PRAKTIKUM SENSOR DAN TRANDUSER

PRAKTIKUM SENSOR DAN TRANDUSER

PRAKTIKUM 3SENSOR KELEMBABANHS15P1.1Tujuan Kegiatan Pembelajaran1. Menguji sensor kelembapan HS15P terhadap indikator perubahan yang ada .2. Menganalisis , memahami serta mendeskripsikan cara kerja dari sensor HS15P.

2.1Dasar Teori2.1.1Sensor KelembabanKelembaban adalah ukuran jumlah uap air di udara, jumlah uap air mempengaruhi proses-proses fisika, kimia dan biologi di alam, oleh karena itu akan mempengaruhi lingkungan. Jikabesarnya kandungan uap air melebihi atau kurang dari kebutuhan yang diperlukan maka akan menimbulkan gangguan atau kerusakan. Saat ini banyak alat ukur kelembaban yang telah dikembangkan,salah satu yang biasa digunakan adalah alat untuk mengukur kelembaban udarayang disebut higrometer. Namun seiring dengan perkembangan kebutuhan akan kecepatan, keakuratan dan ketelitian hasil pengukuran yang lebih tinggi maka diperlukan pengembanganalat ukur baru. Oleh karena itu dikembangkan sensor kelembabandengan kekurangan dan kelebihannya masing-masing. Sensor kelembaban adalah suatu alat ukur yang digunakan untuk membantu dalam proses pengukuran atau pendefinisian yang suatu kelembaban uap air yang terkandung dalam udara. Jenis-jenis sensor kelembaban diantaranya Capacitive Sensors, Electrical conductivity Sensors,Thermal Conductivity Sensors, Optical Hygrometer, dan Oscillating Hygrometer

2.1.2Sensor Kelembaban Capasitive HS15PPrinsip kerjanya adalah dengan memanfaatkan perubahan kapasitif dimana denganadanya perubahan posisi bahan dielektrik diantara kedua keeping, pergeseran posisi salah satukeeping dan luas kepingnya berhadapan langsung, atau dengan perubahan jarak antara kedua keeping. Salah satu contoh sensor kelembaban capasitive adalah sensor Relative Humidity HS-15P.

Gambar 2.1 Penampang Sensor HS15PAplikasi sensor ini dalam bidang industry adalah sebagai system pengendalian suhu dan kelembaban serta untuk mesin pengering kertas. Pada prinsipnya cara kerja sensor ini adalah dengan mendeteksi besarnya kelembaban relatife udara di sekitar sensor tersebut. Sensor HS15P yang mendeteksi kelembaban udaran disekitarnya akan merubah frekuensi osilator dan akan mengirimkan data ke mikrokontroler slave. Dari mikroslave akan dilanjutkan ke mikro master, kemudian selanjutnya mikro ini akan menganalisis data dengan cara membandingkan data yang dikirim dan data masukan. Apabila dalam membandingkan tersebut diatas kelambaban yang ditentukan dibawah atau diatas dari data yang dikirim sensor maka alat akan bekerja untuk menyesuaikan kelembaban menjdi sesuai dengan yang diharapkan.Karakteristik sensor HS15P adalah bekerja pada rating temperature 0 C-50C, bekerjapada rating kelembaban 20%-100% RH, tegangan kerja adalah tegangan AC 1 Vrms, frekuensikerjanya 50 Hz-1 KHz, konsumsi dayanya sebesar 0,3 mW, dengan perubahan temperaturedengan kenaikan 5C maka kurva karakteristik Relative Humidity akan bergeser berbanding terbalik dengan perubahan impedansi.

2.1.3Operational Amplifier LM 324IC LM324 merupakan IC Operational Amplifier, IC ini mempunyai 4 buah op-amp yang berfungsi sebagai comparator. IC ini mempunyai tegangan kerja antara +5 V sampai +15V untuk +Vcc dan -5V sampai -15V untuk -Vcc. Adapun definisi dari masing-masing pin IC LM324 adalah sebagai berikut :

Gambar 2.2 Kaki Pin LM 324

2.1.4Potentiometer Potensiometer (POT) adalah salah satu jenis Resistor yang Nilai Resistansinya dapat diatur sesuai dengan kebutuhan Rangkaian Elektronika ataupun kebutuhan pemakainya. Potensiometer merupakan Keluarga Resistor yang tergolong dalam Kategori Variable Resistor. Secara struktur, Potensiometer terdiri dari 3 kaki Terminal dengan sebuah shaft atau tuas yang berfungsi sebagai pengaturnya.

