BAB VI OPTICAL TRANSDUCER
TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari bab ini, pembaca diharapkan dapat: 1. menjelaskan radiasi gelombang elektromagnetik seperti frekuensi, panjang gelombang, kecepatan dan propagansi, serta spektrumnya. 2. Menjelaskan energi dari gelombang elektromagnetik dalam bentuk daya, intensitas, dan efek penyebaran. 3. Menjelaskan energi cahaya dari radiasi gelombang elektromagnetik. 4. Menjelaskan sruktur dan prinsip dari radiasi total dan pyrometer (alat pengukur suhu yang tinggi) optik. 5. Mendesign aplikasi dari teknik optik untuk pengukuran proses kontrol.
6.1
PENGANTAR Ketika radiasi gelombang elektromagnetik digunakan untuk membentuk variabel dinamik, transduser tidak memberikan efek pada sistem. Pengukuran dari sistem disebut nonlocal dan noncontact karena ridak ada kontak fisik yang dibuat variable dengan lingkungannya. Karakteristik pengukuran noncontact biasanya dapat dibuat dari jaraknya. Dalam proses kontrol, radiasi gelombang elektromagnetik yang tampak ataupun cahaya infra red digunakan untuk pengukuran. Teknik yang digunakan dalam aplikasi tersebut dinamakan optical. 6.2
DASAR DARI RADIASI GELOMBANG ELEKTROMAGNATIK Bagian ini akan dijelaskan tentang metode karakteristik gelombang elektromagnetik. 6.2.1
Sifat Gelombang Elektromagnetik Kita mulai dengan catatan bahwa radiasi gelombang elektromagnetik merupakan salah satu bentuk energi. Sebuah objek yang melepaskan pancaran adalah kehilangan energi. Jika menyerap berarti memperkuat energinya. FREKUENSI DAN PANJANG GELOMBANG Dari kedua hal tersebut radiasi gelombang elektromagnetik dapat dihasilkan. Ditemukan bahwa propagansi radiasi melalui udara sama seperti propagansi di air dari beberapa gangguan. Frekuensi merupakan osilasi per detik ketika radiasi dikeluarkan dari suatu titik ke udara. Panjang gelombang adalah jarak ruang antara minimum dan maksimum dari gelombang dalam arah propagansi. Kecepatan propagansi Dirumuskan : c = λf (6-1) dimana : c = 2,998 x 108 m/ss ≅ 3 x 108 m/s = kecepatan gelombang elektromagnetik dalam vakum
89
λ = panjang gelombang (m) f = frekuensi (Hz) atau cycle per secon (s-1) Ketika radiasi bergerak melalu ruang yang tidak vakum, kecepatan propagansi akan kurang dari c. Secara umum, kecepatan radiasi yang baru di indikasikan oleh index bias dari mediumnya, dirumuskan : c (6-2) n= v SATUAN PANJANG GELOMBANG o
Satuan panjang gelombang yang lain adalah Angstrom (A) , sebesar 10-10 m, o
o
atau 10-10 m/ A . Jadi, cahaya merah tadi mempunyai panjang gelombang 7000 A . SPECTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya, akan dijelaskan spektrumnya. Gambar 6.1 menunjukkan range dari gelombang elektromagnetik mulai dari fekuensi sangat rendah sampai frekuensi sangat tinggi. Catatan bahwa spektrum ini merupakan range energi dari sinyal radio dan cahaya tampak sinar X dan penetrasi sinar kosmok dan semua frekuensi yang dilalui. Dalam proses kontrol instrumen, akan dijelaskan 2 macam yaitu sinar infra merah dan cahaya tampak. CAHAYA TAMPAK Mempunyai band antara 400 nm – 760 nm, gambar (6.1). Band radiasi ini melingkup panjang gelombang itu dimana mata kita sensitip. SINAR INFRA MERAH Mempunyai panjang gelombang antara 0,76 µm – 100 µm. Dalam beberapa kasus, panjang gelombangnya bisa mencapai 3 µm – 100 µm yang disebut farinfrared. KARAKTERISTIK CAHAYA FOTON Energi foton dapat ditemukan dalam gelombang elektromagnetik pada frekuensi partikular dalam kuantisasi diskrit energi. Jika beberapa sumber mengeluarkan energi dari satu frekuensi , maka dinamakan quanta. Inilah yang dinamakan foton. Dirumuskan: hc W p = hf = (6-3)
λ
dimana Wp = energi foton (J) h = konstanta Plack (6,63 x 10-34 J-s) f = frekuensi (s-1) λ = panjang gelombang (m)
:
energi suatu foton sangat kecil jika dibandingkan dengan energi listrik. Gambar 6.2 menunjukkan energi yang dibawa satu foton dalam beberapa panjang gelombang. Energi ini ditunjukkan dalam electron volt dimana 1 eV=1,62 10-19.
90
DAYA Karena radiasi gelombang elektromagnetik bergerak maka dia mempunyai daya dalam joule per detik atau watt. Jika sumber mengeluarkan 10 watt berarti 10 joule dari energi cahaya dikeluarkan tiap detiknya. INTENSIITY Agar lebih jelas mengenai radiasi, akan dijelaskan ttg intensitas. 10 watt sumber dipancarkan ke daeraah dengan luas 0,2 m2, kita dapat mencari intensitasnyaa (watt per luas area), sehingga (10W)/(0,2 m2) di dapat 50 W/m2. P (6-4) I= A dimana : I = intensitas (W/m2) P = daya (W) A = luas daerah (m2)
Gambar 6.1 Spektrum radiasi gelombang elektromagnetik dari frekuensi rendah sampai sinar X dan diluarnya.
