Tranduser dan Sensor

2 Sensor,Transduser dan Aktuator (Level 1 sistem otomasi)

2.1. Gambaran Umum.

Sensor, transduser dan Aktuator merupakan elemen sistem otomasi pada level 1, yaitu level paling bawah dari sistem otomasi.

Sama seperti sistem tubuh manusia, dimana manusia mempnyai panca indra atau lima sistem indra, yaitu indra perasa, indra penglihatan, indra pendengaran, indra peraba, indra penciuman, maka fungsi dari sensor & transduser pada sistem otomasi meng indra besaran fisis yang penting untuk suatu proses atau sering disebut sebagai parameter proses. Parameter proses itu bisa berupa, tekanan, aliran, level, temperatur, berat, berat jenis, sebutkan semua besaran / parameter   fisika   adalah   potensial   merupakan   parameter   yang   penting   dalam   proses manufakturing atau proses produksi. Besaran fisis ini di indra dan diolah oleh level ke 2 dari hirarki sistem otomasi, yaitu sistem kontrol / sistem pengendali.

Besaran masukan pada kebanyakan sistem kendali adalah bukan besaran listrik, seperti besaran fisika, kimia, mekanis dan sebagainya. Untuk memakaikan besaran  listrik pada sistem pengukuran, sistem pengontrolan,  maka biasanya besaran yang  bukan listrik diubah terlebih dahulu menjadi suatu sinyal listrik melalui sebuah alat yang disebut transducer .

Sistem kendali  /  sistem  kontrol (level  2  hirarki  sistem otomasi)  setelah  memproses masukan (input) dari sensor transduser, memberikan keluaran (output) biasanya berupa sinyal penggerak pada Actuator (penggerak).

2.2. Pengertian pokok dan Definisi

Sensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur suatu besaran fisis berupa variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia dengan diubah menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor itu sendiri terdiri dari transduser dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera. Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroller sebagai otaknya.

D Sharon, dkk (1982), mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya..

Contoh;  Mata  adalah  sensor  penglihatan,  telinga  sebagai  sensor  pendengaran,  kulit  sebagai sensor peraba pada tubuh manusia, sedangkan thermistor adalah sensor panas, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, pada sistem otomasi.

Transduser adalah alat yang mengubah suatu energi dari satu bentuk ke bentuk lain, yang merupakan elemen penting dalam sistem pengendali. Secara umum transduser dibedakan atas dua prinsip kerja yaitu: pertama, Transduser Input dapat dikatakan bahwa transduser ini akan mengubah energi non-listrik menjadi energi listrik. Kedua, Transduser Output adalah kebalikannya, mengubah energi listrik ke bentuk energi non-listrik.

William D.C, (1993), mengatakan transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas).

Contoh; generator adalah transduser yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik, motor

adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya.

Apa itu Actuator (penggerak) ? Penggerak, dalam pengertian listrik adalah setiap alat yang mengubah sinyal listrik menjadi gerakan mekanis. Biasa digunakan sebagai proses lanjutan dari keluaran suatu proses olah data yang dihasilkan oleh kontroler.

2.3. Peryaratan Umum Sensor dan Transduser

Dalam memilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan sistem yang akan disensor  maka perlu diperhatikan persyaratan umum sensor berikut  ini : (D Sharon, dkk, 1982)

a.   Linearitas

Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan (response)   terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan masukannya berupa sebuah grafik.

b.   Sensitivitas

Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering  juga dinyatakan dengan bilangan yang  menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan   masukan”. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan “satu volt per derajat”, yang berarti perubahan  satu derajat pada masukan akan menghasilkan  perubahan  satu volt pada keluarannya. Sensor panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan “dua volt per derajat”, yang berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama. Linieritas sensor juga mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila tanggapannya linier, maka sensitivitasnya  juga  akan  sama  untuk  jangkauan  pengukuran  keseluruhan.  Sensor dengan tanggapan paga gambar 1.1(b) akan lebih peka pada temperatur yang tinggi dari pada temperatur yang rendah.

c.   Tanggapan Waktu (time response)

Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan frekuensi yang jelek adalah sebuah termometer merkuri. Masukannya adalah temperatur dan keluarannya

adalah posisi merkuri. Misalkan perubahan temperatur terjadi sedikit demi sedikit dan kontinyu terhadap waktu, seperti tampak pada gambar 1.2(a).

Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diberikan dalam satuan hertz (Hz).

{ 1 hertz berarti 1 siklus per detik, 1 kilohertz berarti 1000 siklus per detik]. Pada frekuensi rendah, yaitu pada saat temperatur berubah secara lambat, termometer akan mengikuti perubahan tersebut dengan “setia”. Tetapi apabila perubahan temperatur sangat cepat lihat gambar 1.2(b) maka tidak diharapkan akan melihat perubahan besar pada  termometer  merkuri,  karena  ia  bersifat  lamban  dan  hanya  akan  menunjukan

temperatur rata-rata.

Ada bermacam cara untuk menyatakan tanggapan frekuensi sebuah sensor. Misalnya “satu milivolt  pada 500 hertz”. Tanggapan frekuensi dapat  pula dinyatakan dengan “decibel (db)”, yaitu untuk membandingkan daya keluaran pada frekuensi tertentu dengan daya keluaran pada frekuensi referensi.

2.4.  Jenis Sensor dan Transduser

Perkembangan sensor dan transduser sangat cepat sesuai kemajuan teknologi otomasi, semakin komplek suatu sistem otomasi dibangun maka semakin banyak jenis sensor yang digunakan.

Robotik adalah sebagai contoh penerapan sistem otomasi yang kompleks, disini   sensor yang digunakan dapat dikatagorikan menjadi dua jenis sensor yaitu: (D Sharon, dkk, 1982)

a.   Internal sensor, yaitu sensor yang dipasang di dalam bodi robot.

Sensor internal diperlukan untuk mengamati posisi, kecepatan, dan akselerasi  berbagai sambungan mekanik pada robot, dan merupakan bagian dari mekanisme servo.

b.   External sensor, yaitu sensor yang dipasang diluar bodi robot.

Sensor eksternal diperlukan karena dua macam alasan yaitu:

1) Untuk keamanan dan

2) Untuk penuntun.

Yang dimaksud untuk keamanan” adalah termasuk keamanan robot, yaitu perlindungan  terhadap   robot   dari  kerusakan   yang   ditimbulkannya   sendiri,   serta keamanan untuk peralatan, komponen, dan orang-orang dilingkungan dimana robot tersebut digunakan. Berikut ini adalah dua contoh sederhana untuk mengilustrasikan kasus diatas.

Contoh pertama: andaikan sebuah robot bergerak keposisinya yang baru dan ia menemui suatu halangan, yang dapat berupa mesin lain misalnya. Apabila robot tidak memiliki sensor yang mampu mendeteksi halangan tersebut, baik sebelum atau setelah terjadi kontak, maka akibatnya akan terjadi kerusakan.

Contoh kedua: sensor untuk keamanan diilustrasikan dengan problem robot dalam mengambil sebuah telur. Apabila pada robot dipasang pencengkram mekanik (gripper), maka sensor harus dapat mengukur seberapa besar tenaga yang tepat untuk mengambil telor tersebut. Tenaga yang terlalu besar akan menyebabkan pecahnya telur, sedangkan apabila terlalu kecil telur akan jatuh terlepas.

Kini  bagaimana  dengan  sensor  untuk  penuntun  atau  pemandu?.  Katogori  ini sangatlah luas, tetapi contoh berikut akan memberikan pertimbangan.

Contoh pertama: komponen yang terletak diatas ban berjalan tiba di depan robot yang diprogram untuk menyemprotnya. Apa yang akan terjadi bila sebuah komponen hilang atau dalam posisi yang salah?. Robot tentunya harus memiliki sensor yang dapat mendeteksi ada tidaknya komponen, karena bila tidak ia akan menyemprot tempat yang kosong. Meskipun tidak terjadi kerusakan, tetapi hal ini bukanlah sesuatu yang diharapkan terjadi pada suatu pabrik.

