BAB 2 LANDASAN TEORI. bergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian

BAB 2 LANDASAN TEORI

2.1 Sensor Dan Transduser Model apapun yang digunakan dalam sistem otomasi pemabrikan sangat bergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian menunjukkan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat bergantung kepada sensor maupun transduser yang digunakan. Pada bagian selanjutnya akan dijelaskan tentang pengertian maupun jenis-jenis sensor dan transduser.

2.1.1 Pengertian Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejalagejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya. Contohnya

camera

sebagai

sensor

penglihatan,

telinga

sebagai

sensor

pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, dan lainnya. Transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas). Contohnya generator adalah transduser yang merubah energi

Universitas Sumatera Utara

mekanik menjadi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya.

2.1.2 Klasifikasi Sensor Dan Transduser Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu: a. sensor thermal (panas) b. sensor mekanis c. sensor optik (cahaya) Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas/temperatur/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. Contohnya bimetal, termistor, termokopel, RTD, photo transistor, photo dioda, photo multiplier, photovoltaik, infrared pyrometer, hygrometer, dsb. Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dsb. Contohnya strain gage, linear variable deferential transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube, dsb. Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. Contohnya photo cell, photo transistor, photo diode, photo voltaic, photo multiplier, pyrometer optic, dsb.


Sementara klasifikasi transduser adalah : a. Self generating transduser (transduser pembangkit sendiri) Self generating transduser adalah transduser yang hanya memerlukan satu sumber energi. Contohnya piezo electric, termocouple, photovoltatic, termistor, dsb. Ciri transduser ini adalah dihasilkannya suatu energi listrik dari transduser secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai sumber tegangan. b. External power transduser (transduser daya dari luar) External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran. Contohnya RTD (resistance thermal detector), Strain gauge, LVDT (linier variable differential transformer), Potensiometer, NTC, dsb.

2.2 Sensor Cahaya Penggunaan sensor cahaya dalam sistem kendali pada industri sangat efektif dan efisien. Oleh karena itu sensor cahaya banyak digunakan pada pabrikpabrik dan juga pada sistem keamanan gedung-gedung bertingkat. Pada bagian selanjutnya akan dibahas tentang energi cahaya dan juga jenis-jenis sensor cahaya.

2.2.1 Pengertian Elemen-elemen sensitive cahaya merupakan alat terandalkan untuk mendeteksi energi cahaya. Alat ini melebihi sensitivitas mata manusia terhadap semua spectrum warna dan juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra merah.


Energi cahaya bila diolah dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik kompensasi. Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki spectrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan spektrum optis dan energi dapat dilihat pada formula dan Gambar berikut. Energi photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah: Wp = hf =

hc

λ

. . . . . . . . . . . . (2.1)

Dimana : Wp = energi photon (eV) h = konstanta Planck’s (6,63 x 10-34 J-s) c = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 108 m/s) λ = panjang gelombang (m) f = frekuensi (Hz)

Frekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat elektron berpindah tingkat energinya. Spektrum gelombang optis diperlihatkan pada Gambar 2.1, spektrum warna cahaya terdiri dari ultra violet dengan panjang gelombang 200 sampai 400 nanometer (nm), visible adalah spektrum warna cahaya yang dapat dilihat oleh mata dengan panjang gelombang 400 sampai 800 nm yaitu warna violet, hijau dan merah, sedangkan spektrum warna infrared mulai dari 800 sampai 1600 nm adalah warna cahaya dengan frekuensi terpendek.


Untuk lebih jelasnya, spektrum warna cahaya dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Ultraviolet

200

Red

Green

Violet

Sedangkan daya spektral cahaya dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Visible

Infrared

1600

400 800 Wavelength, nm 4

2 Photon energy, eV

1

Gambar 2.1 Spektrum Gelombang EM

Gambar 2.2 Kurva Output Sinyal Optis

Bahan-bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain matahari adalah antara lain: a. Incandescent Lamp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu flashlight.


b. Energi Atom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke level energi berikutnya. c. Fluorescense yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan fluorescence yang terkena cahaya tajam, seperti layar osciloskop. d. Sinar Laser adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk sebagai cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya tunggal atau membentuk garis lurus), coherent (cahaya seragam dari sumber sampai ke beban sama), dan divergence (simpangan sangat kecil yaitu 0,001 radians).