91
DIVERGENSI Karena radiasi merambat dalam garis lurus, ini ada kemungkinan bahwa intensitas dari cahaya akan berubah meslipun dayanya konstan. Hal ini bisa dilihat pada gambar 6.3. Di sini kita mempunya 10 W dalam area A1. Selama sifat dari sumber dan cahaya merambat lurusss, kita dapat lihat bahwa beberapa jarak sama 10 W dibagikan lebih dari area A2, dan intensitas dikurangi. Penyebaran radiasi disebut divergensi, terdapat θ yang diukur dari tepi cahaya sampai pusat arahan.
Gambar 6.2 Energi yang dibawa foton dengan variasi panjang gelombang dari radiasi gelombang elektromagnetik. Suatu tingkat energi cahaya melalui suatu daerah dapat dijelaskan dengan komplit jika meliputi daya yang dibawa, cross sectional area dan divergensi
92
Bila suatu sumber memancarkan daya sebesar P seperti terlihat pada gambar 6.5. Intensitas pada jarak R ditemukan dengan membagi daya total dengan luas daerah permukaan bola dengan radius R dari sumber cahaya. I = P/ A dalam W/m2 Sekarang luas permukaan bola dengan radius R diberikan oleh A = 4πR2, sehingga untuk permukaan disekitar sumber titik I = P/ 4πR2 dalam W/m2 Persamaan ini menunjukkan bahwa intensitas dari suatu sumber titik berkurang sebanding dengan kuadrat kebalikan dari jarak. KOHERN Karakteristik radiasi yang kurang terlihat adalah kohernsinya. Kita telah mengetahui bahwa cahaya diuraikan melaui listrik dan medan magnet yang berosilasi pada kawasan waktu dan ruang. Secara umum, sumber-sumber cahaya konvensional seperti bola lampu pijar dan flouresen menghasilkan sinar tanpa kohern.
Gambar 6.5 Intensitas cahaya dari sumber titik tergantung pada jarak dari sumber R dan daerah yang diperhatikan A
6.2.3 Prinsip Energi Cahaya Dikarenakan pentingnya cahaya tampak bagi kehidupan manusia, suatu bahasan tertentu sering digunakan untuk menjelaskan baik tingkat energi maupun sifat kromatik dari radiasi medan elektromagnetik. Bahasan ini menyumbangkan berbagai aplikasi dari bidang keteknikan secara prinsipil yang dapat dirasakan oleh manusia, dikarenakan susunan energinya terdiri atas radiasi ME ( medan elektromegnetik ) yang sensitif terhadap band frekuensi yang diterima mata. 93
SUMBER STANDAR Untuk mendefinisikan satuan photometrik, suatu sumber standar dari radiasi EM digunkan untuk mewakili gabungan dari daya dan khomatik. Sumber standar terdiri atas segelas kimia platinum leleh pada suhu 2046 Kelvin seperti yang digambarkan pada gambar 6.6.
Gambar 6.6 Gambar yang sangat sederhana berikut menunjukkan fitur-fitur penting yang dimiliki suatu sumber standar yang dipergunakan untuk mendefinisikan satuan luminous ( keterangan )
INTENSITAS KETERANGAN SI mendefinisikan satuan dari intensitas keterangan dengan satuan candela ( cd ). Suatu sumber standar dikatakan mengemisikan 1 candela dari suatu daerah seluas seperenambelas cm persegi dari permukaannya. Satuan ini menunjukkan jumlah besar radiasi yang diberikan oada segala arah dengan semua panjang gelombang dari bagian permukaan tersebut. Seringkali, sumber diterangkan dengan penerangan, Luminance, ( L ) yang menyatakan besar pengukuran lainnya dari intensitas keterangan yang tidak menunjukkan pada suatu satuan luas tertentu. Oleh karena itu, suatu sumber standar mempunyai luminance sebesar 60 cd/cm2, dengan satuan pengukuran dalam cd/cm2. FLUX KETERANGAN Jumlah radiasi EM yang melalui suatu daerah perdetik relatif terhadap suatu sumber standar didefinisikan sebagai flux keterangan ( luminous flux ). Satuan pengukuran disebut lumen (lm) yang didefinisikan sebagai suatu sumber yang memancarkan 1 cd ke sudut ruang sebesar 1 steradian ( 1 lumen = 1 cd/sr ). Sementara sudut ruang diberikan sebagai ratio dari luas permukaan bola dengan besar radiusnya. Satuan SI sudut ruang adalah steradian (sr) yang didefinisikan sebeasar 4П sr untuk seluruh permukaan bola. Al ini diperoleh sebelumnya bahwa bola dengan jari-jari R memiliki luas permukaan sebesar 4 ПR2 sehingga Sudut ruang bola : Luas / R2 = 4 ПR2 / R2 = 4П sr gambar 6.7 menjelaskan dengan jelas bahwa suatu daerah dengan luas A pada bola dengan jari-jari R. Sudut ruang yang dibentuk, Ω, diberikan oleh Ω = A / R2 Pada kasus ini, 1 sr diberikan saat luas permukaan pada persamaan 6-7 sama dengan R2 Sehingga sekarang luminous flux dapat didefinisikan sebagai Φ=I/Ω (6-8)
94
Gambar 6.7. Sudut ruang didefinisikan sebagai perbandingan dari area yang dimaksud pada bola dengan jari-jari kuadrat.
