Aplikasi Rangkaian Simulasi Pengukur Berat Menggunakan Sensor Strain Gauge (Bab 17, Halaman 801)
1. Tujuan
- Untuk mengetahui apa itu sensor strain gauge
- Untuk mengaplikasikan sensor strain gauge pada rangkaian untuk mengukur berat
2. Alat dan Bahan
a. Alat
- Baterai DC
Berfungsi sebagai sumber listrik pada rangkaian simulasi ini.
- Ground
Grounding berfungsi untuk meniadakan beda potensial dengan mengalirkan arus sisa dari kebocoran tegangan atau arus pada rangkaian ini.
- Voltmeter DC
Berfungsi untuk mengukur tegangan arus DC pada rangkaian ini.
- Alternator
Berfungsi sebagai pembangkit listrik pada rangkaian ini.
b. Bahan
- Resistor
Spesifikasi :
- Resistance (Ohms) : 220 V
- Power (Watts) : 0,25 W, ¼ W
- Tolerance : ± 5%
- Packaging : Bulk
- Composition : Carbon Film
- Temperature Coefficient : 350ppm/°C
- Lead Free Status : Lead Free
- RoHS Status : RoHs Complient
- Relay
Spesifikasi :
- Trigger Voltage (Voltage across coil) : 5V DC
- Trigger Current (Nominal current) : 70mA
- Maximum AC load current: 10A @ 250/125V AC
- Maximum DC load current: 10A @ 30/28V DC
- Compact 5-pin configuration with plastic moulding
- Operating time: 10msec Release time: 5msec
- Maximum switching: 300 operating/minute (mechanically)
Konfigurasi Pin :
- Coil End 1 : Used to trigger(On/Off) the Relay, Normally one end is connected to 5V and the other end to ground.
- Coil End 2 : Used to trigger(On/Off) the Relay, Normally one end is connected to 5V and the other end to ground.
- Common (COM) : Common is connected to one End of the Load that is to be controlled.
- Normally Close (NC) : The other end of the load is either connected to NO or NC. If connected to NC the load remains connected before trigger.
- Normally Open (NO) : The other end of the load is either connected to NO or NC. If connected to NO the load remains disconnected before trigger.
- Op - AMP
Spesifikasi :
- large input voltage range
- no latch-up
- high gain
- short-circuit protection
- no frequency compensation required
- same pin configuration as UA709
Konfigurasi Pin :
- Pin 1 : Offset null 1
- Pin 2 : Inverting input
- Pin 3 : Non inverting input
- Pin 4 : Vcc (-)
- Pin 5 : Offset null 2
- Pin 6 : Output
- Pin 7 : Vcc (+)
- Pin 8 : N.C
- Loadcell ( Strain Gauge )
Spesifikasi :
- Mechanical
Housing Material : Aluminum Alloy
Load Cell Type : Strain Gauge
Capacity : 5kg
Dimensions : 55.25x12.7x12.7mm
Mounting Holes : M5 (Screw Size)
Cable Length : 550mm
Cable Size : 30 AWG (0.2mm)
Cable - no. of leads : 4
- Electrical
Precision : 0.05%
Rated Output : 1.0±0.15 mv/V
Non-Linearity : 0.05% FS
Hysteresis : 0.05% FS
Non-Repeatability : 0.05% FS
Creep (per 30 minutes) : 0.1% FS
Temperature Effect on Zero (per 10°C) : 0.05% FS
Temperature Effect on Span (per 10°C) : 0.05% FS
Zero Balance : ±1.5% FS
Input Impedance : 1130±10 Ohm
Output Impedance : 1000±10 Ohm
Insulation Resistance (Under 50VDC) : ≥5000 MOhm
Excitation Voltage : 5 VDC
Compensated Temperature Range : -10 to ~+40°C
Operating Temperature Range : -20 to ~+55°C
Safe Overload : 120% Capacity
Ultimate Overload : 150% Capacity
- Potensiometer
Spesifikasi :
- Electrical
Resistance Range : Ohms 1K-1M (for “B” taper), 5K-1M (for other tapers)
Standard Resistance Tolerance : ± 10%
Residual Resistance : 3 ohms max.
Input Voltage : Maximum 200 Vdc max.
Power rating, Watts : 0.5W- B taper, 0.3W- others
Dielectric Strength : 500Vac, I minute
Insulation Resistance, Minimum : 100M ohms at 1,000Vdc/ 1 minute
Peak Noise (Contact Resistance Variation) @ 6 rpm : ±3% max.
Linearity : ±3% max.
