SISTEM PENGATURAN DALAM KAPAL

MAKALAH

THERMISTOR, STRAIN GAUGE, dan PHOTODIODE

Disusun Oleh: Kelompok 8

                             M. Adi irawan                 (6413030012)

                             M. Zuhruf Amirulloh        (6413030016)

                             Yayuk Setiyowati            (6413030023)

                             Eko Irwanto                    (6413030029)

PRODI TEKNIK KELISTRIKAN KAPAL

JURUSAN TEKNIK KELISTRIKAN KAPAL

POLITEKNIK PERKAPALAN NEGERI SURABAYA

2015

DAFTAR ISI

Halaman sampul

Kata Pengantar

Daftar isi

Bab 1 Pendahuluan

1.1  Latar Belakang .............................................................................................1

1.2  Tujuan .........................................................................................................2

1.3  Rumusan Masalah ....................................................................................... 3

Bab 2 Pembahasan

2.1 Thermistor .................................................................................................. 4

2.2 Strain gauge .............................................................................................. . 5

2.3 Photodiode ................................................................................................   6

Bab 3 Penutup

   Kesimpulan ..................................................................................................  7

DAFTAR PUSTAKA

KATA PENGANTAR

            Segala puji dan syukur untuk Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat, rahmat, taufik, sertahidayah-Nya, sehingga penyusun dapat ,menyelesaikan makalah Thermistor, Strain Gauge, dan Photodiode ini untuk memenuhi tugas mata kuliah Sistem Pengaturan  Kapal.

            Penyusun mengucapkan terima kasih kepada Bapak Isa Rachman selaku dosen mata kuliah Sistem Pengaturan Kapal yang memberikan penyusun referensi dan pengetahuan baru tentang sistem kontrol. Terima kasih juga kepada teman-teman yang tiada henti mendukung agar segera  terselesaikannya makalah ini.

            Meskipun penyusun berharap isi dari makalah ini bebas dari kekurangan dan kesalahan, namun selalu ada yang kurang. Oleh karena itu, penyusun mengharapkan kritik dan saran yang membangun agar tugas makalah ini dapat lebih baik lagi.

            Akhir kata penyusun berharap agar laporan ini bermanfaat bagi semua pembaca.

                                                                                               

Surabaya, 09 April 2015

       Penyusun

                                                                                                           

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1  Latar belakang

      Pada zaman sekarang ini banyak sekali alat yang digunakan untuk mengukur suhu, tekanan maupun alat untuk mendeteksi warna. Disini kami ingin menjelaskan bagaimana 

            Pada zaman sekarang banyak sekali alat-alat yang digunakan untuk mengukur baik suhu, tekanan, maupun lainnya. Disini, kami ingin menjelaskan bagaimana pengukuran suhu efek radiasi, tekanan dalam pipa dan kadar oksigen baik dari pengertian,maupun dari prinsip kerja, dan aplikasi dari alat-alat nya.

Pengukuran suhu efek radiasi memiliki dua metode untuk mengukur radiasi, yaitu pirometer optis (pirometer pita sempit) dan pirometer radiasi total. Pirometer optis digunakan untuk mengukur logam panas karena jika alat ini dikalibrasidengan baik akan sangat sempurna mengukur temperatur logam diatas 1500⁰F (816⁰C). Sedangkan pirometer radiasi total dapat digunakan untuk aplikasi-aplikasi dengan benda bergarak atau yang berada pada jarak jauh.

Pengukuran tekanan dapat dilakukan dengan alat Bellow Gauge. Bellow juga digunakan untuk pengukuran tekanan , dan dapat dibuat kapsul mengalir. Cara dasar pembuatan bellow adalah dengan ikat bersama-sama banyak diafragma individu. elemen Bellow, pada dasarnya, adalah anggota salah satu bagian berekspansi, dilipat dan aksial fleksibel. Ini memiliki banyak convolutions atau lipat. Hal ini dapat dibuat bentuk satu bagian dari logam tipis.