2.2.2 Jenis-Jenis Sensor Cahaya Banyak peralatan sistem kendali menggunakan sensor cahaya, oleh karena sensor ini bayak jenisnya. Baik berdasarkan prinsip kerja maupun ukuran sensor ini terdiri dari berbagai jenis, diantaranya adalah : 1. Dioda foto 2. Transistor foto 3. Tabung cahaya berisi gas 4. Pemfotodaraf 5. Fotosel

2.2.3 Dioda foto Dioda foto memanfaatkan sifat-sifat sel emisi cahaya atau tabung cahaya. Tabung cahaya merupakan sebuah alat pemancar energi yang mengontrol pancaran elektronnya bila dihadapkan ke cahaya yang datang. Kontruksi sebuah


dioda foto diperlihatkan pada Gambar 2.3 (a) dan simbolnya dalam diagram skema pada Gambar 2.3 (b).

(a)

(b) Gambar 2.3 Dioda foto a. Konstruksi Dioda foto b.Diagram Skema Dioda foto

Elemen setengah lingkaran yang besar adalah katoda yang sensitif cahaya dan kawat tipis yang menuju pusat tabung adalah anoda. Kedua elemen ini ditempatkan di dalam sebuah pembungkus (envelope) gelas yang telah dihampakan. Bila antara anoda dan katoda diberikan suatu tegangan konstan, arus di dalam rangkaian berbanding langsung dengan banyaknya cahaya atau intensitas cahaya yang jatuh pada katoda. Katoda cahaya memancarkan elektron bila dirangsang dengan energi pancaran yang datang. Pada waktu itu katoda cahaya yang paling penting digunakan di dalam tabung cahaya vakum adalah permukaan cesium-antimony, yang ditandai dengan sensitivitas yang tinggi di dalam spektrum visibel. Jenis gelas yang digunakan di dalam penutup gelas terutama menentukan sensitivitas alat pada panjang gelombang yang lain. Biasanya gelas menghentikan transmisi radiasi dalam daerah ultraviolet.


Karateristik khas antara tegangan dan arus diperlihatkan pada Gambar 2.4 (a). Bila tegangan yang cukup diberikan antara katoda cahaya dan anoda, arus yang terkumpul secara keseluruhan hampir bergantung pada jumlah cahaya yang masuk. Tabung cahaya vakum ditandai oleh status respons arus cahaya yang linear sepanjang suatu rangkuman yang lebar, begitu besar sehingga tabungtabung ini sering digunakan sebagai standar dalam pengukuran pembandingan cahaya. Gambar 2.4 (b) memperlihatkan hubungan linear antara arus dan cahaya.

(a)

(b) Gambar 2.4 Karakterisrik Dioda Foto a. Karakteristik Arus vs Tegangan b. Arus vs Fluksi Cahaya


2.2.4 Transistor Foto Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto dengan transistor foto dalam satu rangkaian seperti terlihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Rangkaian Uji Transistor Foto

Adapun perbedaan karateristik antara dioda foto dan transistor foto adalah sebagai berikut. •

Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas foto dapat dilihat pada Gambar 2.6

•

Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip

•

Transistor sebagai penguat arus

•

Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto


Collector Current (mA)