Contoh kedua: sensor untuk penuntun diharapkan cukup canggih dalam pengelasan. Untuk  melakukan  operasi  dengan  baik,  robot  haruslah  menggerakkan  tangkai  las

sepanjang garis las yang telah ditentukan, dan juga bergerak dengan kecepatan yang tetap serta mempertahankan suatu jarak tertentu dengan permukaannya.

Sesuai dengan fungsi sensor sebagai pendeteksi sinyal dan meng-informasikan sinyal tersebut ke sistem berikutnya, maka peranan dan fungsi sensor akan dilanjutkan oleh transduser. Karena keterkaitan antara sensor dan transduser begitu erat maka pemilihan transduser yang tepat dan sesuai juga perlu diperhatikan.

2.5. Klasifikasi Sensor

Secara  umum  berdasarkan  fungsi  dan  penggunaannya  sensor  dapat  dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu:

a.   sensor thermal (panas)

b.   sensor mekanis

c.   sensor optik (cahaya)

Sensor  thermal  adalah  sensor  yang  digunakan  untuk  mendeteksi  gejala  perubahan panas/temperature/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu.

Contohnya; bimetal, termistor, termokopel, RTD, photo transistor, photo dioda, photo multiplier, photovoltaik, infrared pyrometer, hygrometer, dsb.

Sensor   mekanis   adalah  sensor   yang   mendeteksi  perubahan  gerak   mekanis,   seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dsb. Contoh;  strain gage, linear variable deferential transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube, dsb.

Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan.

Contoh;   photo cell, photo transistor, photo diode, photo voltaic, photo multiplier, pyrometer optic, dsb.

Penjelasan rinci (detil jenis sensor diatas dapat dilihat pada lampiran.

2.6. Klasifikasi Transduser (William D.C, 1993)

a.   Self generating transduser (transduser pembangkit sendiri)

Self  generating  transduser  adalah  transduser  yang  hanya  memerlukan  satu  sumber energi.

Contoh: piezo electric, termocouple, photovoltatic, termistor, dsb.

Ciri  transduser  ini  adalah  dihasilkannya  suatu  energi  listrik  dari  transduser  secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai sumber tegangan.

b.   External power transduser (transduser daya dari luar)

External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah   energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran.

Contoh:  RTD  (resistance  thermal  detector),  Starin  gauge,  LVDT  (linier  variable differential transformer), Potensiometer, NTC, dsb.

Tabel  berikut  menyajikan  prinsip  kerja  serta pemakaian  transduser  berdasarkan  sifat kelistrikannya.

Tabel 1. Kelompok Transduser

Parameter listrik dan kelas transduser	Prinsip kerja dan sifat alat	Pemakaian alat
Transduser Pasif
Potensiometer	Perubahan nilai tahanan karena posisi kontak bergeser	Tekanan, pergeseran/posisi
Strain gage	Perubahan  nilai  tahanan  akibat perubahan  panjang  kawat  oleh tekanan dari luar	Gaya, torsi, posisi
Transformator selisih (LVDT)	Tegangan selisih dua kumparan primer akibat pergeseran inti trafo	Tekanan, gaya, pergeseran
Gage arus pusar	Perubahan induktansi kumparan akibat perubahan jarak plat	Pergeseran, ketebalan
Transduser Aktif
Sel fotoemisif	Emisi elektron akibat radiasi yang masuk pada permukaan fotemisif	Cahaya dan radiasi
Photomultiplier	Emisi elektron sekunder  akibat radiasi  yang  masuk  ke  katoda sensitif cahaya	Cahaya, radiasi dan relay sensitif cahaya
Termokopel	Pembangkitan   ggl   pada   titik sambung    dua    logam    yang berbeda akibat dipanasi	Temperatur, aliran panas, radiasi
Generator kumparan putar (tachogenerator)	Perputaran sebuah kumparan di dalam    medan    magnit    yang membangkitkan tegangan	Kecepatan, getaran

