbeda. Dua efek yang paling umum adalah one-way shape memory dan two-way shape memory. Secara skematik Gambar 5.58 menampilkan perbedaan di antara keduanya [herkules.oulu.fi]. Prosedur yang dialami oleh keduanya sangat mirip.

Pertama dari matreial martensit (a), diberikan deformasi reversibel bagi one-way effect atau deformasi yang besar (berat) dengan jumlah yang tidak reversible untuk two-way effect (b). Kemudian panaskan sampel (c) dan dinginkan kembali (d). Pada kasus one way effect, pendinginan dari temperatur tinggi tidak menyebabkan

Gambar 5.57 Tahap Perubahan Geometri Suatu Material SMA



perubahan bentuk makroskopik. Deformasi ini diperlukan untuk menciptakan bentuk pada temperatur rendah.

Pertama dari matreial martensit (a), diberikan deformasi reversibel bagi one-way effect atau deformasi yang besar (berat) dengan jumlah yang tidak reversible untuk two-way effect (b). Kemudian panaskan sampel (c) dan dinginkan kembali (d). Pada kasus one way effect, pendinginan dari temperatur tinggi tidak menyebabkan perubahan bentuk makroskopik. Deformasi ini diperlukan untuk menciptakan bentuk pada temperatur rendah.

Efek two-way shape memory adalah bahwa material mampu mengingat dua bentuk berbeda: satu pada temperatur rendah, dan satu lagi pada temperatur tinggi. Hal ini juga dapat dicapai tanpa penerapan gaya dari luar (dikenal sebagai intrinsic two-way effect). Alasan mengapa material ini berprilaku berbeda adalah terletak pada aspek training (pelatihan) yang dialami. Training berarti bahwa material pintar dapat belajar untuk berprilaku secara khusus. Pada kondisi lingkungan normal, material pintar akan mengingat bentuknya pada temperatur tinggi, tapi selama pemanasan untuk mencapai bentuk pada temperatur tinggi, mendadak dia melupakan bentuknya pada temperatur rendah. Akan tetapi terdapat berbagai cara untuk melatih agar material bisa mengingat pesan-pesan tentang bentuk terdeformasinya pada saat temperaturnya rendah.

Paduan ingat bentuk tidak hanya berupa material yang responsif terhadap termal, tapi juga dari bahan lain misalnya polimer ingat bentuk yang telah dikembangkan dan sudah bisa didapat secara komersial di akhir tahun 1990-an. Di samping itu terdapat jenis SMA yang disebut ferromagnetic shape memory alloys (FSMA), yang mengubah bentuknya karena medan magnetik yang kuat. Material jenis ini menjadi sangat menarik karena respon magnetiknya cenderung lebih cepat dan lebih efisien dari pada respon material yang dipengaruhi temperatur.

Gambar 5.58 Dua Macam Efek Pengingatan Bentuk pada SMA



Salah satu contoh penerapan material cerdas adalah pengendalian sudut flap dari sayap pesawat terbang [Bayart, 1995]. Bila sudut flap dapat dikendalikan setiap saat pada waktu pesawat sedang terbang, maka gaya angkat sayap juga akan meningkat sesuai dengan arah aliran udara disekiling sayap. Hal ini ditunjukkan secara skematik pada Gambar 5.59. Dengan mengatur besar sudut flap (α) maka gaya angkat akan meningkat sehingga memberi efisiensi yang lebih tinggi kepada sistem pesawat terbang.

Suatu rancangan flap yang digerakkan dengan material cerdas berhasil dirancang seperti ditunjukkan dalam Gambar 5.60. Flap ini memiliki dua kawat SMA di dalamnya, satu bagian yang disebut Cool SMA Wire dan yang lain disebut Hot SMA Wire. Masing-masing diatur panjangnya dengan pemanasan dan pendinginan agar panjang kawat membentuk pola (lengkungan) flap yang diinginkan. Pemanasan dapat dilakukan dengan mengaktifkan heater, tetapi pendinginan lebih utama memanfaatkan temperatur udara luar di angkasa yang sangat dingin.