PENERANGAN ( ILLUMINATION ) Besaran ini dinyatakan dengan satuan lux (lm) yaitu sebesar 1 lumen permeter kuadrat (lm/m2). E= Φ/A (6-9) Dimana Φ = Luminous flux (lm) A = Luas daerah (m2) E = illumnasi (lm/m2) HUBUNGAN DENGAN LINGKUNGAN. Untuk meningkatkan pemahaman dari besaran-besaran tersebut , tabel 6.1 menunjukkan daftar beberapa karakteristik dari lampu pijar maupun lampu flouresen beserta satuannya. Tabel 6.2 menunjukkan bahwa illuminais dihasilkan oleh beberapa sumber yang familiar dengan lingkungan kita. Tabel 6.1 Karakteristik Lampu Tipe dan ukuran Lampu ( input watt listrik ) Pijar, 10 W Pijar, 40 W Pijar, 60 W Pijar, 200 W Flouresen, 8 W Flouresen, 40 W Flouresen, 100 W
Luminous Flux (Lumens) 78 465 835 3650 490 232. 4400
6.3
Effikasi (Lumens/Watt) 7.8 11.7 13.9 18.3 35.0 58.0 44.0
PHOTODETEKTOR Bagian penting dari suatu aplikasi sinar mengenai instrumentasi adalah bagaimana mengukur atau mendeteksi radiasi. Pada bagian ini akan dipelajari tipetipe photodetektor dengan penjelasan mengenai operasi dan cara kerjanya.
95
6.3.1
Karakteristik Photodetektor Beberapa karakteristik dari photodetektor memiliki peran penting pada aplikasi alat ini. Pad pembicaraan lebih kanjut, beragam tipe detektor dijelaskan berdasarkan karakteristiknya seperti berikut Tabel 6.2 Illuminasi dari Sumber Cahaya Tipe Cahaya Cahaya matahari langsung Cahaya siang dalam ruangan Cahaya minimum untuk membaca Bulan penuh Langit malam yang cerah
Illumniasi (lm/m2) 105 103 102 0.2 10-4
RESPON SPREKTUM Sebagian besar detektor dapat bekerja pada daerah diatas panjang gelombang radiasi yang menujukkan respon sprektum dari alat tersebut. Pada kasus yang umum, respon yang diberikan berupa grafik datar dengan beberapa deviasi yang diperbolehkan diantara band radiasi .
6.3.2
Photokonduktif Detektor Salah satu hal yang umum dari photodetektor didasarkan pada perubahan konduktifitas dari bahan semikonduktor dengan intensitas radiasi. Perubahan konduktifitas tampak sebagai perubahan tahanan sehingga alat-alat ini disebut juga sebagai sel photoresitif. Karena tahanan manjadi parameter yang digunakan tranducer, kita menjelaskan alat ini dari sudut pandang perubahan tahanan akibat intensitas cahaya. Prinsip Seiring dengan meningkatnya jumlah elektron tereksitasi ke pita konduksi, tahanan semikonduktor akan menurun, membuat tahanan turun sebagai fungsi invers dari intensitas radiasi. Photon supaya mampu mengeksitasi harus menyediakan energi paling tidak sebesar gap energi. Persamaan 6-3 menunjukkan panjang gelombanng maksimum Ep = hc / λmax = ∆ Wg (6-10) λmax = hc / ∆ Wg Dimana : h : konstanta planck 6,63 x 10-34 (J/S) ∆ Wg : selang energi semikonduktor (J) λmax = Panjang gelombang yang dapat terdeteksi (m)
Perhatikan bahwa radiasi dengan panjang gelombang lebih besar dari yang diprediksikan dengan persamaan 6-10 tidak dapat menyebabkan perubahan tahanan di semikonduktor. Perhatikan bahwa operasi thermistor melibatkan energi thermal sebagai elektron yang pindah ke pita konduksi. Untuk mencegah photodetektor menunjukkan efek thermal yang sama, diperlukan untuk mengopersikan alat ini pada temperatur yang diatur atau untuk membuat gap energi terlalu besar pada efek thermal untuk menghasilkan elektron terkonduksi. Kedua pendekatan ini digunakan pada
96
prakteknya. Batas atas dari respon sprektral sel ditentukan oleh berbagai faktor lain, seperti pantulan dan tranparansi pada panjang gelombang tertentu. STRUKTUR SEL Dua bahan umum semikonduktor photokonduktif adalah cadmium sulfid (CdS) dengan band gap 2,42 eV dan Cadmium Selenide ( CdSe ) dengan gap 1,74 eV. Karena energi gap ini, kedua bahan mempunyai tahanan yang sangat tinggi pada suhu kamar. Hal ini menyebabkan tahanan yang tinggi pada praktek aplikasi. Untuk mengatasi al ini, konfigurasi khusus digunakan, seperti ditunjukkan di gambar 6.8, yang meminimalkan tahanan secara geometrik yang menyediakan daerah permukaan maksimum bagi detektor. Hasil ini didasarkan pada persamaan yang telah diberikan pada awal (bagian 4.3.1) R = ρl / A
(4-
7) Dimana : R : Tahanan (Ω) ρ : resistifiti (Ω – m) l : panjang (m) A : luas daerah irisan (m2)
a)
Suatu contoh tipis, sempit, dan panjang yang memberikan respon optimum dan tahanan
b) Dengan melipat pola diatas maju mundur kita akan mengumpulkan bahan yang sensitif di udara Gambar 6.8 Struktur Sell Photokonduktif
KARAKTERISTIK SEL Karakteristik dari detektor photokonduktif sangat bervariasi berdasarkan pada perbedaan bahan smikonduktor yang digunakan sebagai elemen aktifnya. Karakteristik –karaktersitik ini disimpulkan untuk nilai - nilai tertentu pada tabel 6.3
97
Tabel 6.3 Karakeristik Photokonduktor Photokonduktor Konstanta Waktu
Sprektum Pita
CdS
~ 100 ms
0.47 – 0.71 µm
CdSe
~ 10 ms
0.6 – 0.77 µm
PbS
~ 400 µs
1 – 3 µm
PbSe
~ 10 µs
1.5 - 4 µm
PENGKONDISI SINYAL Seperti Thermistor, suatu sell photokonduktif mempunyai tahanan yang menurun nonlinier dengan suatu variabel dinamis, pada kasus ini, intensitas radiasi. Berbagai rangkaian penguat menggunakan photokonduktor sebagai elemen rangkaian digunakan untuk merubah perubahan tahanan menjadi perubahan arus atau tegangan.