Piezoelektrik	Pembangkitan ggl bahan kristal piezo akibat gaya dari luar	Suara, getaran, percepatan, tekanan
Sel foto tegangan	Terbangkitnya   tegangan   pada sel    foto    akibat    rangsangan energi dari luar	Cahaya matahari
Termometer tahanan (RTD)	Perubahan  nilai  tahanan  kawat akibat perubahan temperatur	Temperatur, panas
Hygrometer tahanan	Tahanan sebuah strip konduktif berubah    terhadap    kandungan uap air	Kelembaban relatif
Termistor (NTC)	Penurunan  nilai tahanan  logam akibat kenaikan temperatur	Temperatur
Mikropon kapasitor	Tekanan  suara  mengubah  nilai kapasitansi dua buah plat	Suara, musik,derau
Pengukuran reluktansi	Reluktansi  rangkaian  magnetik diubah dengan mengubah posisi inti besi sebuah kumparan	Tekanan,   pergeseran, getaran, posisi

Sumber: William D.C, (1993)

2.7. Beberapa contoh jenis Aktuator yang umum dipakai :

·    Relai  adalah  alat  yang  dioperasikan  dengan  listrik  dan  secara  mekanis  mengontrol penghubungan rangkaian listrik, bermanfaat untuk kontrol jarak jauh dan untuk pengontrolan alat  tegangan dan arus tinggi dengan sinyal kontrol tegangan dan arus rendah. Bekerja berdasarkan pembentukan elektromagnet yang menggerakkan elektromekanis penghubung dari dua atau lebih titik penghubung (konektor) rangkaian sehingga dapat menghasilkan kondisi kontak ON atau kontak OFF atau kombinasi dari keduanya.

·    Selenoid  adalah alat  yang  digunakan untuk  mengubah sinyal  listrik  atau  arus listrik menjadi gerakan mekanis linear. Terbentuk dari kumparan dengan inti besi yang dapat bergerak, besarnya gaya tarikan atau dorongan yang dihasilkan adalah ditentukan dengan jumlah lilitan kumparan tembaga dan besar arus yang mengalir melalui kumparan.

·    Stepper adalah alat yang mengubah pulsa listrik yang diberikan menjadi gerakan rotor discret  (berlainan)  yang disebut  step (langkah). Satu putaran motor memerlukan 360 derajat dengan jumlah langkah yang tertentu perderajatnya. Ukuran kerja dari stepper biasanya   diberikan   dalam   jumlah   langkah   per-putaran   per-detik.   Motor   stepper

mempunyai kecepatan dan torsi yang rendah namun memiliki kontrol gerakan posisi yang cermat, hal ini dikarenakan memiliki beberapa segment kutub kumparan.

·    Motor DC adalah alat yang mengubah pulsa listrik menjadi gerak, mempunyai prinsip dasar yang sama dengan motor stepper namun gerakannya bersifat kontinyu atau berkelanjutan. Motor DC dibagi menjadi 2 jenis yaitu ; Motor DC dengan sikat (mekanis komutasi), yaitu motor yang memiliki sikat karbon berfungsi sebagai pengubah arus pada kumparan sedemikian rupa sehingga arah tenaga putaran motor akan selalu sama. Motor DC tanpa sikat , menggunakan semi konduktor untuk merubah maupun membalik arus sehingga  layaknya  pulsa  yang  menggerakkan  motor  tersebut.  Biasa  digunakan  pada sistem servo, karena mempunyai efisiensi tinggi, umur pemakaian lama, tingkat kebisingan  suara   listrik   rendah,   karena   putarannya   halus   seperti  stepper   namun putarannya terusmenerus tanpa adanya step. + Rano (Sumber: Buku Elektronik Industri, Frank D. Petruzella)