28 Intensity (W/m2)

20

40 12

30

8

20

4

10

2

4

6 8 10 12 Collector-Emitter Voltage

14

16

Gambar 2.6 Karateristik Transistor foto

2.2.5 Tabung Cahaya Berisi Gas Tabung cahaya berisi gas memiliki kontruksi umum yang sama seperti tabung cahaya vakum, kecuali bahwa penutup berisi gas lamban (biasanya argon) pada suatu tekanan yang sangat rendah. Elektron dipancarkan dari katoda melalui kekuatan photoelectric dan mempercepatnya melalui gas dengan memberikan tegangan pada anoda. Jika energi elektron melebihi potensial ionisasi gas (15, 7 V untuk argon), tumbukan sebuah elektron dan molekul gas dapat menyebabkan ionisasi, yakni pembentukan sebuah ion positif dan sebuah elektron sekunder. Jika selanjutnya tegangan diperbesar melebihi potensial ionisasi, arus yang dikumpulkan oleh anoda bertambah karena jumlah tumbukan antara elektron cahaya (photo-elektron) dan molekul gas lebih banyak. Jika tegangan anoda dinaikkan ke suatu nilai yang sangat tinggi, arus menjadi tidak terkontrol; maka semua molekul gas terionisasi dan tabung memiliki suatu lucutan kilap (glow discharge). Keadaan ini harus dicegah karena dapat merusak tabung untuk seterusnya. Karateristik khas anatara arus dan tegangan untuk berbagai level cahaya diperlihatkan pada Gambar 2.7.


Gambar 2.7 Karakteristik Khas Antara Tegangan dan Arus pada Tabung Gas

2.2.6 Pemfotodarap (Photomultiplier) Untuk mendeteksi level-level cahaya yang sangat rendah, dalam kebanyakan pemakaian diperlukan penguatan khusus bagi arus cahaya. Pemfotodarap atau alat menggandakan cahaya (photomultiplier), menggunakan emisi sekunder untuk memberikan penguatan arus diatas faktor 106 dan berarti menjadi sebuah detektor yang sangat bermanfaat bagi level cahaya yang rendah. Dalam sebuah pemfotodarap, elektron yang dipancarkan oleh fotokatoda diarahkan secara elektrostatik ke sebuah permukaan pancar sekunder yang disebut dynoda. Jika pada dynoda ini diberikan tegangan kerja yang sesuai, tiga sampai enam elektron sekunder dipancarkan untuk setiap elektron primer yang menumbuk dynoda. Elektron sekunder ini difokuskan ke sebuah dynoda kedua dimana proses berulang. Dengan demikian pancaran katoda semula digandakan beberapa kali.


Gambar 2.8 memperlihatkan sebuah pemfotodarap beserta sepuluh dynoda. Dynoda terakhir (ke-10) disusul oleh anoda yang mengumpulkan elektron dan dalam kebanyakan pemakaian bekerja sebagai elektron keluaran sinyal. Pemfotodarap linear pada Gambar 2.8 (juga dikenal sebagai tabung Matheson) memiliki struktur sangkar pemusat (pemfokus) yang dirancang secara khusus dengan permukaan efektif yang besar untuk pengumpulan elektron cahaya pada dynoda pertama. Tabung Matheson ini menggunakan sebuah katoda lengkung dan cincin-cincin annular untuk pemusatan elektron-elektron cahaya secara elektrostatik. Kontruksi ini memperlihatkan pengumpulan foto-elektron yang sangat efektif dan juga waktu peralihan yang sangat pendek (respons frekuensi tinggi).

Gambar 2.8 Pola Kerja dari Pemfotodarap


Penguatan pemfotodarap bergantung pada jumlah dan sifat-sifat bahan dynoda. Untuk sebuah tabung khas dengan sepuluh dynoda seperti diperlihatkan pada Gambar 2.8, penguatan ini akan berada dalam orde 106 dengan pemberian tegangan sebesar 100 V setiap tingkatan (dalam hal ini akan diperlukan sumber tegangan 1000 V). Respons spektral dapat dikontrol oleh bahan katoda dan dynoda. Keluaran pemfotodarap adalah linear, serupa dengan keluaran tabung cahaya vakum. Medan-medan magnetik mempengaruhi penguatan pemfotodarap sebab sebagian elektron mungkin dibelokan dari lintasan normalnya diantara tingkatantingkatan, dan dengan demikian tidak pernah mencapai sebuah dynoda atau akhirnya anoda. Dalam pemakaian alat cacah kelipatan efek ini bisa mengganggu, dan untuk ini pelindung magnetik logam-mu sering dipasang sekeliling pemfotodarap.

