MENGENAL JENIS-JENIS SENSOR DAN PEMANFAATANNYA DI DUNIA INDUSTRI PDF

Preview

Summary

UNIVERSITAS FALETEHAN MENGENAL JENIS – JENIS SENSOR DAN PEMANFAATANNYA DI DUNIA INDUSTRI KNOWING THE TYPES OF SENSORS AND THEIR USE IN THE INDUSTRIAL WORLD Liman Khoeri Munandar 11218001 Prodi Teknik Elektro, Fakultas Sains Dan Teknik, Universitas Faletehan E-mail : [email protected] Abstract Alon...

Description

UNIVERSITAS FALETEHAN MENGENAL JENIS – JENIS SENSOR DAN PEMANFAATANNYA DI DUNIA INDUSTRI KNOWING THE TYPES OF SENSORS AND THEIR USE IN THE INDUSTRIAL WORLD Liman Khoeri Munandar 11218001 Prodi Teknik Elektro, Fakultas Sains Dan Teknik, Universitas Faletehan E-mail : [email protected] Abstract Along with the development of intelligent technology, technological advances in the fields of electronics, digital and industrial automation have caused the use of sensor components to be more diverse and widely applied in various electronic circuits. The sensor is a device that functions to convert one power into another power. In a measurement system, the sensor is a system element that is effectively related to the process in which a variable is being measured and produces an output in a certain form depending on the input variable, and can be used by other parts of the measurement system to recognize the value of that variable. Referring to the above explanation, the importance of information needs related to the development of sensor technology and understanding the types of sensors according to their functions as detecting symptoms or signals, the purposes of this paper are to: (1) provide information about sensors; nature, classification and characteristics of sensors; (2) the concept of data acquisition on sensors of various types and functions of sensors; (3) wireless sensor network technology and some industrial sensor applications. Keywords : Sensors, Intelligent Technology, Industry.

Abstrak Seiring dengan perkembangan teknologi cerdas maka kemajuan teknologi di bidang elektronika, digital dan otomasi industri telah menyebabkan pemanfaatan komponen sensor semakin beragam dan banyak diaplikasikan di berbagai rangkaian elektronika. Sensor merupakan alat yang berfungsi untuk mengubah suatu daya menjadi daya yang lain. Dalam sebuah sistem pengukuran, sensor merupakan elemen sistem yang secara efektif berhubungan dengan proses di mana suatu variabel sedang diukur dan menghasilkan suatu keluaran dalam bentuk tertentu tergantung pada variabel masukannya, dan dapat digunakan oleh bagian sistem pengukuran yang lain untuk mengenali nilai variabel tersebut. Merujuk pemaparan diatas, pentingnya kebutuhan informasi terkait perkembangan teknologi sensor dan memahami jenis-jenis sensor sesuai fungsinya sebagai pendeteksi gejala-gejala atau sinyal, maka tujuan penulisan ini adalah untuk : (1) memberikan informasi tentang sensor; sifat, klasifikasi dan karakteristik sensor; (2) konsep akuisisi data pada sensor berbagai jenis dan fungsi sensor; (3) teknologi jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network) dan beberapa aplikasi sensor di industri. Kata kunci : Sensor, Teknologi Cerdas, Industri.

PENDAHULUAN Seiring dengan perkembangan teknologi cerdas maka kemajuan teknologi di bidang elektronika, digital dan otomasi industri telah menyebabkan pemanfaatan komponen sensor semakin beragam dan banyak diaplikasikan di berbagai rangkaian elektronika. Dalam sebuah sistem pengukuran atau sistem instrumentasi, sensor adalah elemen sistem yang secara efektif berhubungan dengan proses di mana suatu variabel sedang diukur dan menghasilkan suatu keluaran dalam bentuk tertentu tergantung pada variabel masukannya, dan dapat digunakan oleh bagian sistem pengukuran yang lain untuk mengenali nilai variabel tersebut (Syam, 2013). Banyak industri masih memanfaatkan jaringan tradisional (menggunakan kabel) sebagai bagian dari arsitektur untuk interfacing sensor dan aktuator dalam proses mengkomunikasikan informasi. Data dari lapangan harus dibagikan cepat dan akurat untuk mewujudkan sistem yang hemat biaya, fleksibel, terukur dan andal. Sebenarnya tidak ada standar komunikasi khusus untuk jaringan sensor, namun suatu perangkat hanya mempertimbangkan biaya dan fleksibilitas sensor untuk memenuhi kebutuhan Industri. Perkembangan teknologi sensor dan transduser berdampak pula pada pemanfaatan jaringan sensor nirkabel atau Wireless Sensor Network (WSN) ke dalam berbagai pekerjaan manusia dan industri. Pada awalnya, aplikasi WSN hanya digunakan untuk kegiatan militer untuk keperluan pertahanan suatu negara. Namun, saat ini WSN telah digunakan dalam berbagai bidang dan untuk beragam keperluan, antara lain untuk pemantauan lingkungan, pemantauan aktivitas gunung api, komponen pendukung membangun rumah pintar (smart home), kota pintar (smart city), transportasi pintar (smart transportation), pemantauan aktivitas di bidang perkebunan dan pertanian, dan lain sebagainya. Sesungguhnya aktivitas utama dari aplikasi WSN merupakan pemantauan, namun untuk kebutuhan kendali (control system) dapat melibatkan perangkat output seperti aktuator. P a g e 2 | 29

