Pengukuran Teknik

Transduser / Sensor

Strain Gauge
Strain gauge atau bilah regangan adalah salah satu dari transduser-transduser yang banyak dipakai untuk mendeteksi dan mengukur gaya, beban torsi dan regangan.

Unit dasar dari peralatan ini terdiri dari jalur resistif yang direkatkan pada dasar bahan isolasi yang fleksibel. Bilah ini dilekatkan pada bagian / obyek mekanis yang akan diukur regangannya.

Gambar 9. konstruksi dasar Strain Gauge

Diketahui untuk kawat halus resistansinya ditentukan oleh persamaan 7 :

        (7)

dimana :

ρ : resistansi jenis bahan kawat

l : panjang kawat

a : luas penampang melintang kawat.

Perubahan dalam resistansi akibat regangan dapat dinyatakan dengan persamaan 8:

      (8)

dimana :       (regangan dalam m/m)

Gambar 10. Strain Gauge dalam kondisi terdefleksi

Strain gauge dalam keadaan terdefleksi mengikuti regangan balok akibat pengaruh pembebanan yang dialami oleh balok.

Disini yang terjadi pertambahan panjang (l) dari lintasan zig-zag bahan logam pada strain gauge. Akibat perubahan panjang ini menyebabkan terjadi pula perubahan resistansi (R) dari strain gauge.

Gambar 11. Loadcell

Karena bilah regangan dilekatkan pada loadcell (obyek yang diukur regangannya) maka pembebanan apapun pada loadcell akan menyebabkan perubahan resistansi pada strain gauge.

Perubahan pembebanan sepanjang sumbu sensitif strain gauge akan menyebabkan perubahan panjang kawat yang proporsional terhadap perubahan resistansi R.

Untuk strain gauge berlaku koefisien yang disebut faktor bilah K yang dinyatakan sebagai:

     K=2 ... K=100 (untuk bahan semikonduktor)

Dalam kondisi normalnya bilah regangan (strain gauge) dikerjakan dalam rangkaian jembatan Wheatstone.

Gambar 12a. SG dalam konfigurasi rangkaian jembatan Wheastone

Cara (a). Gambar 12a

Kepekaannya tidak dapat mengkompensasi perubahan suhu lingkungan . Pada strain gauge perubahan suhu akan menyebabkan perubahan Resistansi yang pada akhirnya akan mengubah keseimbangan rangkaian. Keseimbangan rangkaian dapat dianggap sebagai suatu perubahan pembebanan.

Gambar 12b. SG dalam konfigurasi rangkaian jembatan Wheastone

Cara (b). Gambar 12b

Untuk mengkompensasi perubahan suhu maka pemasangan strain gauge menggunakan cara (b).

Aktif strain gauge adalah strain gauge yang direkatkan pada balok yang mengalami pembebanan dan mengindera perubahan pembebanan tersebut. Sedangkan pasif strain gauge dipasang pula pada balok tersebut dengan cara khusus, sehingga strain gauge ini tidak akan mengindera pembebanan yang terjadi. Perubahan suhu yang terjadi pada strain gauge aktif akan diikuti pula oleh hal yang sama pada strain gauge pasif. Dengan cara ini kondisi keseimbangan rangkaian tidak akan terganggu oleh kondisi perubahan suhu lingkungan.

Gambar 12c. SG dalam konfigurasi rangkaian jembatan Wheastone

Cara (c). Gambar 12c

Tegangan keluaran (ouput) dari rangkaian (b) dalam parakteknya sangatlah kecil (dalam orde mV). Untuk memperoleh level tegangan yang lebih besar maka ditempuh cara berupa penggandaan strain gauge seperti yang terlihat pada gambar untuk cara (c) .

Gambar 12d. SG dalam konfigurasi rangkaian jembatan Wheastone

Cara (d) Gambar 12d, memperlihatkan rangkaian praktis penggunaan strain gauge dalam konfigurasi rangkain jembatan Wheatstone. Pada posisi Galvanometer disadap perubahan tegangan yang terjadi akibat adanya perubahan kondisi pembebanan. Ouput tegangan yang disadap ini selanjutnya dikirimkan ke rangkaian penguat berikut (penguat sinyal kesalahan). Tegangan selanjutnya akan dikuatkan hingga mencapai kondisi tertentu sehingga layak untuk digunakan sebagai isyarat masukan suatu sistim kontrol (pembebanan).