Gambar 2.3 PotentiometerPrinsip Kerja (Cara Kerja) Potensiometer Sebuah Potensiometer (POT) terdiri dari sebuah elemen resistif yang membentuk jalur (track) dengan terminal di kedua ujungnya. Sedangkan terminal lainnya (biasanya berada di tengah) adalah Penyapu (Wiper) yang dipergunakan untuk menentukan pergerakan pada jalur elemen resistif (Resistive). Pergerakan Penyapu (Wiper) pada Jalur Elemen Resistif inilah yang mengatur naik-turunnya Nilai Resistansi sebuah Potensiometer. Elemen Resistif pada Potensiometer umumnya terbuat dari bahan campuran Metal (logam) dan Keramik ataupun Bahan Karbon (Carbon). Berdasarkan Track (jalur) elemen resistif-nya, Potensiometer dapat digolongkan menjadi 2 jenis yaitu Potensiometer Linear (Linear Potentiometer) dan Potensiometer Logaritmik (Logarithmic Potentiometer).

2.1.5KapasitorPengertian Kapasitor adalah perangkat komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik dan terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat (dielektrik) pada tiap konduktor atau yang disebut keping. Kapasitor biasanya disebut dengan sebutan kondensator yang merupakan komponen listrik dibuat sedemikian rupa sehingga mampu menyimpan muatan listrik.Prinsip kerja kapasitor pada umunya hampir sama dengan resistor yang juga termasuk ke dalam komponen pasif. Komponen pasif adalah jenis komponen yang bekerja tanpa memerlukan arus panjar. Kapasitor sendiri terdiri dari dua lempeng logam (konduktor) yang dipisahkan oleh bahan penyekat (isolator). Penyekat atau isolator banyak disebut sebagai bahan zat dielektrik.

Gambar 2.4 Penampang Kapasitor

2.1.6Resistor Pengertian resistor adalah salah satu komponen elekronika yang berfungsi sebagai penahan arus yang mengalir dalam suatu rangkaian dan berupa terminal dua komponen elektronik yang menghasilkan tegangan pada terminal yang sebanding dengan arus listrik yang melewatinya sesuai dengan hukum Ohm (V = IR). Sebuah resistor tidak memiliki kutub positif dan negatif, tapi memiliki karakteristik utama yaitu resistensi, toleransi, tegangan kerja maksimum dan power rating. Karakteristik lainnya meliputi koefisien temperatur, kebisingan, dan induktansi.

Gambar 2.5 Penampang Resistor

2.2Karakteristik Rangkaian2.2.1Oscillator Wien BridgeOscilator ini ditemukan oleh Max Wien yang lahir pada tahun 1866 di Kaliningrad Rusia dan tinggal di Jerman, beliau merupakan orang pertama yang mencetuskan ide penggeser fasa 2 tingkat, perhatikan Gambar 2.6 . dibawah ini

Gambar 2.6 Rangkaian Dasar Oscillator Wien Bridge (Sumber: http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/wien_bridge.html)Berdasarkan gambar 2.6, maka rangkaian lengkap dari Oscillator Wien Bridge adalah sebagai berikut.

Gambar 2.7 Rangkaian Oscillator Wien Menggunakan OP-AMPGain tegangan dari rangkaian penguat HARUS sama dengan tiga (Gain = 3) agar rangkaian dapat meng-osilasi. Nilai ini ditentukan oleh jaringan resistor umpan balik yakni Resistor feedback (Rf) dan Resistor gain (Rg). Resistor feedback (Rf) HARUS sama dengan dua kali Resistor gain (Rf = 2Rg). Sehingga dengan demikian besar penguat = 3. Dengan hasil ini, untuk memenuhi syarat terjadinya osilasi dimana = 1 maka penguatannya harus 1/3. Berikut merupakan penjelasannya:a = 1 a = 1/ a = 1/ Rg /(Rg + Rf)a = (Rf + Rg)/Rg

2.2.2Frekuensi Oscillator Wien BridgeSensor kelembaban yang digunakan merupakan hygrometer-kapasitansi dengan tipe HS15P. Sensor ini bekerja pada tegangan AC 1 V (50Hz-1KHz). Untuk menyediakan tegangan AC 1V, 1kHz, maka diperlukan rangkaian pembangkit tegangan (osilator) sinus 1V, 1kHz.Pada beberapa aplikasi penggunaan Oscillator Wien Bridge, resistor yang digunakan dibuat sama (R1=R2), lalu untuk kapasitor juga demikian (C1=C2)Frekuensi Oscillator Wien Bridge dapat dihitung melalui kombinasi komponen resistor dan kapasitor, rumus yang digunakan untuk mengetahui jumlah keluaran dari oscillator tersebut adalah sebagai berikut.