Merujuk pemaparan diatas, pentingnya kebutuhan informasi terkait perkembangan teknologi sensor dan memahami jenis-jenis sensor sesuai fungsinya sebagai pendeteksi gejalagejala atau sinyal, maka tujuan penulisan ini adalah untuk memberikan informasi tentang sensor; sifat, klasifikasi dan karakteristik sensor; konsep akuisisi data pada sensor berbagai jenis dan fungsi sensor; teknologi jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network) dan beberapa aplikasi sensor di industri. METODOLOGI Penelitian ini menggunakan metode deskriptif kualitatif untuk mengetahui pemaparan atau menjelaskan tentang sensor dan pemanfaatannya di dunia industri. Penelitian ini menggunakan sumber berupa buku, artikel dan jurnal. Teknik pengumpulan data melalui pustaka yang berkaitan dengan objek yang diteliti. LANDASAN TEORI Sensor merupakan alat yang berfungsi untuk mengubah suatu daya menjadi daya yang lain. Komponen yang dapat digunakan untuk mengkonversi suatu besaran tertentu menjadi satuan analog sehingga dapat dibaca oleh suatu rangkaian elektronik. Sekarang sensor telah dibuat dengan ukuran sangat kecil dengan orde nanometer, sehingga sangat memudahkan pemakaian dan menghemat energi. Variabel keluaran dari sensor yang diubah menjadi besaran listrik disebut Transduser. .Sensor merupakan komponen utama dari suatu tranduser, sedangkan tranduser merupakan sistem yang melengkapi agar sensor tersebut mempunyai keluaran sesuai yang kita inginkan dan dapat langsung dibaca pada keluarannya. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara elektronik berfungsi mengubah tegangan fisika (misalnya: temperatur, cahaya, gaya, kecepatan putaran) menjadi besaran listrik yang proposional. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan ini harus memenuhi P a g e 3 | 29

persyaratan-persyaratan kualitas yakni : Linieritas , tidak tergantung temperatur, kepekaan dan waktu tanggapan. Berdasarkan klasifikasinya, sensor dibedakan sesuai dengan aktifitas sensor yang didasarkan atas konversi sinyal yang dilakukan dari besaran sinyal bukan listrik (nonelectric signal value) ke besaran sinyal elektrik (electric signal value) yaitu, sensor aktif (active sensor), pasif sensor (passive sensor), sensor analog dan sensor digital. Sensor Pasif adalah jenis sensor yang dapat menghasilkan sinyal output tanpa memerlukan pasokan listrik dari eksternal. Contohnya Termokopel (Thermocouple) yang menghasilkan nilai tegangan sesuai dengan panas atau suhu yang diterimanya. Sensor Aktif adalah jenis sensor yang membutuhkan sumber daya eskternal untuk dapat beroperasi. Sifat fisik Sensor Aktif bervariasi sehubungan dengan efek eksternal yang diberikannya. Sensor Aktif ini disebut juga dengan Sensor Pembangkit Otomatis (Self Generating Sensors). Sensor Analog adalah sensor yang menghasilkan sinyal output yang kontinu atau berkelanjutan. Sinyal keluaran kontinu yang dihasilkan oleh sensor analog ini sebanding dengan pengukuran. Berbagai parameter Analog ini diantaranya adalah suhu, tegangan, tekanan, pergerakan dan lain-lainnya. Contoh Sensor Analog ini diantaranya adalah akselerometer (accelerometer), sensor kecepatan, sensor tekanan, sensor cahaya dan sensor suhu. Sedangkan Sensor Digital adalah sensor yang menghasilkan sinyal keluaran diskrit. Sinyal diskrit akan non-kontinu dengan waktu dan dapat direpresentasikan dalam “bit”. Sebuah sensor digital biasanya terdiri dari sensor, kabel dan pemancar. Sinyal yang diukur akan diwakili dalam format digital. Output digital dapat dalam bentuk Logika 1 atau logika 0 (ON atau OFF). Sinyal fisik yang diterimanya akan dikonversi menjadi sinyal digital di dalam sensor P a g e 4 | 29