Pengukuran kadar oksigen menggunakan oksigen sensor. Sebagai molekul oksigen berdifusi melalui membran semi-permeabel diinstal pada salah satu sisi sensor, molekul oksigen berkurang di katoda untuk membentuk ion hidroksil yang berpindah ke anoda sensor yang mana reaksi oksidasi terjadi. Reaksi reduksi / oksidasi yang dihasilkan menghasilkan arus listrik sebanding dengan konsentrasi oksigen dalam gas sampel.

Alat pengukuran adalah suatu alat yang dapat mendeteksi keberadaan suatu fenomena alam dan mengukurnya salam suatu kuantitas fisik danmengubahnya menjadi suatu sinyal yang dapat dibaca oleh pengamat atau alattertentu.

Begitu banyaknya besaran fisik yang dapat diamati dari sekian banyak fenomena alam yang ada di dunia ini, maka ada begitu banyak sensor yang diciptakan dan ditemukan oleh manusia. Karenanya, teknologi sensor terus berkembang sseiring dengan berjalannya waktu. Sensor-sensor dikaji dan dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan dan rasa ingin tahu manusia, dan menciptakan suatu standar pengukuran yang universal. Panas dan suhu adalah dua hal berbeda. Panas adalah energi total darigerak molekular di dalam zat, energi panas bergantung pada kecepatan partikel di dalam sebuah benda. Sedangkan suhu adalah ukuran energi rata-rata dari gerak molekular di dalam zat. Suhu tidak bergantung pada ukuran atau jenis benda.

1.2 Tujuan

            Tujuan penyusunan makalah ini bermaksud untuk mengetahui prinsip kerja dan pengaplikasiannya dari thermistor, strain gauge, dan photodiode.

1.3 Rumusan masalah

            Untuk mengarahkan penyusunan daripada makalah ini permasalahan yang dihadapi yakni membahas bagaimana pengertian, komponen, prinsip kerja, aplikasi dan keunggulan maupun kelemahan dari masing- masing sensor.

BAB 2

PEMBAHASAN

1.     THERMISTOR

1.1.         Pengertian

                Nama termistor berasal dari Thermally Sensitive Resistor. Termistor ini merupakan gabungan antara kata termo (suhu) dan resistor (alat pengukur tahanan). Termistor (Inggris: thermistor) adalah alat atau komponen atau sensor elektronika yang dipakai untuk mengukur suhu. Termistor ditemukan oleh Samuel Ruben pada tahun 1930, dan mendapat hak paten di Amerika Serikat dengan nomor #2.021.491.

                                     

                                                Sensor termistor

·        Jenis – Jenis Termistor

Termistor dibedakan dalam 2 jenis, yaitu

1.      Termistor yang mempunyai koefisien negatif, yang disebut NTC (Negative Temperature Coefisient)

NTC merupakan termistor yang mempunyai koefisient negatif. Dimana bahannya terbuat dari logam oksida yaitu dari serbuk yang halus kemudian dikompress dan disinter pada temperatur yang tinggi. Kebanyakan pada material penyusun termistor biasa mengandung unsur – unsur seperti Mn2 O3, NiO,CO2, O3,Cu2 O, Fe2 O3 TiO2, dan U2 O3.

Oksida-oksida ini sebenarnya mempunyai resistansi yang sangat tinggi, tetapi dapat diubah menjadi bahan semikonduktor dengan menambahkan beberapa unsur lain yang mempunyai valensi yang berbeda disebut dengan doping dan pengaruh dari resistansinya dipengaruhi perubahan temperatur yang diberikan. Thermistor logam oksida digunakan dalam daerah 200K sampai 700K. Untuk digunakan pada temperatur yang sangat tinggi, thermistor dibuat dari Al2O3 , BeO , MgO.

2.       Termistor yang mempunyai koefisien positif yang disebut PTC ( Positive Temperature Coefisient)

                PTC merupakan termistor dengan koefisien yang positif. Termistor PTC memiliki perbedaan dengan NTC antara lain:1.Koefisien temperatur dari thermistor PTC bernilai positif hanya dalam interfal temperatur tertentu, sehingga diluar interval tersebut akan bernilai nol atau negatif2.Harga mutlak dan koefisien temperatur dari termistor PTC jauh lebih besar dari pada termistor NTC.