Actual Electrical Travel, Nominal : 280°
Gang Error : ±3dB (-40dB to 0dB)
- Mechanical
Total Mechanical Travel : 300°± 5°
Static Stop Strength, Minimum : 120 oz-in
Rotational Torque, Maximum, Single Gang (P232) : 1.5 oz-in
Rotational Torque, Maximum, Dual Gang (P233) : 3.0 oz-in
- Enviromental
Operating Temperature Range : -10°C to +85°C
Rotational Life : 2,000,000 cycles
- Lamp
Spesifikasi :
- Higher lumen output: from 1850 lm to 4900 lm
- Almost constant lumen maintenance throughout the entire life of the lamp due to Luxline Plus triphosphor technology
- High colour rendering (Ra85/Class1B)
- For electronic ballast operation only giving greater efficiency and advantages in improved starting and life performance
- Optimised ambient operating temperature at 35° C (max lumen output) allows compact luminaire designs
- Reduced storage volume and transportation costs
- Average rated life: up to 20000 hours
3. Dasar Teori
- Sensor Strain Gauge
Dalam sistim pengukuran, transduser merupakan elemen masukan yang fungsi kritisnya adalah mengubah sebuah besaran fisis menjadi sinyal listrik yang sebanding. Srtain Gage adalah sebuah transduser pasif yang mengubah suatu pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan. Alat ini ditemukan pertama kali oleh Edward E.Simmons pada tahun 1938. Strain gage merupakan sebuah alat seperti biskuit tipis (wafer), yang dapat disatukan (bonded) ke berbagai bagian guna mengukur regangan yang diberikan padanya. Strain Gage terbuat dari foil atau kawat tahanan berdiameter kecil. Tahanan dari foil / kawat berubah terhadap panjang jika pada gage yang disatukan mengalami tarikan atau tekanan. Perubahan tahanan ini sebanding dengan regangan yang di berikan dan diukur dengan jembatan Wheatstone yang dipakai secara khusus. Sensitivitas sebuah Strain Gage dijelaskan dengan suatu karakteristik yang disebut dengan faktor gage (gage factor).
Nilai faktor gage bahan berbeda beda contohnya
Idealnya resistansi dari strain gage akan berubah hanya merespon adanya perubahan strain. Akan tetapi material strain gage, seperti halnya jenis material yang dipilih sebagai pembentuknya akan dapat merspon perbuhan temperatur. Perusahan pembuat strain gage berusaha meminimalis sensitivitas terhadap suhu (temperatur).
Bentuk dari Transduser daya Strain Gage (a) Kawat; (b) Foil; (c) Load Cell.
B. Karakteristik strain gage:
1. Konstanta kalibrasi untuk gage stabil. Tidak bervariasi dengan waktu, temperature atau factor-faktor lingkungan lainnya.
2. Gage mampu mengukur stain dengan ketelitian ± 1µm/m. dalam range strain besar ±10%.
3. Ukuran gage kecil sehingga strain diperirakan dengan kesalahan kecil.
4. Respon gage, sebagian besar dikontrol oleh inersia, memungkinkan untuk merekam strain dinamik dengan komponen-komponen melebihi 100 kHz.
5. Sistem gage mudah penempatan dan pembacaannya.
6. Keluaran gage selama periode pembacaan tidak bergantung kepada temperature dan parameter lingkungan lainnya.
7. Gage dan peralatan pendukungnya rendah biaya dan dapat dipakai secara luas.
8. System gage mudah diinstal dan dioperasikan
9. Gage menunjukkan respon linier terhadap strain pada range lebar.
10. Gage cocok dipakai dalam elemen pengindera di dalam system transduser lainnya dimana sebuah kuantitas tidak diketahui seperti tekanan diukur dalam bentuk strain
Pemilihan Strain Gage yang tepat
Beberapa perameter teknis perlu diperhatikan pada saat memilih dan menentukan strain gauge mana yang sesuai untuk pengukuran yang akan dilakukan, diantaranya:
1. Panjang Gage
Pemilihan panjang gauge bergantung pada objek / specimen. Gauge yang pendek, dapat digunakan untuk lokalisasi pengukuran regangan, sedangkan gauge yang panjang lebih banyak dipilih dan digunakan untuk mengukur regangan rata-rata yang mewakili seluruh permukaan. Sebagai contoh pada pengukuran regangan rata-rata pada beton pondasi (concrete), dibutuhkan panjang gauge yang lebih panjang karena strukturnya yang terdiri atas semen dan campuran pasir dan krikil.
