MACAM-MACAM SENSOR DENGAN PRINSIP KERJANYA

Sensor Cahaya

a) Fotovoltaic atau sel solarAdalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik. Sel solar silikon yang modern pada dasarnya adalah sambungan PN dengan lapisan P yang transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P akan menyebabkan gerakan elektron antara bagian P dan N, jadi menghasilkan tegangan DC yang kecil sekitar 0,5 volt per sel pada sinar matahari penuh. Sel fotovoltaic adalah jenis tranduser sinar/cahaya seperti pada gambar 1.

Gambar 1. Cahaya pada sel fotovoltaik menghasilkan tegangan

b) Fotokonduktif

(a)                                     (b)

Gambar 2.(a) Sel Fotokonduktif ; (b) Cahaya pada sel fotokonduktif mengubah harga resistansi

 

Energi yang jatuh pada sel fotokonduktif akan menyebabkan perubahan tahanan sel. Apabila permukaan alat ini gelap maka tahanan alat menjadi tinggi. Ketika menyala dengan terang  tahanan turun pada tingkat harga yang rendah. Seperti terlihat  pada gambar 2.

3) Sensor Suhu

Ada 4 jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan :

a) Thermocouple

Thermocouple pada pokoknya terdiri dari sepasang penghantar yang berbeda disambung las dilebur bersama satu sisi membentuk “hot” atau sambungan pengukuran yang ada ujung-ujung bebasnya untuk hubungan dengan sambungan referensi. Perbedaan suhu antara sambungan pengukuranmdengan sambungan referensi harus muncul untuk alat ini sehingga berfungsi sebagai thermocouple.

(a)                                                                     (b)

Gambar 3. (a)Thermocouple ; (b) Simbol thermocouple

b) Detektor Suhu Tahanan

Konsep utama dari yang mendasari pengukuran suhu dengan detektor suhu tahanan (resistant temperature detector = RTD) adalah tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dan  dapat diulang lagi sehingga  memungkinkan pengukuran suhu yang  konsisten  melalui  pendeteksian tahanan. Bahan  yang sering digunakan RTD adalah platina karena kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas.

(a)   (b)Gambar 4. (a) Detektor suhu tahanan (b) Simbol RTD

c) Thermistor

Adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif. Karena suhu meningkat, tahanan menurun dan sebaliknya. Thermistor sangat peka (perubahan tahanan sebesar 5 % per ³C) oleh karena itu mampu mendeteksi perubahan kecil di dalam suhu.

(a)

Gambar 5. (a) Thermistor

d) Sensor Suhu Rangkaian Terpadu (IC)

Sensor suhu dengan IC ini menggunakan chip silikon untuk elemen yang merasakan (sensor). Memiliki konfigurasi output tegangan dan arus. Meskipun terbatas dalam rentang suhu (dibawah 200 ³C), tetapi menghasilkan output yang sangat linear di atas rentang kerja.

(a)

Gambar 6. (a) Sensor suhu IC;

4) Sensor Tekanan

Prinsip kerja dari sensor tekanan ini adalah mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. kurang ketegangan didasarkan pada prinsip bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang.

Daya yang diberikan pada kawat menyebabkan kawat bengkok  sehingga menyebabkan ukuran kawat berubah dan mengubah tahanannya, seperti terlihat pada gambar

Aplikasi umum-pengukuran tekanan balok(a) Jenis kawat

(b) Jenis foil

(c) Jembatan pengukur rangkaian Ukuran regangan

Gambar 8. Penggunaan Sensor Tekan pada Pengukur Regangan Kawat

Gambar 9. Contoh Penggunaan Sensor Tekanan

Aliran fluida

P2P1

P1 > P2

Orifice PlateAlat ukur terdiri dari pipa dimana dibagian dalamnya diberi pelat berlubang

lebih kecil dari ukuran diameter pipa. Sensor tekanan diletakan disisi pelat bagian inlet (P1) dan satu lagi dibagian sisi pelat bagian outlet (P2). Jika terjadi aliran dari inlet ke outlet, maka tekanan P1 akan lebih besar dari tekanan outlet P2.

Keuntungan utama dari Orfice plate ini adalah dari :1. Konstruksi sederhana2. Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan.3. Harga pembuatan alat cukup murah4. Output cukup besarKerugian menggunakan cara ini adalah :1. Jika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut

akan terkumpul pada bagian pelat disisi inlet. 2. Jangkauan pengukuran sangat rendah3. Dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan

pengukuran jadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer.4. Tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang

bertekanan rendah.