6.3.3
DETEKTOR PHOTOVOLTAIK Pentingnya kelas photodetektor membangkitkan tegangan yang proporsional dengan intensitas radiasi EM yang datang. Alat- alat ini disebut sel photovoltaik karena karakteristik pembangkitan tegangannya. Photovoltaik merubah energi EM ke energi listrik. PRINSIP rinsip-prinsip operasi dari sel photovolataik dijelaskan dengan baik pada gambar 6.10. Kita melihat bahwa sel sebenarnya adalah dioda raksasa, dibuat menggunakan sambungan pn diantara semikonduktor donor secara tepat. Photon menembus sell melalui lapisan tipis donor atas p dan kemudian diserap oleh elektron pada lapisan n, menimbulkan susunan konduksi elektron dan hole. Potensial daerah deplesi dari sambungan pn kemudian memisahkan konduksi elektron dan hole menyebabkan beda potensial untuk melewati sambungan. Sambungan atas adalah positif dan bawah adalah negatif. Adalah mungkin juga untuk membangun suatu sel dengan sebuah lapisan donor tipis n pada sisi atas sehingga semua polaritas berkebalikan. Secara umum, tegangan rangkaian terbuka V yang diberikan pada sel ini berubah secara logaritmis dengan intensitas radiasi dimana V = Vo ln ( I ) (6-11) Dimana I = intensitas dalam W/m2 Vo = tegangan kalibrasi, konstanta V = tegangan output,yang tidak diisi
KARAKTERISTIK SEL Sifat-sifat dari sel photokonduktif bergantung pada material-material yang dipakai untuk sel serta sifat doping yang dipergunakan untuk memberikan lapisan n dan p. Sejumlah sel hanya dipergunakan pada temperatur rendah untuk menjaga efek thermal dari deteksi radiasi yang tidak dikenal. Sel photovoltaik silikon mungkin yang paling umum dipergunakan. Tabel 6.4 menampilkan sejumlah tipe dari sel dan spesifikasi khususnya.
98
Gambar 6.10 Struktur sel photovoltaik
TABEL 6.4 KARATERISTIK KHUSUS SEL PHOTOVOLTAIK Material Sel Konstanta Waktu Pita Spektral Silikon (Si) 0,44 µm hingga 1 µm ∼ 20 µs Selenium (Se) 0,3 µm hingga 0,62 µm ∼ 2 ms Germanium (Ge) 0,79 µm hingga 1,8 µm ∼ 50 µs Indium Arsenide (InAs) 1,5 µm hingga 3,6 µm (dingin) ∼ 1 µs Indium Antimonide (InSb) 2,3 µm hingga 7 µm (dingin) ∼ 10 µs PENGKONDISIAN SINYAL Secara umum, pengkondisian sinyal bergantung pada aplikasi dimana sel dipergunakan. Konfigurasi sederhana dari Op-amp memberikan ukuran dari tegangan rangkaian terbuka (open-circuit) ataupun arus pada impedansi beban dengan harga tertentu.
6.3.4
Detektor Photodioda
Sambungan pn dari suatu dioda sangat sensitif terhadap radiasi EM yang mungkin merusak sambungan. Senistivitasnya biasanya berupa suatu perubahan karakteristik I – V dari sambungan sebagai akibat dari perubahan dalam arus. Dioda khusus yang dipergunakan sebagai photodetektor memiliki sambungan yang dapat menerima gelombang radiasi EM yang datang. Umumnya, sambungan tersebut sangat kecil sehingga membutuhkan penggunaan lensa untuk memfokuskan radiasi pada sambungan. Keuntungan yang paling utama dari detektor tersebut adalah respon waktunya yang sangat cepat. Sebagian besar photodioda memiliki konstanta waktu mendekati 1µs, namun satuan yang umum dengan konstanta waktu adalah kurang dari 1 ns. Piranti tersebut dipergunakan dalam aplikasi pengukuran dengan kecepatan tinggi atau pada komunikasi. Dioda yang paling umum adalah silikon, yang mempergunakan panjang gelombang radiasi antara 0,82 µm dengan 1,1 µm, serta germanium, pada panjang gelombang radiasi antara 1,4 µm dengan 1,9µm. Pengkondisian sinyal biasanya melibatkan rangkaian dioda standar dimana radiasi yang datang akan mengakibatkan pergeseran dalam titik operasi dioda.