Resistor Sebagai Transduser Input Dalam Rangkaian Jembatan Wheatstone

Gambar 13. Resistor tetap dan resistor variabel dalam rangkaian jembatan Wheatstone

Pada gambar 13, R₁, R₂, dan R₃ adalah resistor resistor tetap (fixed resistor) dengan ketelitian tinggi. R₃ dibuat variabel (dapat diubah-ubah nilainya). R₄ adalah resistor tetap yang nilai hambatannya tidak diketahui.

Selama pengukuran untuk mencari nilai R₄, nilai R₃ diatur sehingga tidak ada arus yang mengalir didalam rangkaian (dapat diketahui dengan melihat penunjukkan arus oleh Galavnometer). Dalam keadaan ini arus yang mengalir pada rangkaian resistor adalah = 0 atau “null”. Kondisi tanpa arus yang mengalir didalam suatu rangkaian jembatan Wheatstone disebut keadaan setimbang, atau lebih dikenal dengan istilah kesetimbangan nol (null balance).

Dari harga-harga R₁, R₂, dan R₃ pada kondisi setimbang, maka nilai hambatan dari R₄ dapat ditentukan dengan rumus:

    (9)

Rumusan ini diturunkan dari penjelasan berikut.

Tanpa adanya arus yang mengalir (Galvanometer pada skala nol), maka besarnya tegangan-tegangan pada dua titik sambungan (pada mana galvanometer dihubungkan) harus memiliki nilai/besaran yang sama. Ini berarti bahwa tegangan antara R₁ dan R₂ harus sama dengan tegangan antara R₃ dan R₄. Selain itu pada kondisi tidak ada arus yang mengalir pada galvanometer, kuat arus pada R₁ = kuat arus pada R₃. Demikian halnya juga dengan kuat arus pada R₂ = kuat arus pada R₄.

Jika I₁ adalah kuat arus yang mengalir pada R₁dan R₃ dan I₂ adalah kuat arus yang mengalir pada R₂ dan R₄ maka diperoleh hubungan sebagai berikut:

     (10)

     (11)

Jika persamaan (10) dan persamaan (11)  dibagi, maka akan kita peroleh:

       (12)

Dengan demikian dapat dikatakan bahwa pengukuran terhadap R₄ tepergantung pada harga perbandingan (rasio) R₂/R₄ dan harga R₃, pada kondisi setimbang (null balance). Jaringan R₁ dan R₂ secara normal dikatakan sebagai lengan perbandingan dari rangkaian jembatan Wheatstone.

Pengukuran Resistansi Dengan Rangkaian Tiga Kabel

Pada rangkaian-rangkaian transduser resistansi, transduser dapat berada pada kondisi dimana kedudukannya berada jauh dari rangkaian jembatan, sehingga diperlukan adanya hubungan ke resistor tersebut dengan menggunakan kabel panjang. Hal ini dapat mempengaruhi ketelitian pengukuran/penginderaan oleh rangkaian. Untuk menghindari berubahnya resistansi akibat pengaruh resistansi kabel penghubung maka digunakan metoda hubungan tiga kabel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14a-14c.

Gambar (14a) memperlihatkan hubungan resistor R₄ dalam kondisi normal

Gambar (14b) memperlihatkan kondisi dimana resistor R₄ (yang digunakan sebagai transduser)
berada jauh posisinya dari rangkaian jembatan Wheatstone

Gambar (14c) memperlihatkan solusi untuk mencegah perubahan resitansi oleh kabel-kabel penghantar yang panjang
(metoda sambungan tiga kabel).

Kabel tambahan yang menghubungkan galvanometer ke R₄ tidak memberikan pengaruh apa-apa kepada kesetimbangan sistim, karena tidak arus yang mengalir pada jalur tersebut.

Contoh 1:

Gambar 15a. Rangkaian utk contoh 1

Jika pada gambar diketahui bahwa nilai R₁= 1000 , R₂= 100  dan R₃= 853 . Hitunglah nilai R₄.

METODE TIGA KABEL DALAM GAMBAR

Dua kabel panjang pada gambar (15b) memiliki hambatan masing-masing 10 .

Gambar 15c. Rangkaian tiga kabel

Jika nilai R₄ = 100 , maka untuk kondisi pada gambar (15b) resistansi total yang terjadi adalah 10  + 10  + 100  = 120 . Sedangkan untuk kondisi pada gambar (15c) dengan digunakannya satu kabel tambahan (garis putus-putus) maka perubahan resistansi dapat dikoreksi. (10  + 100  = 110 ).