                                   

                                                Termistor PTC

·        Jenis – jenis PTC

§  Jenis pertama terdiri dari thermally sensitif silicon resistors, kadang-kadang disebut sebagai “Silistors”. Device ini menunjukkan nilai koefisien suhu positif yang cukup seragam (sekitar 0,77% /°C) kebanyakan dari silistor melalui berbagai wilayah/rentang operasional, tetapi dapat juga menujukkan koefisien suhu negatif di wilayah temperatur yang melebihi 150° C. Device ini paling sering digunakan untuk kompensasi terhadap device semiconducting silicon dalam kisaran temperature antara -60° C ke 150°.

§  Jenis kedua merupakan polycrystalline bahan keramik yang biasanya resistivitasnya tinggi tetapi terbuat dari semiconduktor dengan penambahan dopants. Umumnya dibuat dari campuran barium, timah dan strontium titanates dengan tambahan seperti yttrium, manganese, tantalum dan silika. Device ini memiliki daya tahan-suhu karakteristik negatif yang sangat kecil. Koefisien suhu device ini hingga mencapaisuhu yang kritis, yang disebut sebagai “Curie”, perubahan atau transisi suhu. Suhu kritis ini merupakan pendekatan, device ini mulai menunjukkan peningkatan, resistansi suhu coefficient positif seperti peningkatan resistansi yang besar.

·        Cara Penggunaan Sensor Termistor

            Cara penggunaan termistor,sama halnya dengan cara penggunaan thermometer. Hanya perbedaannya adalah termistor digunakan untuk mengukur suhu pada resistor. Ketika termistor mengalami pemanasan atau ketika termistor berada dekat dengan sumber kalor, termistor akan menilai perubahan yang bergantung pada temperatur yang dilingkiupinya

·        Karakteristik Termistor

                                   

            Adapun karakteristik termistor yang seperti ditunjukkan pada grafik diatas yaitu semakin besar resistance maka suhu yang terukur adalah semakin rendah begitu pula sebaliknya semakin kecil resistansi maka suhu yang dihasilkan semakin tinggi.

·        Pengaplikasian

            Termistor digunakan dalam berbagai aplikasi, dan berikut ini beberapa aplikasi termistor yang paling populer:

1.Sensor suhu

Mungkin ini sudah sangat jelas, termistor berfungsi sebagai sensor suhu yang biasa digunakan dalam berbagai aplikasi. Termistor merupakan salah satu jenis sensor suhu yang paling akurat dalam pengukurannya, selain itu termistor memiliki stabilitas jangka panjang yang sangat baik (tidak terpengaruh oleh penuaan), mungkin inilah salah satu alasan yang menjadikan termistor begitu di terima menjadi sensor yang paling menguntungkan untuk banyak aplikasi, termasuk pengukuran suhu dan kontrol. Termistor berbeda dengan RTD (Resistor Temperature Detector), bahan-bahan termistor umumnya merupakan keramik atau polimer, sementara RTD menggunakan logam murni. Termistor juga memiliki waktu respon yang lebih cepat dari pada RTD. Selain itu RTD juga digunakan dalam rentang suhu yang lebih besar, sementara termistor hanya dalam rentang suhu yang terbatas sekitar - 90⁰ C sampai 130⁰ C, namun termistor mungkin memiliki ke akuratan pengukuran yang lebih baik dibanding RTD.

2.Pembatas lonjakan arus

Termistor biasanya juga digunakan sebagai pembatas lonjakan arus. Termistor membatasi lonjakan arus untuk menghindari kerusakan komponen secara bertahap dan untuk mencegah sekring atau juga circuit breaker putus atau trip. Jenis termistor yang biasanya digunakan sebagai pembatas arus ini adalah termistor NTC. Jadi pada awalnya resistansi termistor yang tinggi akan menahan aliran arus yang besar, dan ketika dalam beberapa detik arus terus mengalir, termistor NTC akan memanas, sehingga resistansinya menurun dan memungkinkan arus normal mengalir ke rangkaian.

