Uts2012 sensor tranducer tekanan dalam

LAPORAN PROYEK
KOMPONEN SISTEM KONTROL

JUDUL : SENSOR TEKANAN (PRESSURE TRANSDUCER)

DISUSUN OLEH:
Livin (1022015)
Edwards Lie (1022046)
Robin Yosafat (1022076)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHA
BANDUNG
2012

BAB I
Prinsip Kerja Sensor

Sensor Lutron PS-93DV-20BAR menggunakan prinsip Piezoelectric.
Sensor piezoelektrik bekerja dengan cara sebagai berikut.

Sensor Piezoelektrik memiliki suatu kristal yang diletakkan di atas alas
berbahan dasar dielektrik. Peletakkan kristal di atas bahan dielektrik
dipergunakan untuk mencegah kebocoran arus. Kristal lalu dipasangkan pada
diafragma melintang. Diafragma inilah yang diberi tekanan udara. Saat tekanan
mendorong diafragma sensor, kristal juga turut terdorong, menekan alas yang
berbahan dielektrik yang ada di bawahnya. Bahan dielektrik ini bertindak
layaknya kapasitor, dapat menyimpan dan melepaskan muatan elektron.
Bahan dielektrik ini dapat disimulasikan sebagai sebuah busa pembersih
(sponge). Saat diberikan air, sponge akan menyerap seluruh air yang diberikan
sampai jenuh (tidak dapat menyerap air lebih jauh). Ketika diberikan tekanan
pada sponge basah ini, air akan ‘terdorong’ keluar dari sponge.
Bahan dielektrik pun memiliki cara kerja seperti sponge. Ketika diberi
tegangan, adanya arus dan elektron masuk ke basis dielektrik ini, dan oleh
bahan dielektrik, disimpan. Ketika adanya tekanan oleh kristal, tekanan tadi
‘mendorong’ keluar elektron yang tersimpan di dalam basis dielektrik tadi,
mengakibatkan beda tegangan sebagai akibat dari pergerakan elektron tadi.

Jika melihat kembali konstruksi dari sensor diatas, maka sebenarnya,
bagian dielektrik dari kontruksi di atas mewakili sebuah kapasitor. Dengan
mengingat bahwa sebuah kapasitor memiliki rumus kapasitansi sebagai berikut:


C=

εA
d

dimana C adalah kapasitansi, A adalah luas permukaan pelat, dan d adalah
tinggi dari bahan dielektrik (atau jarak separasi pelat), jika diberikan tekanan
pada bahan dielektrik diatas, maka tinggi d akan turun, mengurangi kapasitansi.
Jika pada awalnya bahan dielektrik diisi penuh oleh elektron, maka saat tinggi d
menurun, karena kapasitansi berkurang, otomatis ada elektron yang harus
terpaksa keluar dari bahan dielektrik ini, karena tempat bagi elektronnya untuk
berada di dalam bahan dielektrik berkurang. Akibatnya, adanya elektron keluar
inilah yang mengakibatkan pergerakan elektron, dan menghasilkan beda
tegangan.

BAB II
Kegunaan Sensor Tekanan
Sensor tekanan merupakan salah satu sensor elektrik yang cukup vital
di bidang industri. Banyak industri yang menggunakan sensor ini dalam berbagai

kebutuhan. Contohnya dapat ditemukan di industri seperti industri otomotif,
biomedis, manufaktur, aviasi, kelautan, dan elektronik.
Di bidang industri otomotif, sensor tekanan sangat berperan banyak
dalam mesin otomotif dan berbagai komponen penting lainnya. Sensor tekanan
digunakan dalam sistem pengereman kendaraan (pengereman kendaraan
dengan menggunakan angin, seperti di bus, atau juga sistem ABS (Anti-Lock
Brake System)). Sensor tekanan juga digunakan di sistem airbag untuk
mendeteksi tabrakan, karena saat tabrakan, badan kendaraan mengalami
peningkatan tekanan yang besar.
Di bidang biomedis, sensor tekanan digunakan dalam pengukuran
banyak hal vital, seperti tekanan darah dan tekanan udara. Selain itu, sensor
tekanan juga dipakai sebagai sensor untuk kontroller-kontroller penting, seperti
pengatur tekanan cairan infus.
Di bidang manufaktur, tekanan merupakan parameter utama dalam
berbagai hal. Pendeteksian tekanan dengan tepat penting diperlukan di dalam
berbagai hal, seperti proses pemanasan, proses pengovenan komponen
komposit, pneumatic, dan masih sangat banyak lagi.
Masih banyak lagi kegunaan sensor tekanan di berbagai bidang, namun
intinya industri kita sangat membutuhkan sensor tekanan sebagai detektor dari
salah satu faktor terpenting dalam proses produksi yaitu tekanan.