Paduan SMA menghasilkan gaya yang besar (dihasilkan ketika mengahadapi perlawanan selama transformasi) dan aktuasi gerakan yang besar,

Gambar 5.60 Rancangan Flap Cerdas dengan Sudut Bisa Diatur

Gambar 5.59 Pengaruh Besar Sudut Flap Terhadap Gaya Angkat

with leading edge flap

CL

CLmax

α

plain wing

elastomer skin

hot SMA wire

flap cool SMA wire



karena efek ini menghasilkan regangan yang besar. Paduan ingat bentuk juga bersifat super-elastik, artinya mereka dapat menahan deformasi yang besar karena pada suatu temperatur yang konstan, dan ketika gaya penyebabnya hilang, material ini kembali ke bentuk asli yang tidak terdeformasi. Biasanya, regangan elastik yang terjadi bisa mencapai 10%.

Selain untuk unit penggerak peralatan perkakas, daerah aplikasi material SMA juga semakin meningkat beberapa tahun terakhir ini. Salah satu yang utama adalah kemajuan di bidang kedokteran. Misalnya pengembangan dental braces yang dapat menerapkan tekanan konstan pada gigi. Penggunaan lain di bidang kedokteran adalah pompa injeksi insulin dalam tubuh manusia bagi penderita diabetes. Seorang penderita diabetes memerlukan suntikan insulin secara periodik beberapa jam sekali. Apabila fasilitas perawatan jauh dari tempat sang pasien berada, misalnya sedang dalam perjalanan jauh, sedangkan pada saat itu yang bersangkutan membutuhkan injeksi, hal ini bisa membahayakan dirinya. Alat injeksi insulin tipe SMA dalam tubuh setidaknya dapat membantu pasien pada saat-saat darurat atau pasien berada jauh dari rumah sakit.

5.5 Soal untuk Latihan

[1] Apa berbedaan dan persamaan penggerak pneumatik dengan penggerak hidrolik?

[2] Jelaskan prinsip kerja motor stepper variabel reluktansi.

[3] Jelaskan cara kerja motor DC brushless magnet permanen.

[4] Bagaimanakah cara mengatur kecepatan motor AC menggunakan inverter?

[5] Diantara beberapa macam motor AC yang dikenal, manakah yang bisa dianggap murah bila diperlukan kondisi operasi dengan torsi kontan?

[6] Diantara beberapa macam motor AC yang dikenal, manakah yang bisa dipakai bila kecepatan tinggi yang diinginkan?

[7] Bagaimana cara kerja motor AC dengan squirrel-cage?

[8] Apakah perbedaan dan persamaan antara relay dan solenoid?

[9] Sebutkan keunggulan dan kelemahan motor stepper.

[10] Apakah yang dimaksud dengan PWM? Dimanakah PWM ini cocok digunakan?

[11] Mengapa pada proses welding pada industri otomotif, banyak sistem clamping menggunakan penggerak pneumatik?



[12] Apakah perbedaan antara katup 4/2 dan katup 4/3? Gambarkan skema aliran fluida yang disalurkan.

[13] Apa yang dimaksud dengan penggerak piezoelektrik?

[14] Jelaskan ciri khusus yang dimiliki oleh material pintar.

[15] Jelaskan kerugian DC motor dan karakteristik pembebanannya.

[16] Jelaskan prinsip kerja motor AC dan uraikan arti kurva torsi vs. slip.

[17] Diantara jenis motor AC, motor jenis manakah yang diterima sebagai standard pemakaian motor AC? Faktor-faktor apa yang menjadi pertimbangan utamanya?

[18] Apa yang dimaksud dengan panduan pintar? Aplikasi lain apa yang mungkin diterapkan dengan memakai paduan ini?

[19] Siapa tokoh yang pertama kali menemukan efek ingat bentuk?

[20] Fasa-fasa logam yang mana saja akan terlibat dalam kejadian munculnya efek memori bentuk?

Documents

Sensor&Actuator