3.Proteksi sirkuit

Termistor juga bisa digunakan untuk melindungi sirkuit atau rangkaian dengan cara memutus aliran arus (sebagai pengganti sekring). Jenis termistor yang digunakan untuk melindungi sirkuit ini adalah termistor PTC. Jadi pada normalnya termistor PTC akan membolehkan aliran arus mengalir ke rangkaian, dan ketika ada arus berlebih yang mengalir melalui termistor, maka termistor PTC akan memanas, dan memanasnya suhu atau meningkatnya suhu ini akan meningkatkan resistansi dari termistor PTC, sehingga aliran arus akan terhambat atau terputus.

            Gambar rangkaian yang ditunjukkan di bawah ini akan menjelaskan bagaimana sebuah rangkaian sederhana yang akan aktif ketika suhu atau temperatur meningkat. Dimana rangkaian tersebut menggunakan komponen thermistor, resistor tetap, transistor dan tegangan supply. Jadi begini, resistansi termistor akan menurun saat suhu meningkat, sehingga termistor menyuplai arus basis transistor, yang transistor akan aktif dan menjadi konduktor mengalirkan arus ke beban. Nilai resistor tetap tergantung pada termistor yang digunakan.

                                   

STRAIN GAUGE

I.  Dasar Teori

Strain Gage adalah komponen elektronika yang dipakai untuk mengukur tekanan (deformasi atau strain). Alat ini berbentuk foil logam atau kawat logam yang bersifat insulatif (isolasi) yang ditempel pada benda yang akan diukur tekanannya, dan tekanan berasal dari pembebanan. Prinsipnya adalah jika tekanan pada benda berubah, maka foil atau kawat akan terdeformasi, dan tahanan listrik alat ini akan berubah. Perubahan tahanan listrik ini akan dimasukkan kedalam rangkaian jembatan Whetstone yang kemudian akan diketahui berapa besar tahanan pada Strain Gage. Tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone merupakan sebuah ukuran regangan yang terjadi akibat tekanan dari setiap elemen pengindera Strain Gage. Tekanan itu kemudian dihubungkan dengan regangan sesuai dengan hukum Hook yang berbunyi : Modulus elastis adalah rasio tekanan dan regangan. Dengan demikian jika modulus elastis adalah sebuah permukaan benda dan regangan telah diketahui, maka tekanan bisa ditentukan..Hukum Hook dituliskan sebagai :

σ =Es …………………………………………….(1)

dimana               σ = regangan, Δl/l (tanpa satuan)

                                       s = tegangan geser , kg/cm²

E = modulus Young , kg/cm²

Bila dua gage atau lebih digunakan, maka tekanan pada pelacakan arah setiap gage bisa ditentukan dengan menggunakan perhitungan. Namun demikian persamaannya memiliki tingkat kompleksitas yang berbeda tergantung pada kombinasi dan orientasi gage tersebut.

Kepekaan sebuah Strain Gage disebut dengan faktor gage dan perbandingan antara unit resistansi dengan perubahan unit panjang adalah :

Faktor gage K = ∆R/R∆l/l …………..(2)

   Dimana :                       K = Faktor gage

ΔR = Perubahan tahanan gage

Δl = Perubahan panjang bahan

R = Tahanan gage nominal

l = Panjang normal bahan

 Jadi regangan diartikan sebagai perbandingan tanpa dimensi, perkalian unit yang sama, misalnya mikroinci / inci atau secara umum dalam persen (untuk deformasi yang besar) atau yang paling umum lagi dalam mikrostrain.

Perubahan tahanan ΔR pada sebuah konduktor yang panjangnya l dapat dihitung dengan menggunakan persamaan bagi tahanan dari sebuah konduktor yang penampangnya serba sama, yaitu :

                                                R= ρPanjangLuas=ρxlπ4d2 …………….(3)

dimana :            ρ = tahanan spesifik dari bahan konduktor

 l = panjang konduktor

d = diameter konduktor

Karakteristik Strain Gauge

Karakteristik dari filamen adalah sebagai berikut :