6.3.5
Detektor Photoemissive
99
GAMBAR 6.11 Struktur dasar dari dioda photoemissive
Untuk memahami mekanisme dasar operasi dari piranti photoemissive adalah dengan memahami dua elemen phototube vakum yang diperlihatkan pada Gambar 6.11. Dalam Gambar 6.11, katoda dihubungkan pada suatu tegangan negatif terhadap kabel anoda yang di-ground-kan melalui resistor R. Permukaan dalam dari katoda telah dilapisi dengan agen photoemissive. Bahan ini adalah suatu metal dimana elektron-elektron dapat dengan mudah dilepaskan dari permukaan metal. Mudah dalam hal ini berarti tidak memerlukan banyak energi untuk menyebabkan sebuah elektron meninggalkan material. Secara khusus, sebuah photon akan menumbuk permukaan dan memberikan sejumlah energi yang cukup pada sebuah elektron untuk terlempar dari lapisan tersebut. Elektron kemudian akan digerakkan dari katoda ke anoda dan kemudian melalui resistor R. Jadi, diperoleh sebuah arus yang bergantung pada intensitas dari cahaya yang mengenai katoda. TABUNG PHOTOMULTIPLIER Dioda sederhana yang dideskripsikan di atas adalah dasar dari salah satu photodetektor yang paling sensitif yang ada, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.12a. Seperti hal di atas, sebuah katoda dihubungkan dengan suatu tegangan negatif yang cukup besar dan dilapisi dengan bahan photoemissive. Akan tetapi dalam hal ini terdapat beberapa elektroda, disebut dynode, yang diberi tegangan yang lebih positif. Elektroda terakhir adalah anodayang di-groundk-kan melalui resistor R. Sebuah photoelektron dari katoda mengenai dynode pertama dengan energi yang cukup untuk melepas elektron-elektron. Semua elektron tersebut dipercepat menuju ke dynode kedua dimana masing-masing mengenai permukaan dengan energi yang cukup untuk melepas lagi sejumlah elektron. Proses tersebut berulang untuk pada masing-masing dynode hingga elektron-elektronyang mencapai anoda memiliki jumlah yang berlipat, dimana mereka menghasilkan suatu arus melalui R. Oleh karena itu, , multiplier (tidak seperti transduser lainnya) memiliki penguatan berhubungan dengan pendeteksiannya. Suatu photon tunggal yang mengenai katoda akan menghasilkan jutaan elektron pada anoda! Hal ini efek yang ditimbulkan oleh photomultiplier dalam hal sensitivitas. Beberapa desain susunan elektroda memanfaatkan prinsip yang sama dengan operasi yang diperlihaatkan pada Gambar 6.12a.
100
(a) Struktur dasar dari tabung photomultiplier
(b) Pembagi tegangan yang dipergunakan untuk potensial dynode GAMBAR 6.12 Tabung photomultipler
SPESIFIKASI Spesifikasi dari tabung multiplier bergantung pada beberapa hal: 1. Jumlah dari dynode dan bahan dimana mereka dirancang untuk menentukan amplifikasi atau penguatan arus. 2. Respon spektral ditentukan oleh dua faktor.
6.4
PYROMETRY
Salah satu aplikasi yang paling penting dari transduser optoelektronik adalah dalam pengukuran temperatur tanpa kontak. Pengertian awal dari pyrometry pada saat ini telah mencakup sejumlah metode dari pengukuran temperatur yang menghubungkan radiasi EM. Metode tersebut bergantung pada hubungan langsung antara temperatur objek dan radiasi EM yang dipancarkan.
6.4.1
Radiasi Thermal
Semua objek yang memiliki temperatur tertentu secara mutlak mengemisikan radiasi EM. Telah diketahui bahwa radiasi EM dihasilkan oleh percepatan dari
101
muatan listrik. Kita juga telah mengetahui bahwa penambahan energi thermal pada suatu objek akan menghasilkan gerak getar dari molekul objek. Penggabungan sederhana dari konsep tersebut, dipasangkan dengan fakta bahwa molekul terdiri dari muatan-muatan listrik, mengarah pada kesimpulan bahwa objek dengan energi thermal tertentu mengemisikan radiasi EM oleh karena pergerakan muatan. RADIASI BENDA HITAM Untuk menjelaskan deskripsi kuantitas dari radiasi thermal, pertama-tama perlu mempertimbangkan suatu objek ideal. Suatu objek yang menyerap semua radiasi yang mengenainya tanpa mempertimbangkan panjang gelombang, ini disebut sebagai penyerap sempurna. Dan objek tersebut juga memancarkan radiasi tanpa memperhatikan hal khusus dari panjang gelombang, dan hal ini dinamakan sebagai pemancar sempurna.