Berikut adalah acuan panjang gauge merk Showa Instruments dan aplikasi-aplikasinya:
• ≤ 1 mm Untuk pengukuran terpusat
• 2 ~ 6 mm Untuk logam dan penggunaan umum
• 10 ~ 20 mm Untuk mortar (semen campuran), kayu, FRP, dll
• ≥ 30 mm Untuk beton pondasi (concrete) dan material campuran kasar
2. Resistansi Gage
Menunjukkan nilai resistansi dalam besaran “Ω” [ohm], yang diukur pada keadaan tanpa beban dan pada temperatur suhu ruang oleh pabrikan.
3. Mampu Ukur Regangan (Measurable Strain)
Menunjukkan besarnya regangan yang mampu diukur. Umumnya berkisar 2 sampai 4% maksimum. Namun dengan strain gauge foil-yielding dapat mencapai 10%.
4. Rentang Suhu (Temperature Range)
Menunjukkan batasan suhu lingkungan yang disanggupi oleh strain gauge, dengan kata lain strain gauge masih dapat menghasilkan nilai pengukuran yang akurat. Umumnya berkisar antara -30ºC ~ +80ºC. Untuk jenis high-temperature strain gauge, dapat mencapai +180ºC
5. Faktor Gage (K)
Nilai keluaran dari strain gauge adalah dalam besaran elektrik – resistansi. Sedangkan besarnya yang menjadi tujuan pengukuran adalah nilai regangan. Dengan demikian diperlukan suatu nilai konversi yang disebut factor gauge (K).
6. Sensitifitas Transfers (Kt)
Pada kenyataanya nilai resisitansi strain gauge dapat juga berubah akibat pengaruh adanya regangan yang arahnya tegak lurus terhadap aksis gauge – regangan transfersal (εt). karena keduanya memiliki relasi kesebandingan, maka ditetapkanlah suatu konstanta yang disebut dengan sensitifitas transfers (Kt). Nilai ini biasanya ditulis dalam persen (%)
7. Termal Output
Didefinisikan sebagai adanya pergeseran / penyimpangan nilai regangan akibat perbedaan temperatur suhu. Umumnya bernilai pada kisaran ±2µε/ºC. Pada jenis strain gauge temperature tinggi diatas suhu 160 ºC, nilainya mencapai ±5µε/ºC.
Kurva hubungan antara nilai thermal output terhadap suhu
Gambar 8. Thermal output fungsi dari temperatur
Selain regangan, suhu temperature juga mempengaruhi nilai faktor gauge.
Kurva hubungan antara perubahan faktor gauge terhadap perbedaan temperatur.
Gambar 9. Faktor Gauge (K) fungsi dari temperatur
- Resistor
Resistor merupakan komponen elektronika dasar yang digunakan untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam satu rangkaian.Sesuai dengan namanya, resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon. Resistor mempunyai nilai resistansi (tahanan) tertentu yang dapat memproduksi tegangan listrik di antara kedua pin dimana nilai tegangan terhadap resistansi tersebut berbanding lurus dengan arus yang mengalir, berdasarkan persamaan Hukum OHM :
Di dalam resistor, terdapat ketentuan untuk membaca nilai resistor yang diwakili dengan kode warna dengan ketentuan di bawah ini :
- Baterai
Baterai (Battery) adalah sebuah alat yang dapat merubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi Listrik yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik. Hampir semua perangkat elektronik yang portabel seperti Handphone, Laptop, Senter, ataupun Remote Control menggunakan Baterai sebagai sumber listriknya. Dengan adanya Baterai, kita tidak perlu menyambungkan kabel listrik untuk dapat mengaktifkan perangkat elektronik kita sehingga dapat dengan mudah dibawa kemana-mana. Dalam kehidupan kita sehari-hari, kita dapat menemui dua jenis Baterai yaitu Baterai yang hanya dapat dipakai sekali saja (Single Use) dan Baterai yang dapat di isi ulang (Rechargeable).
Baterai dalam sistem PV mengalami berulang kali siklus pengisian dan pengosongan selama umur pakainya. Siklus hidup (cycle life) baterai adalah banyaknya pengisian dan pengosongan hingga kapasitas baterai turun (melemah) dan tersisa 80% dari kapasitas nominalnya. Pabrik baterai biasanya mencantumkan siklus hidup pada spesifikasi teknis baterai. Mencantumkan satu nilai siklus hidup (cycle life) sebenarnya terlalu menyederhanakan informasi, karena siklus hidup baterai juga tergantung pada suhu baterai.
Dari grafik di atas, terlihat pada suhu operasional baterai yang lebih rendah, siklus hidup baterai lebih lama. Siklus hidup baterai juga tergantung dari DoD, artinya baterai yang dikosongkan hanya 50% dari kapasitasnya, berumur lebih lama jika dikosongkan hingga 80%, namun membuat sistem menjadi lebih mahal, karena membutuhkan kapasitas baterai lebih besar untuk mengakomodasi kebutuhan yang sama.