1) Faktor Gage tertinggi

2) Koefisien suhu resistansi rendah

3) Resitivitas tinggi

4) Kekuatan mekanis tinggi

5) Potensial termo listrik minimum disekitar lead

Bahan- bahan yang bisa dijadikan Strain Gauge

Berbagai jenis bahan tahanan telah dikembangkan untuk pemakaian dalam gage-gage kawat dan foil, seperti:

a. Constantan adalah paduan (alloy) tembaga-nikel dengan koefisien temperatur rendah. Biasanya Constantan ditemukan dalam Gage yang digunakan untuk strain dinamik, dimana perubahan level strain tidak melebihi ± 1500 μcm/cm. Batas temperatur kerja adalah dari 10 ^oC sampai 200^oC.

b. Nichrome V adalah paduan nikel-chrome yang digunakan untuk pengukuran strain statik sampai 375 ^oC. dengan kompensasi temperatur, paduan ini dapat digunakan untuk pengukuran static sampai 650 ^oC dan pengukuran dinamik sampai 1000 ^oC.

c. Dynaloy adalah paduan nikel-besi dengan Faktor Gage yang rendah dan ketahanan yang tinggi terhadap kelelahan. Bahan ini digunakan untuk  pengukuran strain dinamik bila sensitivitas temperatur yang tinggi dapat di tolerir.

d. Stabiloy adalah paduan nikel-chrome yang dimodifikasi dengan rangkuman kompensasi temperatur yang lebar. gage ini memikiki stabilitas yang sangat baik dan temperatur cryogenic sampai sekitar 350 ^oC dan ketahanan yang baik tehadap kelelahan.

e. Paduan-paduan platina tungsten memberikan stabillitas yang sangat baik dan ketahanan yang tinggi terhadap kelelahan pada temperatur tinggi. Gages ini disarankan untuk pengukuran uji static sampai 700 ^oC dan pengukuran dinamik 850 ^oC.

Beberapa Jenis Strain Gauge

Jenis-jenis dari Metal Foil Strain Gage

a) Rosette 90^o yang dapat mengukur aksial dan regangan trasfer sekaligus. Variasi desain ini adalah stress gage dimana dua elemen meliliki tahanan yang berbeda. Tahanan juga di pilih sehingga hasilnya memberikan sebuah sensor yang keluarannya sebanding dengan takanan dan keluaran elemen aksial sebanding dengan regangan.

b) Rosette 45^o memberikan reaksi angular lebih besar dari rosette 90^o

c) Rosette 60^o

II.                Percobaan

i.                    Percobaan Nilai Hambatan Sensor

Percobaan untuk mencari nilai hambatan kami lakukan pertama karena untuk mencari nilai regangan sangat sulit. Nilai regangan berkisar dibawah satu mili. Oleh karena itu kami mencari nilai hambatan terlebih dahulu baru menghitung nilai regangannya.

Gambar percobaan untuk mengukur beban:

Tabel hasil percobaan:

Beban	Hambatan
0 gram (Kondisi Awal)	120,4 Ω
500 gram	120,5 Ω
1000 gram	120,7 Ω
1500 gram	120,8 Ω
2000 gram	120,9Ω
2500gram	121 Ω

Grafik hambatan terhadap beban:

ii.                  Perhitungan perancangan jembatan WheatStone

   Sebelum kita melakukan percobaan,kita akan terlebih dahulu melakukan perhitungan terhadap rangkaian dibawah ini untuk mengetahui nilai resistor–resistor yang kita butuhkan

Dari rangkaian diatas ini yang kita inginkan adalah ketika jembatan diatas ini dalam keadaan setimbang nilai dari Vg =0.Seperti kita ketahui bahwa strain gauge yang kita gunakan pada percobaan ini memiliki resistansi sebesar 120Ω.Untuk mencari nilai resistansi ,kita masukkan kedalam rumus berikut:

                                    Vg=R3R1+R3 Vin− R4R2+R4 Vin

                               0=R3R1+R3 Vin− R4R2+R4 Vin

                           R3R1+R3 Vin= R4R2+R4 Vin

Dari persamaan diatas maka didapat rumus:

                                       R1.R4=R2.R3

Kita tahu bahwa R4=120 Ω(tahanan dari strain gaguenya. Kita ambil gunakan R₂ dan R₃ sebesar 118.4Ω, maka nilai R₁:

                            

                           

Pada percobaan kami menggunakan R₁ yang terdiri dari resistor 120Ω yang diparalelkan dengan potentiometer 10kΩ. Hal ini kami lakukan untuk memperoleh hambatan sebesar 116.8213 yang akurat.