Dimana R1=R2= R dan C1=C2=C. Dengan hasil satuan adalah Hz (Hertz), kurva reaksi dari sinyal oscillator wien bridge adalah sebagai berikut :

Gambar 2.8 Kurva Reaksi dari Oscillator Wien Bridge(Asad: 4)2.2.3Rangkaian Jembatan ACSensor kelembaban yang digunakan merupakan hygrometer-kapasitansi dengan tipe HS15P, perubahan kelembaban yang terukur, diubah menjadi kapasitansi. dengan range kelembaban 10%-100% dan akurasi 1,5%. Sensor kapasitansi ini ditempatkan pada salah satu lengan variabel jembatan AC sehingga dengan perubahan yang kecil pada nilai kapasitansi sensor akan menimbulkan tegangan pada lengan yang lainnya. Untuk menghasilkan tegangan keluaran sensor kapasitansi yang berubah sangat kecil digunakan rangkaian jembatan AC dari jenis jembatan Schering, dengan sedikit penyederhanaan untuk menghasilkan perubahan tegangan yang lebih besar untuk perubahan harga kapasitansi yang sama. Rangkaian jembatan AC ini diperlihatkan dalam gambar 2.9

Gambar 2.9 Rangkaian Jembatan AC Persamaan keseimbangan rangkaian jembatan AC dinyatakan dalam persamaan dibawah ini. (Johnson, 1997:64)....................................................................................................................(1)

...........................................................................................(2)

2.2.4Penguat Instrumentasi Tegangan keluaran sensor yang terukur mempunyai range yang sangat kecil. Untuk menguatkan tegangan keluaran yang masih kecil digunakan rangkaian pengkondisi sinyal. Rangkaian pengkondisi sinyal yang digunakan adalah rangkaian penguat instrumentasi. Rangkaian penguat instrumentasi dibuat dengan menghubungkan penguat tersangga ke sebuah penguat diferensial. Ciri-ciri penguat instrumentasi antara lain: (Couglin dan Driscoll, 1983: 169)1)Gain tegangan dari masukan differensial () ke keluaran yang berujung tunggal, diatur oleh satu resistor 2)Resistansi masukan dari kedua masukannya sangat tinggi dan tidak berubah jika gainnya berubah.3)Tegangan keluaran tidak tergantung pada tegangan bersama () tetapi hanya pada perbedaan keduanyaTegangan keluaran penguat instrumentasi dapat dihitung dengan persamaan dibawah ini.Tegangan penguat instrumentasi disesuaikan dengan range tegangan masukan ADC 0-5 volt, sedangkan tegangan keluaran sensor yang dapat diukur 0,87 0,549 volt. Berikut adalah gambar rangkaian penguat Instrumentasi gambar 2.10

Gambar 2.10 Rangkaian Penguat Instrumentasi

2.2.5Rangkaian PenyearahTegangan keluaran rangkaian pengkondisi sinyal masih berupa tegangan AC, agar tegangan ini dapat diolah oleh komputer melalui rangkaian ADC (pengubah sinyal analog ke digital) maka diperlukan rangkaian penyearah. Rangkaian penyearah ini berfungsi mengubah tegangan AC ke tegangan DC (Coughlin dan Driscoll, 1983: 163). Berikut adalah rangkaian penyearah pada gambar 2.11

Gambar 2.11 Rangkaian Penyearah

Bila tegangan masukan (Ei) positif, maka op-amp A akan membalik Ei sedangkan op-amp B akan menjumlahkan keluaran op-amp A dan Ei sehingga menghasilkan keluaran rangkaian sebesar Vo = Ei. Untuk masukan negatif, op-amp B membalik Ei dan keluaran rangkaian Vo = Ei. Jadi keluaran Vo selalu positif dan sama dengan harga mutlak rata-rata atau harga yang disearahkan dari masukan (Ei).

3.Alat dan Bahan1) Avometer Digital2) Trainer HS15P3) Oscilloscope4) Kabel Jumper (Kabel Banana)5) Botol berisi air 6) Power Supply

4.Langkah kerja1) Berdoa terlebih dahulu sebelum kegiatan praktikum2) Periksa seluruh kelengkapan alat dan bahan sebelum digunakan3) Baca dan pahami petunjuk praktikum pada lembaran kegiatan belajar4) Pastikan tegangan pada catu daya sesuai yang dibutuhkan 5) Baca skema rangkaian dengan cermat6) Kalibrasi alat ukur dahulu sebelum mengukur7) Hati- hati dalam penggunaan peralatan praktikum