GAMBAR 6.13 Idealisasi dari radiasi EM yang dipancarkan oleh benda hitam yang sempurna ebagai fungsi dari temperatur Dengan menganggap objek ideal tersebut ditempatkan pada keseimbangan thermal, sehingga temperaturnya dapat dikendalikan. Dalam Gambar 6.13, radiasi EM terpancar dari objek ideal diplot untuk menunjukkan kandungan spektral dan intensitas dari radiasi untuk beberapa temperatur. Absis merupakan panjang gelombang radiasim dan sumbu ordinat menyatakan energi yang dipancarkan tiap detik (daya yang didisipasikan) per satuan luas pada panjang gelombang tertentu. Perlu dicatat bahwa daerah dibawah kurva mengindikasikan jumlah energi total per detik (daya yang didisipasikan) per satuan luas yang dipancarkan oleh objek. Sejumlah kurva diperlihatkan pada plot untuk temperatur yang berbeda. Dapat dilihat bahwa pada temperatur rendah, radiasi yang dipancarkan lebih dominan dalam daerah panjang gelombang yang panjang (inframerah jauh hingga gelombang mikro). Seiring dengan meningkatnya temperaturm radiasi maksimum yang dipancarkan adalah dalam bentuk panjang gelombang yang lebih pendek. Dan selanjutnya, pada temperatur yang sangat tinggi, radiasi maksimum yang dipancarkan mendekati pita tampak. Hal ini karena pergeseran puncak emisi pada temperatur dimana objek mulai berpendar pada saat temperaturnya ditingkatkan. Kemudian kita dapat melihat bahwa
102
untuk benda hitam, radiasi yang dipancarkan dan temperatur merupakan salah satu hubungan timbal balik yang dapat dinyatakan sebagai berikut : 1. Radiasi Total. adalah total energi radiasi yang dipancarkan tiap detik untuk semua panjang gelombang meningkat sebanding dengan pangkat empat dari temperatur, atau E ∝T4
. . . (6-12)
dimana E =
emisi radiasi, dalam J/s per satuan luas atau W/m2
T =
temperatur objek (K)
2. Radiasi Monokromatik. Hal ini juga jelas dari Gambar 6.13 dimana energi radiasi yang dipancarkan pada panjang gelombang tertentu meningkat sebagai fungsi temperatur. APROKSIMASI BENDA HITAM Hampir semua benda menyerap dan memancarkan radiasi pada panjang gelombang yang bersesuaian, memberikan peningkatan warna.. Akan tetapi, objekobjek tersebut tidak dapat menampilkan kurva energi radiasi terhadap panjang gelombang seperti halnya benda hitam yang ideal. Faktor koreksi digunakan untuk menghubungkan kurva radiasi dari objek yang sebenarnya dengan sebuah benda hitam yang ideal untuk tujuan kalibrasi, sebuah benda hitam memiliki konstruksi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.14. Dalam gambar tersebut, radiasi dipancarkan dari lubang kecil di dalam selubung logam mendekati benda hitam yang ideal.
6.4.2
Pyrometer Pita Lebar
Salah satu tipe sisem pengukuran yang berdasar pada radiasi EM yang dipancarkan menggunakan hubungan eksponensial antara energi radiasi total yang terpancar dengan temperatur yang diberikan.. Suatu sistem yang merespon energi dapat begitu saja mengukur temperatur dari objek. Gambar 6.14 memperlihatkan bahwa hampir semua energi terdapat dalam radiasi pita tampak dan IR. Kumpulan dari energi radiasi dalam pita-pita tersebut memberikan pendekatan yang baik terhadap energi total yang diradiasikan.
GAMBAR 6.14 Radiasi EM yang diemisikan oleh lubang kecil di dalam logam berbentuk ½ lingkaran dengan rongga yang disimulasikan sebagai benda hitam pada saat temperatur T
103
RADIASI TOTAL PYROMETER Gambar 6.15. memperlihatkan radiasi dari suatu objek dikumpulkan oleh cermin lengkung S dan difokuskan pada detektor pita lebar D. Sinyal dari detektor ini kemudian menjadi tanda dari intensitas radiasi yang datang yang menunjukkan temperatur objek. Di dalam piranti tersebut detektor merupakan deretan dari thermokopel mikro yang ditambahkan untuk membuat gelap piringan (disc) platinum. Radiasi diserap oleh piringan yang akan memanaskan termokopel dan akan menghasilkan emf. Keuntungan dari detektor tersebut adalah dapat merespon radiasi tampak dan IR tanpa memperhatikan panjang gelombang.
GAMBAR 6.15 Radiasi total pyrometer untuk menentukan temperatur objek oleh radiasi input dari semua panjang gelombang yang dipancarkan oleh objek
6.4.3
Pyrometer Pita Sempit (edit sampai disini 10-11-03) Kelas lain dari pyrometer tergantung dari variasi dalam pancaran energi radiasi monokromatik dengan temperatur. Piranti ini sering dinamakan sebagai pyrometer optis karena mereka biasa melibatkan panjang gelombang hanya pada bagian gelombang tampak dari spektrum. Kita mengetahui bahwa intensitas pada beberapa panjang gelombang tertentu adalah sebanding dengan temperatur. Apabila intensitas dari satu objek cocok dengan yang lain, maka temperaturnya adalah sama. Dalam pyrometer optis, intensitas dari filamen platinum yang dipanaskan akan berubah-ubah hingga menjadi cocok dengan objek yang akan ditentukan temperaturnya. Karena sekarang temperaturnya sama dan temperatur filamen dikalibrasikan terhadap seuatu setting panas, temperatur dari suatu objek dapat ditentukan.
