Upload
zainal-abidin
View
1.015
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Prosedur perancangan sensor kapasitif yang dikembangkan oleh Zainal Abidin
Citation preview
PLATOGEOSAINS | Desain Sensor Kapasitif 1
DESAIN SENSOR KAPASITIF©
© Zainal Abidin
Divisi Sistem Mikrokontroler, PLATOGEOSAINS
Meteorologi, FITB – ITB Indonesia
Sabtu, 5 Desember 2009
Banyak alat ukur yang menggunakan teknologi kapasitif 1. Salah satunya adalah sensor
tinggi muka air. Prinsip kerja sensor ini berdasarkan atas perbedaan konstanta dielektrik air
dengan gas (diatasnya). Sensor tinggi muka air kapasitif tersusun atas sebuah logam pejal dan
sebuah pipa logam sebagai pelingkupnya yang membentuk suatu celah. Logam pejal berfungsi
sebagai kutub positif kapasitor, sedangkan pipa dihubungkan dengan ground. Peningkatan harga
kapasitansi Ch sensor sebanding dengan tinggi muka air h. Variasi kapasitansi sensor mengikuti
persamaan berikut ini:
∆C = [24(єd – 1) log(A/B)].h
h adalah tinggi muka air (cm), єd adalah konstanta dielektrik air, A adalah diameter dalam pipa
logam dan B adalah diameter logam pejal. Resistansi dielektrik (dalam hal ini air) harus
memiliki orde lebih tinggi dibandingkan reaktansi sensor kapasitif pada frekuensi kerja yang
dirumuskan dengan persamaan berikut ini:
XC = 1/[2π.fkerja.C]
Orde resistansi air suling mencapai MΩ. Dua eksperimen sebelumnya2 menunjukkan bahwa
sistem mikroprosesor 8 bit berkecepatan 4 MHz menggunakan mikrokontroler ATMEGA32
memperlihatkan performa bagus dalam mengukur frekuensi (dengan kesalahan maksimum
+1 Hz) pada rentang 2 – 540 Hz. Walaupun informasi kapasitansi air suling belum penulis
dapatkan, tetapi air suling termasuk bahan non-konduktif. Dengan demikian air suling memenuhi
persyaratan sebagai dielektrik sensor kapasitif.
1 Abidin, Zainal. 2009. Sensor Kapasitif. PLATOGEOSAINS: Bandung
2 Abidin, Zainal. 2009. Membuat Sendiri Kapasitansi Meter Digital. PLATOGEOSAINS: Bandung dan
Abidin, Zainal. 2009. Konverter Kapasitansi ke Frekuensi. PLATOGEOSAINS: Bandung
PLATOGEOSAINS | Desain Sensor Kapasitif 2
Penulis juga memperoleh informasi dari eksperimen sebelum ini bahwa dengan
penyimpangan frekuensi yang sama (+1 Hz) ternyata akan mengakibatkan penyimpangan
kapasitansi berbeda. Penyimpangan kapasitansi tersebut akan berkurang sebanding dengan
kapasitansi kapasitor (walaupun sama-sama menyimpang +1 Hz). Oleh karena itu perlu
dilakukan simulasi penyimpangan kapasitansi pada frekuensi yang diinginkan (2 – 540 Hz).
Gambar 1 Grafik penyimpangan kapasitansi pada frekuensi 2 – 540 Hz
Penulis menginginkan sensor tinggi muka air yang akan dibuat mempunyai ketelitian 1 cm saja
dengan jangkauan hingga 40 cm. Walaupun tinggi muka air akan ditampilkan dalam dua desimal
(di belakang koma), tetapi nilai yang dapat dipertanggungjawabkan akurasinya adalah angka di
depan koma atau nol desimal. Kenyataannya air yang digunakan untuk mengisi tandon atau
kolam air di laboratorium tidak benar-benar bersih dari berbagai partikel (kotor) yang dapat
mempengaruhi kapasitansi sensor (bahkan ketika tinggi muka airnya sama).
Sensor kapasitif ini menggunakan damar sintetis atau resin untuk menyatukan dua kutub
kapasitor. Dengan menganggap kontribusi dielektrik resin terhadap frekuensi cukup besar
0
100
200
300
400
500
600
0
100
200
300
400
500
600
-30
00
0
-25
00
0
-20
00
0
-15
00
0
-10
00
0
-50
00 0
Fre
ku
en
si (
Hz)
Penyimpangan Kapasitansi (nF)
PLATOGEOSAINS | Desain Sensor Kapasitif 3
(~20 Hz), maka penulis menentukan skala frekuensi (∆f/h) sebesar 10 Hz. Variasi kapasitansi
terhadap tinggi muka air yang diharapkan penulis ditunjukkan oleh Tabel 1.
Tabel 1 Variasi kapasitansi terhadap tinggi muka air
Seperti terlihat pada Tabel 1 bahwa variasi kapasitansi tidak linier terhadap variasi frekuensi.
Desain sensor kapasitif disesuaikan dengan ketersediaan material di pasar. Penulis menggunakan
aluminium pejal berdiameter 8/16 inchi dan pipa aluminium berdiameter dalam 13/16 inchi.
Secara teori, dengan єd = 78.54 (Tair = 25 oC) akan diperoleh skala kapasitansi (∆C/h) sebesar
~392 Farad. Skala kapasitansi sebesar itu sudah sangat cukup untuk mengkompensasi kesalahan
pengukuran akibat masuknya berbagai partikel asing ke dalam air yang sedang diamati.
PLATOGEOSAINS | Desain Sensor Kapasitif 4