BAB III
Respon & Karakteristik Sensor
Per lembar data karakteristik PS-93DV-20BAR, data yang didapat
adalah sebagai berikut
Supply Voltage
Transducer Port Connector
Span
Zero
Output Impedance
Operating Temperature
Operating Humidity
Output
Wire Connection

DCV 9V to 30V
¼” NPT
±1% F.S. (Up to 40oC)
±2% F.S. (Up to 40oC)
100K Ohm

0 to 60oC
Max 80% RH
Output: DC 0mV to 100mV
0 mV = Zero Pressure
100 mV = Max Pressure Range
Red......................Power +
Black................... Power White...................Signal +
Green ................. Signal -

Dengan lembar data di atas, maka dapat diperkirakan bahwa setiap 1
Bar, terjadi kenaikan 5 milivolt (100mV / 20 Bar). Dalam praktiknya, data yang
kami dapatkan adalah sebagai berikut:
Tegangan Terbaca (mVolt)
8,9

Tekanan Masukan (bar)
2,0

12,4


2,75

13,5

3,0

14,2

3,1

15,6

3,5

Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa sensor memiliki linearitas
yang 93%.
Karena output sensor terlalu kecil, maka keluaran sensor harus
dikuatkan terlebih dahulu. Keluaran sensor kami kuatkan sebanyak 100 kali,
dengan pertimbangan bahwa galvanometer yang ada di pasaran rata-rata hanya
membaca 0 – 10 Volt ke atas, sementara output dari sensor maksimal hanya 0,1


Volt saja. Op-amp ini sendiri, setelah diuji, memiliki data penguatan sebagai
berikut
Tegangan Input (Volt)

Tegangan Output (Volt)

Penguatan

0,1

9,90

99,00

0,08

7,87

98,38


0,075

7,37

98,27

0,065

6,38

98,15

0,055

5,40

98,18

0,050


4,87

97,40

0,045

4,38

97,30

0,035

3,39

96,86

0,025

2,40


96,00

0,015

1,45

96,70

Dengan demikian, rata-rata penguatan adalah 97,62 kali penguatan.
Target 100 kali tidak dapat dicapai diantaranya sebagai akibat dari pembebanan,
akurasi nilai-nilai komponen yang dipergunakan, dan adanya faktor tahanan
dalam komponen yang digunakan.

BAB IV
Desain Proyek
Proyek dirancang dengan menggunakan kompresor sebagai sumber
tekanan yang akan dibaca. Sistem dirancang untuk dapat membaca tekanan
udara dari kompresor langsung menuju 2 perangkat sensor, yaitu kalibrator dan
sensor itu sendiri. Kalibrator yang dipakai merupakan kalibrator yang dibuat oleh


Kompressor

Kalibrator
(Lutron PS403)

Multimeter
Digital

Pressure
Transducer
(PS-93DV20BAR)

Signal
Conditioning
(Op-Amp)

Galvanometer

Lutron, dengan kode barang PS-403.

Sistem pengujian dirangkaikan seperti berikut:
Keluaran kompresor langsung dibagi 2, menuju kalibrator dan
transducer. Kalibrator yang dipergunakan telah dibuat sedemikian rupa sehingga
keluaran terbaca oleh multimeter telah diatur untuk menjadi perbandingan 1mV
untuk setiap kenaikan 1 satuan (jika selektor dalam PSI, maka 1 PSI/1 mV, dan
sebagainya). Keluaran dari transducer sendiri hanya memiliki nilai maksimum
100mV (0,1 Volt), dan karena tidak ada galvanometer yang mampu membaca
0,1 Volt full-scale, maka sinyal diperkuat 100 kali oleh Op-Amp agar bisa
mencapai tegangan yang diperlukan (10 Volt full-scale).
Op-Amp dirangkaikan dalam konfigurasi Non-Inverting karena inputnya
berupa tegangan yang selalu bernilai positif (sehingga tidak digunakan mode
Inverting). Rangkaian Op-Amp yang digunakan adalah sebagai berikut

100K ohm
1K ohm

Vout
+

Vin

Vin merupakan tegangan masukan dari Transducer, sementara Vout
dibaca oleh galvanometer. Tegangan terbaca, secara teori, adalah hasil
penguatan sebesar 101 kali dari tegangan inputnya. Dipilih 101 kali karena
mempertimbangkan ketersediaan nilai-nilai resistor di pasar, dan juga
mempertimbangkan ketidaksempurnaan baik dari Op-Amp. Seperti yang kita
ketahui jika Op-Amp ideal maka tidak ada arus yang mengalir ke op-amp. Tetapi
kadang-kadang ada masih ada arus yang mengalir ke Op-Amp yang mengalir.
Walaupun arus tersebut sangat kecil. Hal itu akan mengubah tegangan output
yang keluar.