GAMBAR 6.16 Suatu pyrometer optis yang cocok dengan intensitas dari objek yang dipanaskan, filamen yang dikalibrasikan, biasanya sebagai panjang gelombang dalam merah
104
Gambar 6.16 memperlihatkan sistem khusus untuk implementasi dari suatu pyrometer optis. Dalam gambar tersebut, sistem difokuskan pada objek yang akan diukur temperaturnya, dimana pem-filter-an dilakukan hanya pada panjang gelombang yang diinginkan, yang biasanya adalah merah. Pengamat juga melihat filamen platinum yang ditumpangkan pada citra dari objek. Pada pemanasan rendah filamen akan terlihat gelap terhadap latar belakang objek, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.17a. pada saat filamen dipanaskan, akan muncul sebagai filamen yang terang terhadap latar belakang objek, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.17c. Di suatu tempat dintara nya adalah titik pada saat kecerahan dari filamen dan objek yang diukur adalah cocok. Pada setting inim filamen tidak muncul dengan pembandingan latar belakang objek, dan temperatur objek dapat dibaca dari penghubung filamen pemanas.
(a) Filamen dipanaskan terlalu rendah
(b) Panas filamen di-set tepat
GAMBAR 6.17 optis.
(c) Panas filamen terlalu tinggi Contoh dari penampakan filamen selama pengesetan pyrometer
Jangkauan dari piranti pyrometer optis ditentukanditentukan dalam bagian akhir pada titik dimana objek menjadi cahaya tampak dalam merah ( ~500 K) dan secara jelas dibatasi oleh titik leleh dari platinum pada batas akhir (~3000 K). Akurasi adalah tipikal pada ±5 K hingga ±10K yang merupakan fungsi dari operator kesalahan (error) dalam penyesuaian intensitas dan koreksi emisivitas untuk objek. Piranti tersebut tidak mudah diadaptasikan untuk mengontrol proses, karena mereka membutuhkan perbandingan optis yang teliti., biasanya oleh operator manusia. Aplikasi-aplikasinya lebih menonjol dalam pengukuran spot dimana monitoring secara konstan atau kontrol temperatur tidak diperlukan.
6.5
SUMBER OPTIS Satu pembatasan dalam aplikasi dari piranti radiasi EM untuk proses kontrol telah kekurangcocokan karakteristik dari sumber optis yang tersedia. Seringkali sistem lensa ssejajar yang kompleks sangat dibutuhkan, disipasi panas mungkin berlebihan, karakteristik panjang gelombang mungkin tidak diinginkan, atau mungkin sejumlah masalah lain akan muncul. Pengembangan sumber yan 105
disandarkan pada penguatan cahaya oleh rangsangan emisi dari radiasi (LASER Light Ampification by Stimulated Emission of Radiation) telah memberikan sumber radiasi EM yang memiliki karakteristik yang bagus untuk aplikasi untuk pengukuran proses kontrol/ Dalam bagian ini, akan dibahas karakteristik-karakteristik umum dari sumber konvensional dan sumber cahaya laser beserta aplikasinya untuk masalah pengukuran. Diskusi kita dibatasi untuk sumber dari pita gelombang tampak atau IR, meskipun perlu diketahui bahwa banyak aplikasi berada dalam daerah diluar spektrum radiasi EM.
6.5.1
Sumber Cahaya Konvensional Sebelum pengembangan dari laser. Dua tipe primer dari sumber cahaya telah dipergunakan. Keduanya secara mendasar tedistribusi karena radiasi muncul dari suatu sumber yang secara fisik terdistribusi. Keduanya juga divergen, inkoheren, dan seringkali tidak monokromatik. SUMBER LAMPU PIJAR Sumber cahaya yang umum didasarkan pada prinsip dari radiasi thermal yang dibahas pada Bagian 6.4. Yaitu dimana jika kawat pembawa arus sangat baik dipanaskan pada temperatur yang sangat tinggi oleh rugi-rugi I2R, maka akan benarbenar memancarkan radiasi EM dalam pita tampak. Lampu standar merupakan contoh dari sumber tipe ini sebagai lampu senter, lampu besar pada mobil, danlain sebagainya. Karena cahaya terdistribusi dalam spektrum panjang gelombang yang cukup luas (Gambar 6.13), maka cahaya tersebut tidaklah monokromatik. Cahaya semacam itu sebenarnya dihasilkan dari vibrasi molekular yang diinduksi oleh panas, dan cahaya dari satu bagian dari kawat tidak berkaitan dengan cahaya dari bagian lain. Dari penjelasan tersebut dapat kita lihat bahwa cahaya tidak koheren. Sifat divergen dari cahaya menjadi pengamatan dimana tidak ada arah dari emisi yang istimewa. Sebenarnya, penggunaan dari lensa dan cermin untuk mengubah cahaya berkas sejajar sangatlah familiar bagi setiap orang yang menggunakan senter. Perlu dicatat bahwa suatu fraksi besar dari radiasi yang diemisikan terletak di dalam spektrum IR, yang lebih memperlihatkan rugi-rugi panas radiasi daripada pencahayaan efektif. Sebenarnya, untuk jangkauan yang cukup besar, kenaikan temperatur dari bola lampu kaca dari lampu pijar diakibatkan oleh penyerapan oleh kaca terhadap radiasi IR yang dipancarkan oleh filamen. Dari sini dapat kita lihat bahwa suatu sumber lampu pijar adalah polykromatik, divergen, inkoheren, dan ineffisien untuk produksi cahaya tampak. Akan tetapi sebelumnya, sumber ini telah dipekerjakan untuk pencahayaan untuk beberapa tahun lamanya. Oleh karena itu, sumber ini cukup pantas, akan tetapi untuk penggunaan sebagai transduser pengukuran dengan pembatasan di atas sangat tidak dianjurkan. FLUORESENCE Setiap materi menunjukkan karakteristik yang unik pada deeksitasi elektronnya. Karakteristik transisi berlangsung secara normal kira-kira 10-8 detik. Pada beberapa kasus waktu transisi memakan waktu beberapa jam atau hari. Level tersebut dinamakan “long lived state” dan terlihat pada benda yang bersinar di kegelapan mengikuti cahaya sumber, yang biasa terjadi pada pengukuran eksitasinya yaitu dengan memberi cahaya atau diberikan elektron pada benda “long lived state”, karena waktu transisi terjadi sampai beberapa menit benda akan terus mengemisikan
106
cahaya pada ruang gelap hingga keadaan semula, benda-benda tersebut digunakan sebagai bahan dasar dari laser.