Jika pada suhu operasional lebih rendah, umur baterai lebih lama, namun ada efek negatif berkaitan dengan kapasitas baterai. Pada suhu yang lebih rendah, kapasitas baterai menjadi lebih rendah. Hal ini disebabkan karena pada suhu yang lebih tinggi, reaksi kimia yang terjadi pada baterai bergerak lebih aktif/cepat, sehingga kapasitas baterai cenderung lebih tinggi.
Terkadang, pada suhu yang lebih tinggi, kapasitas baterai justru dapat lebih besar dari angka nominalnya, meskipun pada suhu tinggi, elemen baterai terlalu aktif, juga berakibat buruk pada kesehatan baterai.
- Alternator
Alternator atau yang lebih kita kenal sebagai "Dinamo Amper" merupakan suatu unit yang berfungsi sebagai power supply dan charging syste.
Fungsi alternator adalah untuk mengubah energi mekanis yang didapatkan dari mesin tenaga listrik. Energi mekanik dari mesin disalurkan sebuah puli,yang memutarkan roda dan menghasilkan arus listrik bolak-balik pada stator. Arus listrik bolak-balik ini kemudian dirubah menjadi arus searah oleh diode-diode.
Komponen utama alternator adalah : rotor yang menghasilkan medan magnet listrik, stator yang menghasilkan arus listrik bolak-balik, dan beberapa diode yang menyearahkan arus. Komponen tambahan lain adalah : sikat-sikat yang menyuplai arus listrik ke rotor untuk menghasilkan kemagnetan (medan magnet), bearing-bearing yang memungkinkan rotor dapat berputar lembut dan sebuah kipas untuk mendinginkan rotor, stator dan diode.
Konstruksi alternator bagian-bagiannya terdiri dari :
- Relay
Relay adalah saklar elektro-magnetik yang menggunakan tegangan DC rendah untuk menghidupkan dan mematikan suatu alat atau sistem yang terhubung dengan tegangan DC yang tinggi atau tegangan AC. Susunan relay yang paling sederhana terdiri atas kumparan kawat penghantar yang dugulung pada inti besi. Susunan kontak relay, secara umum terdiri dari :
* Normally Open (NO) : posisi saklar berada pada keadaan terbuka saat relay dalam keadaan tidak dialiri arus.
* Normally Close (NC) : posisi saklar berada pada keadaan tertutup saat relay dalam keadaan tidak dialiri arus.
Berdasarkan pada prinsip dasar cara kerjanya, relay dapat bekerja karena adanya medan magnet yang digunakan untuk menggerakkan saklar. Saat kumparan diberikan tegangan sebesar tegangan kerja relay maka akan timbul medan magnet pada kumparan karena adanya arus yang mengalir pada lilitan kawat. Kumparan yang bersifat sebagai elektromagnet ini kemudian akan menarik saklar dari kontak NC ke kontak NO. Jika tegangan pada kumparan dimatikan maka medan magnet pada kumparan akan hilang sehingga pegas akan menarik saklar ke kontak NC.
- Lamp
Sebuah Pilot lamp atau dalam bahasa indonesia lampu pilot merupakan sebuah lampu LED yang biasa digunakan sebagai lampu indikator dalam rangkaian sebuah alat atau mesin. Pilot lamp tersebut dapat bekerja sebagai mestinya jika dialiri daya daya AC sebesar 220 VAC dengan toleransi 110 –240 V AC. Warna yang dihasilkan Pilot lamp ini adalah lapu putih.
- Komperator
Komparator yang digunakan di sini adalah Op-Amp tipe 741 yang terdiri dari 8 kaki dan untuk membuat rangkaian ini, yang digunakan hanyalah kaki 2 yang merupakan kaki inverting, kaki 3 yaitu kaki non inverting, kaki 4 sebagai penghubung ke ground, kaki 6 mengarah kepada output yang mana output dalam rangkaian ini berupa tegangan yang dapat menyalakan LED, dan kaki 7 sebagai input tegangan atau tempat terhubung dengan VCC yang berfungsi sebagai supply energi bagi Op-Amp tersebut.
Tipe Op-Amp yang digunakan berupa Op-Amp non-inverting, ditandai dengan terhubungnya kaki inverting terhadap ground dan kaki non-inverting terhadap input.
Fungsi Op-Amp di sini sebagai penguat tegangan bagi rangkaian yang akan dibuat.