2.2.7 Fotosel Fotosel adalah elemen-elemen yang daya hantarnya merupakan fungsi dari radiasi elektromagnetik yang masuk. Banyak bahan bersifat fotokonduktif sampai tingkat tertentu, akan tetapi yang terpenting secara komersial adalah kadmiumsulfida, germanium dan silikon. Respons spektral dari sel kadmium-sulfida hampir sesuai dengan mata manusia, dan dengan demikian sel ini sering digunakan dalam pemakaian dimana penglihatan manusia merupakan suatu faktor, seperti halnya pengontrolan cahaya jalan atau pengontrol selaput pelangi otomatik pada alat-alat kamera.


Elemen-elemen dasar dari sebuah fotosel adalah substrat keramik, lapisan bahan konduktif, elektroda metalik untuk menghubungkan alat ke sebuah rangkaian, dan sebuah penutup tahan uap air. Sebuah pandangan terpotong lancip dari sebuah fotosel diperlihatkan pada Gambar 2.9. Suatu pemakaian khas dari sebuah rangkaian praktis fotosel untuk mengontrol on-off ditunjukkan pada gambar 2.10. Tahanan R2, R3, dan R4 dipilih sehingga catu emitter ke basis Q2 cukup positif untuk mengijinkan Q2 konduksi. Sebagai akibatnya, relay di dalam rangkaian kolektor Q2 akan bekerja. Bila digunakan konfigurasi A sebagai rangkaian kontrol, relay bekerja bila cahaya pada Fotosel berada dibawah suatu level yang telah ditentukan. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada Gambar 2.9 dan 2.10.

Gambar 2.9 Konstruksi Fotosel


Gambar 2.10 Rangkaian Fotosel untuk Mengontrol on-off

Bila fotosel diterangi, catu emitter ke basis dari Q1 menjadi cukup positif untuk mengijinkan Q1 konduksi. Potensial kolektornya menjadi sangat kurang positif, mengurangi catu pada Q2, dan Q2 terputus mematikan relay. Bila yang digunakan adalah konfigurasi B, relay akan bekerja bila cahaya yang masuk pada fotosel berada di atas suatu level telah ditentukan sebelumnya. Fotosel

semikonduktor

digunakan

dalam

beberapa

pemakaian.

Karakteristik volt-ampere dari sebuah bahan p-n bisa nampak berupa garis tebal pada Gambar 2.11, tetapi bila cahaya diberikan pada sel, kurva bergeser ke bawah seperti diperlihatkan oleh garis patah. Dalam pemakaian fotosel dicatu dalam arah balik. Bila sel tersebut disinari, arus balik bertambah dan suatu tegangan keluaran dapat dibangkitkan melalui sebuah tahanan keluaran. Selanjutnya tegangan keluran ini sebanding dengan jumlah cahaya yang masuk. Orde khas besarnya pertambahan arus keluaran adalah sekitar 0,7 μA untuk setiap pertambahan penerangan sebesar 1 fc


(foot-candle). Pertambahan arus cahaya ini adalah linear terhadap pertambahan penerangan. Konstanta waktu fotosel dari bahan p-n yang relatif cepat, membuat alat ini sangat bermanfaat untuk frekuensi eksitasi optik sekalipun di atas daerah audio.

2.3 Sistem Kendali Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang cepat terutama di bidang otomasi industri. Perkembangan ini tampak jelas di industri pemabrikan dimana sebelumnya banyak pekerjaan mengunakan tangan manusia, kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya dengan semi otomatis dan terakhir sudah menggunakan full-otomatis. Semua itu adalah sistem kendali. Pada bagian selanjutnya akan dijelaskan pengertian dan jenis-jenis sistem kendali.