Gambar 6.18 Penggambaran skematik transisi elektron pada suatu atom
Gambar 6.19 diagram level energi
6.6
APLIKASI Beberapa aplikasi dari teknik optical transduction dalam proses kontrol akan dibahas. Tujuannya untuk menunjukkan sifat dasar yang khas dari beberapa aplikasi dan tidak mendesain secara detail. Pyrometry untuk pengukuran suhu telah dibahas dan tidak dipertimbangkan dalam contoh ini. 6.6.1 Label Inspection Dalam proses manufaktur, sejumlah besar item diproduksi dalam batch, berjalan bilamana proses otomatisasi menyertakan label untuk item-item tersebut. Ada beberapa item yang tidak memiliki label (labelnya hilang), atau label tidak ditempelkan secara benar. Sistem dari gambar 6.22 menguji keberadaan dan batasbatas penempelan label pada kotak yang bergerak pada sistem sabuk conveyer. Jika label hilang atau ditempelkan tidak pada tempatnya, sinyal photodetector menampilkan kesalahan dalam bentuk sinar yang direfleksikan dari sumber dan selenoid menyingkirkan item yang tidak diterima dari conveyer. Detector pada kasus ini dapat menjadi Cds cell dan sumbernya juga memfokuskan pada lampu atau laser He-Ne kecil. Detector sistem A mendeteksi keberadaan box dan mengawali pengukuran dengan detektor B dan C. jika sinyal diterima oleh detektor B dan C adalah sama pada preset level, label adalah benar dan box bergerak pada conveyer. Dalam kejadian lain penempatan tidak sejajar atau diindikasikan label hilang dan box ditolak pada reject conveyer. 6.6.2 Turbidity Dimungkinkan juga untuk mengukur turbidity dari benda cair dalam proses in line, yaitu tanpa kebutuhan utuk mengambil sampel periodik dengan metode yang sama pada gambar 6.24. pada kasus ini, sinar laser terpecah dan lewat melalui dua sampel untuk photodetector yang cocok. Satu sampel adalah standar yang dipilih dari turbidity yang diijinkan. Sampel lain adalah sampel in line dari proses liquidnya
107
sendiri. Jika sampel in line melemahkan cahaya lebih dari standar, sistem pengkondisi sinyal memicu alarm dan mengambil tindakan untuk merubah turbidity.
6.6.3 Ranging Perkembangan dari photodetector laser telah memperkenalkan beberapa metode pengukuran jarak dan titik tempuh dari obyek dengan cara non contact. Jarak dapat diukur dengan mengukur waktu cahaya dari pulsa cahaya yang dipantulkan dari obyek yang jauh. Karena kecepatan cahaya konstan, kita menggunakan persamaan sederhana untuk menemukan jarak dengan waktu cahaya T diketahui. Sehingga jarak adalah
D = cT/2 Dimana D = jarak obyek (m) C = kecepatan cahaya (m/s) T = waktu yang ditempuh cahaya (s) metode ranging ini dapat digunakan untuk pengukuran jarak yang lebih dekat dibatasi dengan kemampuan pengukuran waktu dan kemampuan deteksi dari sinyal yang terefleksi, untuk jarak yang lebih jauh instrumen pengukuran dikenbangkan melalui metode ini. Kecepatan atau rata-rata pergerakan benda bergerak dapat diukur dengan menggunakan sistem komputasi elelktronik yang mencatat perubahan waktu tempuh pulsa dan menghitung kecepatan. Metode inferometric yang digunakan pada radar Dopler dicakup dalam bahasan ini.
Gambar 6.22 Inspeksi label dengan menggunakan optical technique
108
Gambar 6.23 salah satu rangkaian untuk mengimplementasikan dari contoh 6.12
Gambar 6.24 Pengukuran turbidity yang dapat dibuat dengan sistem optic
109