Gambar 3.37. Orifice Plate

Jumlah fluida yang mengalir per satuan waktu ( m3/dt) adalah :

di mana : Q = jumlah fluida yang mengalir ( m3/dt) K = konstanta pipa A2 = luas penampang pipa sempit P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2

= masa jenis fluidaρ g = gravitasi bumi

Rumus ini juga berlaku untuk pipa venturi

Q=KA2 √ 2gρ √P1−P2

P1P2

Aliran Fluida

P1 > P2

Pipa VenturiBentuk lain dari pengukuran aliran dengan beda tekanan adalah pipa venture.

Pada pipa venture, pemercepat aliran fluida dilakukan dengan cara membentuk corong sehingga aliran masih dapat dijaga agar tetap laminar. Sensor tekana pertama (P1) diletakkan pada sudut tekanan pertama dan sensor tekanan kedua diletakkan pada bagian yang plaing menjorok ke tengah. Pipa venturi biasa dipergunakan untuk mengukur aliran cairan.

Keuntungan dari pipa venturi adalah:1.Partikel padatan masih melewati alat ukur2. Kapasitas aliran cukup besar3. Pengukuran tekana lebih baik dibandingkan orifice plate.4. Tahan terhadapa gesakan fluida.Kerugiannya adalah:1. Ukuiran menjadi lebih besar2. Lebih mahal dari orifice plate3. Beda tekanan yang ditimbulkan menjadi lebih kecil dari orifice plate.

Gambar 3.38. Pipa Venturi

Flow NozzleTipe Flow Nozzle menggunakan sebuah corong yang diletakkan diantara

sambungan pipa sensor tekanan P1 dibagian inlet dan P2 dibagian outlet. Tekanan P2

lebih kecil dibandingkan P1. Sensor jenis ini memiliki keunggulan diabnding venture dan orifice plate yaitu:

1. Masih dapat melewatkan padatan2. Kapasitas aliran cukup besar3. Mudah dalam pemasangan4. Tahan terhadap gesekan fluida5. Beda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa venturi6. Hasil beda tekanan cukup baik karena aliran masih laminer

P2P1

P1 > P2

Aliran fluida

P1

Aliran fluida

P2

P1 > P2

Gambar 3.39. Flow NozzlePipa Pitot

Konstruksi pipa ini adalah berupa pipa biasa sedang di bagian tengah pipa diselipkan pipa kecil yang dibengkokkan ke arah inlet. Jenis pipa ini jarang dipergunakan di industri karena dengan adanya pipa kecil di bagian tengah akan menyebabkan benturan yang sangat kuat terhadap aliran fluida. Alat ini hanya dipergunakan untuk mengukur aliran fluida yang sangat lambat.

Gambar 3.40. Pipa Pitot

RotameterRotameter terdiridari tabung vertikal dengan lubang gerak di mana

kedudukan pelampung dianggap vertical sesuai dengan laju aliran melalui tabung (Gambar 3.41). Untuk laju aliran yang diketahui, pelampung tetap stasioner karena gaya vertical dari tekanan diferensial, gravitasi, kekentalan, dan gaya-apung akan berimbang. Jadi kemampuan menyeimbangkan diri dari pelampung yang digantung dengan kawat dan tergantung pada luas dapat ditentukan. Gaya kebawah (gravitasi dikurangi gaya apung) adalah konstan dan demikian pula gaya keatas (penurunan tekanan dikalikan luas pelampung) juga harus konstan. Dengan mengasumsikan aliran non kompresif, hasilnya adalah sebagai berikut:

Di mana, Q = laju aliran volume C = koefisien pengosongan At = luas tabung Af = luas pelampung Vf = volume pelampung

atau Q=K ( A t−A f );C dan [ (A t−A f )A t ) ]2 jauh lebih kecil

Q=C (A t−A f )

√1−[ At−A f )/A t ]2 √2gV t (W f−W ff

A f−W ff)

Inlet

Outlet

x

Tabung gelas

Pelampung

Wf = berat jenis pelampung Wff = berat jenis fluida yang mengalir

Gambar 3.41. Rotameter

Pelampung dapat dibuat dari berbagai bahan untuk mendapatkan beda kerapatan yang diperlukan (Wf-Wff) untuk mengukur cairan atau gas tertentu. Tabung sering dibuat dari gelas berkekuatan tinggi sehingga dapat dilakukan pengamatan langsung terhadap kedudukan pelampung.