itu sendiri tanpa komponen eksternal. Kabel digunakan untuk transmisi jarak jauh. Contoh sensor digital ini adalah akselerometer digital (digital accelerometer), sensor kecepatan digital, sensor tekanan digital, sensor cahaya digital dan sensor suhu digital. Fungsi utama dari sensor adalah untuk mengidentifikasi dan berkomunikasi dengan besaran suhu, panas, tekanan, jarak, kelembaban, dan sebagainya.

Gambar 1 Fungsi Sensor Sumber: Google Sensor dapat memberikan output dalam bentuk sinyal listrik ke sistem kontrol yang terhubung. Sensor terdiri dari beberapa jenis, diantanya sebagai berikut: 1. Sensor Suhu Sensor suhu digunakan untuk mendeteksi suhu dan energi panas dan mengubahnya menjadi sinyal listrik (berupa tegangan atau arus). Ada beberapa jenis sensor suhu yang digunakan. Dalam dunia industri Sensor Suhu berfungsi sebagai monitoring secara real time dan kontinu keadaan perubahan suhu mesin atau sebuah zat yang mendukung proses produksi tersebut. P a g e 5 | 29

Untuk Aplikasinya sebagai berikut: Sebagai Pengaman Mesin, dengan mengetahui nilai suhu pada mesin tersebut maka dibuat sebuah rangkaian kontrol ketika suhu mencapai batas tertentu untuk mematikan mesin tersebut.Sebagai Monitoring Suhu Air, Untuk operator pada industri ini sangat penting karena proses ada sebuah proses produksi yang menjaga suhu pada air tersebut. Cara Kerja Sensor Suhu Hingga Tampil Pada Display. Prinsip Kerja Sensor Suhu secara umum komponen yang mengukur nilai suhu sekitar dirubah ke sinyal listrik. Sinyal listrik tersebut yang sering dipakai adalah Sinyal listrik 4 20mA Sinyal listrik 1 - 5V Sinyal listrik 0 - 10V. Dari jenis sinyal listrik diatas kita memerlukan sebuah kontroller untuk memproses sinyal tersebut hingga tampil pada Display. Jenis-jenis Sensor Suhu Pada Industri ada 4 jenis sensor suhu yaitu ensor Suhu RTD (Resistance Temperature Detectors), Sensor Suhu Termokopel (Thermocouple), Sensor Suhu Thermistors dan Sensor Suhu Semiconductor. Dari 4 Jenis Sensor Suhu tersebut ada 2 jenis banyak kita jumpai pada industri yaitu RTD dan Thermocouples. 1) Sensor Suhu RTD ( Resistance Temperature Detectors ) berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi (ohm) listrik yang sebanding lurus dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu yang terukur, resistansinya semakin besar juga. Banyak yang kurang tahu tentang RTD karena di indonesia biasanya di sebut dengan PT100 padahal itu tipe pilihan dari RTD. Terdapat berbagai tipe RTD salah satunya PT100 PT1000. Bahan Pembuatan RTD, material ini sangat penting anda ketahui karena banyak dipasaran banyak yang jual dengan harga murah tetapi meterialnya jelek. Kelebihan Sensor Suhu RTD - PT100 adalah tingkat akurasi pengukuran yang tinggi, sinyal yang perubahanya linier, respon perubahan yang cepat. Sedangkan kekurangan Sensor Suhu RTD - PT100 yaitu harga relatif mahal Panjang kabel (jangkauan ) yang lebih pendek P a g e 6 | 29