5.Langkah Percobaan1)Masukkan atau hubungkan Output dari Oscillator Wien Bridge dengan Input dari Jembatan AC pada modul trainer .2)Hubungkan () pada rangkaian jembatan AC kepada masukan pada Rangkaian penguat instrumentasi yang ada pada modul trainer. 3)Hubungkan Output dari Rangkaian Penguat Insturumentasi kepada masukan rangkaian penyearah yang ada pada modul trainer.4)Hubungkan Probe (+) power supply dengan VCC, Probe (-) Power Supply dengan -VEE dan Probe Ground (GND) dengan lobang (GND), namun jangan aktifkan terlebih dahulu power supply5)Apabila langkah 1-4 sudah dipastikan lengkap, aktifkan Power Supply Simetris6)Hitung dan Analisislah hasil keluaran dari Modul Trainer HS15P dengan perbedaan masing-masing indikator yang ada pada tabel 1.1

6.Hasil Percobaan 1)Hitung tegangan ruangan yang akan diuji 0.545 V2)Hitung tegangan pada Power Supply +5 -5 GnD VTabel 6.1 Tabel Percobaan HS15PNoIndikatorBanyaknya PercobaanSebelum Perubahan(V out ) Sesudah Perubahan(V Out)

1Sensor di tutupi oleh tangan

9

0.556 v

0.67v

0.589v

0.588v

0.635v

0.618v

0.584v

0.384v

0.484v

0.65v

0.77v

0.711v

0.692v

0.688v

0.71v

0.712v

0.604v

0.664v

2Sensor di masukkan ke dalam botol berair

0.438v

0.548v

0.575v

0.645v

0.72v

0.709v

0.704v

0.707v

7.Tugas 1)Jelaskan bagaimana prinsip kerja dari HS15P2) Sebutkan aplikasi dari HS15P3)Bagaimana cara untuk menyusun Oscillator Wien Bridge 1Khz ? apa saja yang harus di rangkai atau diperhatikan ? 4)Buat grafik dari hasil percobaan kalian tentang HS15P

7.1Jawaban 1)Sensor kelembaban yang digunakan merupakan hygrometer-kapasitansi dengan tipe HS15P, perubahan kelembaban yang terukur, diubah menjadi kapasitansi. dengan range kelembaban 10%-100% dan akurasi 1,5%. Sensor kapasitansi ini ditempatkan pada salah satu lengan variabel jembatan AC sehingga dengan perubahan yang kecil pada nilai kapasitansi sensor akan menimbulkan tegangan pada lengan yang lainnya.Untuk mengaktifkan sensor ini, diperlukan tegangan AC 1 Vrms dengan frekuensi 1 kHz.2)Aplikasi dari sensor HS15P ini adalah sebagai berikut :a) Sensor kelembapan udara pada budidaya jamur b) Sensor Smart Green House pada rumah modern yang terdapat sistem perkebunan rumah-anc) Sebagai sensor trainer kelembaban pada suatu lingkup akademisi (sekolah) maupun pelatihan 3)Berdasarkan karakteristik dari sensor HS15P maka untuk membangkitkan sinyal 1KHz dibutuhkan pembangkit sinyal atau Oscillator bertipe Wien Bridge dengan dengan minimum requirement yaitu :Tabel 7.1 Hasil Percobaan Oscillator Wien Bridge(Syifaul Fuada, 2013:4)

berdasarkan praktikum yang telah dilakukan, maka kombinasi Resistor beserta Capasitor yang dapat digunakan pada Oscillator Wien Bridge adalah sebagai berikut :Diketahui : R1=R2 = 10K C1=C2 = 10 nFDitanya : f Oscillator Wien Bridge ? Dijawab :

f = 1/2 F f = 1,592 KHz

4)Grafik percobaan HS15PTabel 1.3 Hasil Praktikum HS15PNoIndikatorBanyaknya PercobaanSebelum Perubahan(V out ) Sesudah Perubahan(V Out)

1Sensor di tutupi oleh tangan

9

0.556 v

0.67v

0.589v

0.588v

0.635v

0.618v

0.584v

0.384v

0.484v

0.65v

0.77v

0.711v

0.692v

0.688v

0.71v

0.712v

0.604v

0.664v

2Sensor di masukkan ke dalam botol berair4

0.438v

0.548v

0.575v

0.645v

0.72v

0.709v

0.704v

0.707v

Gambar 7.1 Grafik Percobaan HS15P Jadi, dapat disimpulkan bahwa prinsip kerja dari HS15P akan menghasilkan kurva karakteristik Relative Humidity akan bergeser berbanding terbalik dengan perubahan impedans dan akan berpengaruh terhadap Vout dari suatu rangkaian tersebut.