PIR (Passive Infrared Receiver)

PIR (Passive Infrared Receiver)

merupakan sebuah sensor berbasiskan

infrared. Akan tetapi, tidak seperti

sensor infrared kebanyakan yang

terdiri dari IR LED dan fototransistor.

PIR tidak memancarkan apapun

seperti IR LED. Sesuai dengan namanya

‘Passive’, sensor ini hanya merespon

energi dari pancaran sinar inframerah

pasif yang dimiliki oleh setiap benda

yang terdeteksi olehnya. Benda yang

bisa dideteksi oleh sensor ini biasanya adalah tubuh manusia. PIR KC7783R

merupakan sensor pendeteksi yang akan mengeluarkan output dengan level high

antara 5-6 volt.

Di dalam sensor PIR ini terdapat bagian-bagian yang mempunyai perannya masing-

masing, yaitu Fresnel Lens, IR Filter, Pyroelectric sensor, amplifier, dan comparator.

Sensor PIR ini bekerja dengan menangkap energi panas yang dihasilkan dari

pancaran sinar inframerah pasif yang dimiliki setiap benda dengan suhu benda

diatas nol mutlak. Seperti tubuh manusia yang memiliki suhu tubuh kira-kira 32

derajat celcius, yang merupakan suhu panas yang khas yang terdapat pada

lingkungan. Pancaran sinar inframerah inilah yang kemudian ditangkap oleh

Pyroelectric sensor yang merupakan inti dari sensor PIR ini sehingga menyebabkan

Pyroelectic sensor yang terdiri dari galium nitrida, caesium nitrat dan litium

tantalate menghasilkan arus listrik. Mengapa bisa menghasilkan arus listrik, Hal ini

dikarenakan pancaran sinar inframerah pasif ini membawa energi panas. Prosesnya

hampir sama seperti arus listrik yang terbentuk ketika sinar matahari mengenai

solar cell.

Mengapa sensor PIR hanya bereaksi pada tubuh manusia saja, Hal ini disebabkan

karena adanya IR Filter yang menyaring panjang gelombang sinar inframerah pasif.

IR Filter dimodul sensor PIR ini mampu menyaring panjang gelombang sinar

inframerah pasif antara 8 sampai 14 mikrometer, sehingga panjang gelombang yang

dihasilkan dari tubuh manusia yang berkisar antara 9 sampai 10 mikrometer ini saja

yang dapat dideteksi oleh sensor.

Jadi, ketika seseorang berjalan melewati sensor, sensor akan menangkap pancaran

sinar inframerah pasif yang dipancarkan oleh tubuh manusia yang memiliki suhu

yang berbeda dari lingkungan sehingga menyebabkan material pyroelectric bereaksi

menghasilkan arus listrik karena adanya energi panas yang dibawa oleh sinar

inframerah pasif tersebut. Kemudian sebuah sirkuit amplifier yang ada menguatkan

arus tersebut yang kemudian dibandingkan oleh comparator sehingga menghasilkan

output.

Ketika manusia berada di depan sensor PIR dengan kondisi diam, maka sensor PIR

akan menghitung panjang gelombang yang dihasilkan oleh tubuh manusia tersebut.

Panjang gelombang yang konstan ini menyebabkan energi panas yang dihasilkan

dapat digambarkan hampir sama pada kondisi lingkungan disekitarnya. Ketika

manusia itu melakukan gerakan, maka tubuh manusia itu akan menghasilkam

pancaran sinar inframerah pasif dengan panjang gelombang yang bervariasi

sehingga menghasilkan panas berbeda yang menyebabkan sensor merespon dengan

cara menghasilkan arus pada material Pyroelectricnya dengan besaran yang berbeda

beda. Karena besaran yang berbeda inilah comparator menghasilkan output.

Jadi sensor PIR tidak akan menghasilkan output apabila sensor ini dihadapkan

dengan benda panas yang tidak memiliki panjang gelombang inframerah antar 8

sampai 14 mikrometer dan benda yang diam seperti sinar lampu yang sangat terang

yang mampu menghasilkan panas, pantulan objek benda dari cermin dan suhu panas

ketika musim panas.