- Voltmeter
Volt meter DC merupakan alat ukur yang berfungsi untuk mengetahui beda potensial tegangan DC antara 2 titik pada suatu beban listrik atau rangkaian elektronika. Konsep yang digunakan dalam sebuah volt meter DC hampir sama dengan konsep pada ampere meter. Pada volt meter arus searah atau DC volt meter tahanan shunt atau shunt resistor dipasang seri dengan kumparan putar magnet permanen (permanent magnet moving coil) PMMC yang berfungsi sebagai pengali (multiplier).
- Ground
Grounding atau pertanahan adalah bagian dari peralatan listrik rumah. Namun kebanyakan dari masyarakat Indonesia sudah terbiasa menyebut pertanahan atau gruonding ini dengan kata arde. Grounding atau arde pada instalasi listrik berguna sebagai pencegah terjadinya kontak antara makhluk hidup dengan tegangan listrik yang terekspos akibat terjadi kegagalan isolasi. Grounding dalam rumah terpasang dengan dua macam, yaitu untuk instalasi listrik rumah dan instalasi penangkal petir.
- Potensiometer
Potensiometer adalah resistor 3 terminal dengan sambungan geser yang membentuk pembagi tegangan yang dapat disetel. Asalkan pada percobaan hanya dua terminal yang digunakan, Potensiometer berperan sebagai variable resistor dan juga sebagai pembagi tegangan. Sebuah potensiometer biasanya dibuat dari sebuah unsure resitif semi lingkaran dengan sambungan Geser (penyapu). Unsur resitif, dengan terminal pada salah satu ataupun kedua ujungnya, berbentuk datar atau menyudut, dan biasanya dibuat dari grafit. Penyapu disambungkan ke terminal lain. Pada potensiometer panel terminal penyapu biasanya terletak ditengah terminal unsur resitif.
Elemen penting dari Potensiometer yaitu elemen resitif, badan, penyapu, sumbu, sambungan tetap pertama, sambungan penyapu, cincin, baut. Potensiometer pula dibagi menjadi 3 bagian yaitu Potensiometer lilitan Tunggal dan Potensiometer lilitan ganda trimpot. Adapun Potensiometer dibagi menjadi dua jenis yaitu potensiometer linear dan potensiometer logaritmik.
4. Perobaan ( Proteus )
a. Prosedur Percobaan
1. Siapkan semua alat dan bahan dengan mengambilnya di library proteus
2. Posisikan semua komponen seperti pada gambar berikut
3. Hubungkan semua komponen dengan tepat dan benar
b. Rangkaian Simulasi
- Foto Rangkaian
( Gambar rangkaian sebelum diberi beban )
( Gambar rangkaian setelah diberi beban )
- Prinsip Kerja
Strain Gauge pada umumnya adalah tipe metal-foil, dimana konfigurasi grid di bentuk oleh proses photoeching. Cara kerja dari strain gauge ini adalah saat strain gauge mendapat tarikan maka akan menyebabkan perubahan panjang pada kawat tipis penyusunnya sehingga menyebabkan bertambahnya resistansi yang dihasilkan, perubahan resistansi inilah yang akhirnya dimanfaatkan sebagai patokan perubahan pada sensor beban (Load Cell). Sinyal elektrik berupa tegangan yang dihasilkan strain gauge sangat kecil sehingga dibutuhkan rangkaian penguat sinyal dengan menggunakan operator amplifier.
Saat rangkaian telah diberi beban dan dihubungan ke sumber tegangan maka tegangan yang dikeluarkan oleh loadcell menunjukan hasil yang lebih kecil, agar relay dapat bekerja untuk menghidupkan lampu maka tegangan yang dikeluarkan oleh loadcell akan diperkuat oleh op-amp sehingga tegangan akan mencapai angka minimum. Setelah mencapai tegangan yang dapat menghidupkan relay, maka switch akan berpindah posisi ke arus yang menghubungan lampu dan alternator sehingga lampu dapat menyala, sehingga dinyatakan bahwa rangkaian tersebut mendeteksi beban dari sebuah objek yang diberikan dalam rangkaian.
c. Video simulasi
d. Link download
- Download file HTML klik disini
- Download file Rangkaian klik disini
- Download File Video klik disini
- Download Data Sheet Resistor 1k klik disini
- Download Data Sheet OP-Amp klik disini
- Download Data Sheet Relay klik disini
- Download File Data Sheet Load Cell klik disini
- Download datasheet lamp klik disini
Halo, Apakah ada rumus untuk mengetahui keluaran dari Rangkaian Load Cell tersebut? Terimakasih
ReplyDelete