                                           

iii.                Perhitungan Perancangan System pengolah siyal analog

Pada percobaan ini kami menggunakan instrumentasion amplifier, karena tegangan yang didapat dari  jembatan Wheatstone merupakan selisih nilai tegangan. Kriteria yang kami inginkan adalah saat strain gage diberi beban seberat 2kg, maka system akan memberikan output tegangan sebesar 5V. Untuk mendapatkan nilai hambatan bisa menggunakan rumus:

Faktor gage K = ∆R/R∆l/l …………..(2)

     Dimana :                       K = Faktor gage

ΔR = Perubahan tahanan gage

Δl = Perubahan panjang bahan

 R = Tahanan gage nominal

  l = Panjang normal bahan

Nilai Faktor Gage adalah 2.1, nilai ini didapat dari datasheet sensor.  Tahanan nominal adalah 120Ω nilai ini juga diperoleh dari datasheet. Karena nilai regangan yang sangat kecil, maka kami tidak mampu mendapatkan besarnya perubahan tahanan menggunakan rumus. Oleh sebab itu kami langsung melakukan percobaa untuk mecari nilai hambatan. Nilai regangan bisa dilihat pada perhitungan di bawah ini:

 

 

 

Setelah mengetahui nilai hambatan pada saat diberi beban 2 Kg, maka sekarang kami akan mencari nilai Vg (nilai selisih tegangan pada titik C – D pada gambar). Perhitungannya dan gambar bisa dilihat di bawah ini:

Vin yang digunakan adalah 5V.

 

Sekarang kami telah mendapatkan nilai V_g, nilai V_g perlu diperkuat untuk memperoleh Vout sebesar 5 V, maka kami akan menggunakan Instrumentation Amplifier dan penguat inverting. Perhitungannya bisa dilihat dibawah ini:

·        Mencari total penguatan yang diperlukan:

                

      

        kali

·        Desain instrumentation amplifier untuk penguatan 470 kali.Untuk instrumentation amplifier digunakan IC LM741, Gambar rangkaian bisa dilihat dibawah ini:

Perhitungan penguatan instrumentation amplifier bisa dilihat dibawah:

                       dengan   

          

           

           

Kami menggunakan resistor  560k, karena nilai resistor tersebut ada di pasaran jadi penguatan yang dihasilkan adalah:

iv.                Pengujian Sensor Strain Gauge

·        Alat dan bahan :

1. Power supply (2 buah)

2. Avometer digital (1 buah)

3.Resistor 1Ω (3 buah), 120Ω (2buah), 560kΩ (2buah), 1kΩ (2buah).

4.Potensiometer 10k Ω

5.Strain gauge 120Ω (1buah)

6.IC LM741 (4 buah)

·        Data percobaan

Beban	V (tanpa op amp)		V (dengan op amp)
500 gram	1.9 mV		0.95 V
1000 gram	3.2mV		1.62 V
1500 gram	4.5 mV		2.25 V
2000 gram	5.7 mV		2.85 V
2500 gram	7 mV	3.54V

·        Sensitivitas Perbandingan input dan ouput

Pada saat beban karakteristik maksimum (2 kg)

  V outV in x 100%= 2,85 V5 V x 100%=57 %  

III.             Kesimpulan :

Strain gauge adalah sensor strain yang mengubah regangan menjadi hambatan, kemudian dengan rangkaian Jembatan Wheatstone dikonversi menjadi Tegangan namun karena tegangan yang dihasilkan sangatlah kecil (skala mili Volt) dibutuhkan rangkaian Penguat sehingga sensor starin gauge dapat menjadi actuator.

Penguatan berkuarang karena terkena pengaruh dari ketidak idealan op-amp. Perhitungan  berbeda dengan hasilk perhitungan disebabkan karena toleransi resistor dan perubahan nilai resistor karena pengaruh panas pada saat disolder. Untuk memperoleh tegangan output 5v maka diperlukan penguatan sebesar 877 kali.