BAB V
Data Pengamatan & Analisa Data
-

Linearitas Sensor:
18

Tegangan Output (mV)

16
14
12
10
8
6
4
2
0

2

2.75

3

3.1

3.5

Tekanan Input (bar)
Tegangan Output Sensor (mV)

Ekspektasi Linearitas Output Sensor

-

Tegangan Output (V)

12
10
8
6
4
2
0
0.02

0.03

0.04

0.05

0.05

0.06

0.07

0.08

Tegangan Input (V)
Penguatan Op-Amp
Ekspektasi Linearitas Penguatan Op-Amp

Grafik Penguatan Op-Amp

0.08

0.1

-

Tabel Data Hasil Pengamatan

Tekanan Input
(bar)
2,75
2,5
2,0
2,25
2,325
2,625
1,75
1,50
1,25
1,00
-

Tekanan

Tekanan

terbaca oleh

terbaca oleh

Akurasi (%)

kalibrator (PSI)
35,1
30,2
25,0
27,2
29,6
32,3
23,0
20,0
16,0
14,0

sensor (PSI)
41,76
31,9
25,81
28,42
30,16
31,03
22,33
18,27
15,08
12,18

80,74
94,37
96,76
95,50
98,10
96,07
97,09
91,35
94,25
87,00

BAB VII
Analisa Kualitas Keseluruhan Perangkat dan Kesimpulan
Melalui percobaan ini, dapat kita simpulkan bahwa sensor tekanan ini
dapat membaca tekanan dari kompresor. Perangkat memiliki rata-rata akurasi
93%.
Melalui percobaan ini pula, kita dapat belajar tentang bagaimana sensor
tekanan ini bekerja. Sensor bekerja menggunakan metode piezoelektrik, dimana
tegangan dihasilkan sebagai hasil dari tekanan kepada material dielektrik.
Tekanan ini sendiri diberikan oleh diafragma yang mendorong kristal tadi.
Hasil bacaan dari sensor kemudian dikuatkan oleh penguat operasional,
sebelum kemudian dibaca oleh galvanometer.
Adanya beberapa bagian dari percobaan ini menghasilkan data yang
kurang akurat. Hal ini disebabkan oleh karena ada juga gangguan dari dalam
komponen elektronik yang digunakan, baik itu sebagai akibat dari efek
pembebanan, kualitas komponen yang digunakan, dan juga tahanan dalam dari
komponen, konektor kabel maupun kabel yang digunakan. Efek kualitas
komponen dapat dilihat dari hasil percobaan pemeriksaan penguatan penguat
operasional, dimana tegangan keluaran dari penguat tidak sesuai seratus persen
dengan yang ditargetkan (keluaran lebih dari 101 kali atau kurang dari 101 kali)
Pada akhirnya, sensor tekanan ini sendiri merupakan media untuk
membaca salah satu indikator terpenting dalam suatu proses produksi, yaitu
tekanan. Sensor ini sangat banyak aplikasinya dalam bidang industri, dan
tentunya dengan melaksanakan percobaan ini, kami dapat memahami
bagaimana cara kerja dari suatu perangkat sensor tekanan yang umum dipakai,
dan bagaimana perangkat tadi dibuat.

LAMPIRAN
DATASHEET PENGUAT OPERASIONAL DAN PRESSURE TRANSDUCER
ST ELECTRONICS UA741CN DAN LUTRON PS93DV-20BAR

0 to DC 100 mV

PRESSURE
TRANSDUCER,
Model : PS93DV-xxBAR
Range, full scale Model
2 BAR ( 29 PSI )
PS93DV-2BAR
5 BAR ( 72.5 PSI )
'PS93DV-5BAR
10 BAR ( 145 PSI ) PS93DV-10BAR
20 BAR ( 290 PSI ) PS93DV-20BAR
50 BAR ( 725 PSI ) PS93DV-50BAR
Supply voltage
DC 9V to 30 V.
Transducer
1/4" NPT.
Port Connector
Span
± 1 % F.S.
@ Within 10 to 40 ℃.
Zero
± 2 % F.S.
@ Within 10 to 40 ℃.
Output Impedance 100 k ohm.
Operating
e0 to 60 ℃ ( 32 to 140 ℉ ).
TemperaturHumidity Max. 80% RH.
Operating
Output
Output : DC 0V to 100 mV
0 DCV = 0 pressure
100 DC mV = Max. range pressure
Wire
Red..................... Power
Connection
+ Black...................
Power White...................Signal +
Green ................. Signal * Appearance and specifications listed in this brochure are subject to change
without notice.