Telemetri dan Pengaturan Remote
Karakteristik Dasar Sensor
Ir. Jos Pramudijanto, M.Eng. Jurusan Teknik Elektro FTI ITS Telp. 5947302 Fax.5931237 Email:
[email protected] Tele & Remote - 02
1
Objektif: Karakteristik Dasar Spesifikasi Statis Akurasi Sensifitas Resolusi Hysterisis Repeatability Linieritas
Spesifikasi Dinamis Tele & Remote - 02
2
Karakteristik Dasar Karakteristik yang digunakan untuk mengetahui performansi suatu sensor jika digunakan untuk pengukuran. Performansi suatu sensor dinyatakan dengan Spesifikasi Statis dan Spesifikasi Dinamis
Tele & Remote - 02
3
Spesifikasi Statik Sensor Spesifikasi statik sensor menyatakan seberapa baik korelasi antara input fisik dan output listrik Input fisik menyatakan besaran fisik yang diukur; diantaranya, posisi, kecepatan, level, flow, temperatur, tekanan, dll. Output listrik menyatakan besaran variabel listrik dapat berupa tegangan, arus, resistansi, induktansi, dan kapasitansi. Tele & Remote - 02
4
Spesifikasi Statik (1) Akurasi digunakan untuk menentukan eror
maksimum yang diharapkan dari suatu sensor (dalam % eror) Bentuk : Prosentase dari pembacaan skala maksimum (FS)
FS instrumen 5 Volt dengan akurasi + 0,5% Volt rata-rata ketakpastian pengukuran + 0,025 Volt
Prosentase dari span (maks – min)
Akurasi + 3% dari span tekanan dengan range 20 s/d 50 psi inakurasinya + 0,03(30 psi) = + 0,9 psi
Prosentase dari pembacaan aktual
Akurasi Voltmeter + 3% inakurasinya + 0,06 Volt untuk pembacaan 2 Volt
Tele & Remote - 02
5
Spesifikasi Statik (2) Sensitifitas perubahan input yang kecil, sensor
dapat memberikan output (ditunjukkan oleh fungsi alih dari sensor) Fungsi alih dari sensor temperatur 5mV/0C setiap perubahan input sebesar 10C menyebabkan output berubah sebesar 5mV.
Resolusi perubahan input terkecil yang
menyebabkan terjadinya perubahan pada output.
Tele & Remote - 02
6
Spesifikasi Statik (3) Hysterisis sensor memberikan nilai output yang berbeda
untuk pengukuran variabel input dari rendah ke tinggi atau dari tinggi ke rendah. Kurva Tegangan Output Load Cell
Output (mV)
25 20 15
Output 1
10
Output 2
5 0 0
20
40
60
80
100
Beban (kg) Tele & Remote - 02
7
Spesifikasi Statik (4) Repeatability (Precision) digunakan untuk
mengukur seberapa baik sensor dapat memberikan output yang sama terhadap suatu input yang diberikan secara berulang-ulang.
max − min repeatability = ×100% full scale
Tele & Remote - 02
8
Akurasi versus Repeatability No.
A
B
C
1
10,02
11,50
10,00
2
10,96
11,53
10,03
3
11,20
11,52
10,02
4
9,39
11,47
9,93
5
10,50
11,42
9,92
6
10,94
11,51
10,01
7
9,02
11,58
10,08
8
9,47
11,50
10,00
9
10,08
11,43
9,97
10
9,32
11,48
9,98
Minimum Rata-rata Maksimum Tele & Remote - 02
9
Bias, Precision, and Total Error Total Error Bias Error
Precision Error X True
X measured
Tele & Remote - 02
11
Types of Errors (1) Perbedaan antara hasil pengukuran dan nilai sebenarnya. Error biasanya dinyatakan dengan prosentase skala penuh (%FSO). Rasio ini menunjukkan keakurasian dari sebuah sensor. Intrinsic, absolute, and relative error Intrinsic Error adalah error yang memang sudah terdapat pada sensor; Absolute Error adalah perbedaan antara nilai sebenarnya dibagi dengan nilai yang diperoleh dari hasil pengukuran; Relative Error adalah perbandingan antara error absolut dengan nilai sebenarnya.
Tele & Remote - 02
12
Types of Errors (2) Random error ini muncul jika dilakukan pengukuran secara berulangkali untuk pengambilan data yang sama. Error ini disebabkan oleh friksi, suara, tegangan statik dan sebab lain. Sistematic and Sensor error Sistematic Error biasanya konstan karena dipengaruhi oleh arus, effek zero dan ketidak linieran; Sensor Error adalah error yang didapatkan dari error yang terdapat pada sensor.
Tele & Remote - 02
13
Spesifikasi Statik (5) Linieritas pemetaan satu-satu antara input-output
sebagai fungsi linier. Secara umum ada tiga bentuk penyajian linieritas: Endpoint Linearity (linieritas awal-akhir); Independent straight-line linearity (linieritas garis lurus); Least-squares linearity (linieritas regresi).