2.3.1 Pengertian Sistem kontrol adalah suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen atau elemen pendukung yang digunakan untuk mengukur nilai dari variabel sistem yang dikontrol dan menerapkan variabel tersebut ke dalam sistem untuk mengoreksi atau membatasi penyimpangan nilai yang diukur dari nilai yang dikehendaki. Sistem kontrol otomatis adalah sistem kontrol umpan balik dengan acuan masukan atau keluaran yang dikehendaki dapat konstan atau berubah secara perlahan dengan berjalannya waktu dan tugas utamanya adalah menjaga keluaran sebenarnya berada pada nilai yang dikehendaki dengan adanya gangguan. Banyak


contoh sistem kontrol otomatis, beberapa diantaranya adalah pengaturan otomatis tegangan pada “plant” daya listrik di tengah – tengah adanya variasi beban daya listrik dan kontrol otomatis tekanan, kekentalan, dan suhu dari proses kimiawi.

2.3.2 Jenis-Jenis Rangkaian Kendali Sistem kontrol rangkaian terbuka (open-loop control system) merupakan sistem yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Dengan kata lain, sistem kontrol rangkaian terbuka keluarannya tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Suatu contoh sederhana adalah mesin cuci. Perendaman, pencucian dan pembilasan dalam mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran yaitu tingkat kebersihan kain. Setiap gangguan yang terjadi akan menimbulkan pengaruh yang tidak diinginkan pada outputnya, seperti terlihat pada Gambar 2.12.

Proses input

output

Gambar 2.11 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka

Sistem kontrol rangkaian tertutup (closed-loop control system) merupakan sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan sehingga besaran yang dikendalikan dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan melalui alat pencatat (indikator atau rekorder). Perbedaan yang terjadi antara besaran yang dikendalikan dan penunjukkan pada alat pencatat digunakan sebagai koreksi, seperti terlihat pada Gambar 2.12.


Input

Output

Proses

Umpan Balik

Gambar 2.12 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup

Masing-masing dari sistem kontrol baik itu loop terbuka maupun loop tertutup mempunyai kelebihan dan kelemahan yaitu :

Kelebihan sistem kontrol loop terbuka adalah : 1. Konstruksinya sederhana dan perawatannya mudah. 2. Lebih murah daripada sistem kontrol loop tertutup. 3. Tidak ada persoalan kestabilan. 4. Cocok digunakan jika keluaran sulit diukur atau secara ekonomi tidak layak. (sebagai contoh, mengusahakan suatu peralatan untuk mengukur kualitas keluaran pemanggang roti adalah cukup mahal).

Kelemahan sistem kontrol loop terbuka adalah : 1. Gangguan dan perubahan kalibrasi akan menimbulkan kesalahan, sehingga keluaran mungkin berbeda dengan yang diinginkan. 2. Untuk menjaga kualitas yang diperlukan pada keluaran diperlukan kalibrasi ulang dari waktu ke waktu. 3. Dapat digunakan pada sistem jika terdapat gangguan yang tidak dapat diramalkan atau perubahan yang tidak dapat diramal pada komponen sistem.


Kelebihan sistem kontrol loop tertutup adalah : 1. Tidak memerlukan kalibrasi ulang dari waktu ke waktu. 2. Dapat digunakan untuk komponen-komponen yang kurang teliti dan murah untuk mendapatkan pengontrolan “plant” yang teliti. 3. Dapat digunakan pada sistem jika terdapat gangguan yang tidak dapat diramalkan atau perubahan yang tidak dapat diramal pada komponen sistem.

Kelemahan sistem kontrol loop tertutup adalah : 1. Kestabilan selalu merupakan persoalan utama karena cenderung terjadi kesalahan akibat koreksi berlebih yang dapat menimbulkan osilasi pada amplitudo konstan maupun berubah. 2. Harga lebih mahal daripada sistem kontrol loop terbuka.


BAB 2 LANDASAN TEORI. bergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian

Recommend Documents