Tele & Remote - 02
14
Gambar beberapa Bentuk Linieritas Kurva Tegangan Load Cell 25
20
Output (mV)
15
Naik Turun EndPoint Lin. Least SQR
10
5
0 0
20
40
60
80
100
-5 Beban (kg)
Tele & Remote - 02
15
Least-square Linearity Least-squares linearity (linieritas regresi) secara
umum dapat dituliskan sebagai berikut:
y = mx + b di mana :
nΣ( xy ) − ΣxΣy m= nΣ( x 2 ) − (Σx) 2 Σy Σx b= −m n n
y = output x = input m = kemiringan (slope) b = konstanta (intercept) n = jumlah data pengamatan
Tele & Remote - 02
16
Contoh: Least-square Linearity Contoh: Suatu sensor tekanan mengubah tekanan dalam range 0 – 450 psi ke dalam tegangan 0 – 8 Volt DC. Dapatkan persamaan linier dari tegangan terhadap tekanan.
Tele & Remote - 02
No.
psi
Volt
1
0,0
0
2
50,2
0,6
3
99,9
1,8
4
150,1
3
5
200,1
3,5
6
250,1
4,8
7
299,8
6
8
350,1
6,4
9
401,0
7,5
17
Spesifikasi Dinamis Spesifikasi yang menyatakan seberapa cepat perubahan output (respon) yang terjadi terhadap perubahan input. Respon bergantung pada: tipe input kondisi awal (initial conditions) karakteristik sistem
Tele & Remote - 02
18
Respon Sensor Pengukuran respon sensor terhadap pemberian input : step, ramp, dan impuls Respon transien: rise time, delay time, time constant, % overshoot, settling time Respon dari steady state sampai tak hingga: percent error
steady state
sinus frequency response, high-frequency cutoff
Tele & Remote - 02
19
Type of Input
x0
Time, t
X =0 t<0 X = X0 t > 0
Impulse
slope = a
Time, t
X =0 X = at
t<0 t>0
Tele & Remote - 02
Input, x(t)
Ramp
Input, x(t)
Input, x(t)
Step
t0
Time, t
δ (t − t0 ) = 0 t ≠ t 0 δ (t − t0 ) = ∞ t = t 0
20
Transfer Function dy a1 + a0 y (t ) = b0 x(t ) dt Y ( s )(τ s + 1) = KX ( s )
⇒
dy τ + y = Kx (t ) dt τ = a1 a K=
Y (s) K TF = = X (s) 1 + τ s
Tele & Remote - 02
b0
→ time constant 0
a0
→ static gain (sensitivity)
21
Process Element Characteristic (1) Gain Perubahan input menyebabkan perubahan output secara cepat. Sensor temperatur mempunyai gain dalam unit (besaran) yang tetap, jika:
temperatur 10oC tegangan output 20 mVolt temperatur 20oC tegangan output 40 mVolt
mVolt TF = o C Tele & Remote - 02
22
Process Element Characteristic (2) Integral
Laju perubahan output bergantung secara v langsung pada inputnya i
dvo = Kvi ⇒ v 0 (t ) = K ∫ vi dt dt
A t vo
t0
∞
0
t0
v 0 (t ) = K ∫ A dt + K ∫ 0 dt
KAt0
t0
Tele & Remote - 02
t
23
Process Element Characteristic (3) First-order Self-regulating, jika diberikan input step maka outputnya akan muncul secara eksponensial hingga kestabilan (level) yang baru tercapai fi
h
input
C
R
fo
Tele & Remote - 02
K 1+τ s
output
τ = RC
24
Response of a first-order systems to Step and Ramp input input fi
t output 0.632
K x fi
1τ 2τ 3τ 4τ 5τ
t
y(t) = Kτ e −
Tele & Remote - 02
t
τ
transient
+ K( t − τ ) steady state
25
Process Element Characteristic (4) Dead tim e Perubahan pada input tidak menyebabkan perubahan output hingga waktu delay (dead) terlampaui Biasanya merupakan delay transportasi (ada jarak yang harus dilampaui). Proses di industri banyak berupa dead time dan first-order. Jika diberikan input step pada proses maka output berubah setelah waktu delay terlampaui lalu muncul secara eksponensial.
Tele & Remote - 02
26
Process Element Characteristic (5) Second-order ω n2 Y (s) = 2 X (s) s + 2ζω n s + ω n2
ω n : natural frequency ζ : damping ratio
dua akar karakteristik real berbeda real sama kompleks konjugat
s = −ζω n ± ω n ζ 2 − 1
(ζ > 1) ⇒ overdamped
(ζ = 1) ⇒ critically damped
(0 < ζ < 1) ⇒ underdamped
Tele & Remote - 02
27
Specifications of the Transient Response Rise time Time to pass from 10% to 90% of final value
Settling time Time to reach the final value
Delay time Time to reach 50% of final value
Peak time Time required for the response to reach the first peak of the overshoot
Maximum overshoot Max percent overshoot
=
y (t p ) − y (∞) y (∞ )
× 100%
Tele & Remote - 02
28