dari pada thermocouple, resistansi yang rendah, rentan pada kerusakan mekanis, perlu catu daya, rentan terhadap sinyal noise, jika rusak tidak bisa diperbaiki dan jika ada kabel yang terkelupas menyebabkan pembacaan error. 2) Sensor Suhu Termokopel (Thermocouple), thermocouple terbuat dari sepasang transduser panas dan dingin yang disambungkan kemudian dilebur bersama, yang menyebabkan timbul perbedaan antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding. Jadi ada sebuah perbedaan transduser panas dan dingin yang perbedaan tersebut menjadi nilai pengukuran suhu oleh Termokopel. Jenis termokopel dan bahan pembuatanya menurut standar ISA MC96.1, termokopel dapat ditunjuk dengan kombinasi huruf yang berbeda seperti "E", "J", "K", "T", "S", "R". Range pengukuran sensor suhu termokopel: Termokopel Type E adalah 0 - 800°CTermokopel Type J adalah 0 - 750°C Termokopel Type K adalah 0 1100°CTermokopel Type T adalah -185 - 300°CTermokopel Type S adalah 0 1550°CTermokopel Type R adalah 0 - 1600°C. Kelebihan Sensor Suhu Termokopel yaitu respon terhadap perubahan yang cepat, cocok untuk pengukuran jarak jauh dan harga yang murah. Sedangkan kekurangan Sensor Suhu Termokopel diantaranya memerlukan kabel kusus termokopel untuk menghindari noise atau suhu external, kemungkinan sensitivitas terhadap sinyal noise, kebutuhan akan instrumen sekunder, perlu menghindari persimpangan antara logam yang berbeda,k etidakmampuan untuk mengukur suhu secara akurat dalam rentang yang sempit. 3) Sensor Suhu Termistor (Thermistors). Termistor adalah termometer tahanan, mirip dengan Resistance Temperature Detector (RTD) dan digunakan untuk pengukuran suhu. Ini terdiri dari resistor non-logam yang digunakan sebagai elemen penginderaan suhu. Termistor ini terutama berlaku dalam pengukuran suhu presisi, kontrol suhu, dan P a g e 7 | 29

kompensasi suhu, terutama dalam kisaran suhu yang lebih rendah -100°C hingga +300°C. Perbedaan antara Thermistor dan Resistance Temperature Detectors (RTD); Perbedaan pertama, bahwa hambatan listrik dari resistor yang digunakan dalam termistor bervariasi secara non-linear sehubungan dengan suhu. Perbedaan kedua, elemen penginderaan yang digunakan dalam termistor terdiri dari keramik atau polimer, sedangkan RTD menggunakan logam murni sebagai elemen penginderaannya. Bahan Sensor Suhu Termistor dibuat dari bahan-bahan seperti campuran logam oksida seperti mangan, nikel, kobalt, dan besi yang disinter. Daya tahannya berkisar dari 0,4 ohm hingga 75 mega-ohm. Jenis Sensor Suhu Termistor; a) Positive Temperature Coefficient Thermistor (PTC) Semakin tinggi pengukuran suhu maka nilai resistansi / hambatan semakin tinggi (+) hingga aliran listrik menjadi 0 karena batasan maksimum hambatan. b) Negative Temperature

Coefficient

Thermistor

(NTC)Positive

Temperature

Coefficient

Thermistor (PTC), sebaliknya semakin tinggi pengukuran suhu maka nilai resistansi akan menurun (-) ketka suhu mencapai nilai maksimum maka Hambatan akan 0 dan aliran listrik akan semakin besar sesuai tegangan yang diijinkan. 4) Sensor Suhu Semiconductor. Sensor suhu Semiconduktor adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Teknologi ini banyak digunakan dalam perangkat elektronik dan teknologi IC. Karakteristik linier, ukuran kecil, dan biaya rendah adalah keunggulan dari teknologi ini memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC. 2. Sensor Tekanan

P a g e 8 | 29

Sensor Tekanan atau Pressure Sensor merupakan sebuah alat yang mampu mengukur suatu tekanan dengan cara mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Biasanya tekanan yang diukur dalam suatu zat tersebut memiliki tekanan yang sangat kecil sehingga sulit untuk diukur apabila menggunakan alat pengukur biasa. Jenis Jenis Sensor Tekanan: 1) Bourdon Tubes.

Gambar 2 Sensor Tekanan Bourden Tubes Sumber: Google Bourdon Tubes adalah suatu alat sejenis pipa berbentuk pendek lengkung dan salah satu ujungnya tertutup. Prinsip kerja dari alat ini yaitu ketika bourdon tubes mendapatkan sebuah tekanan maka ia akan cenderung untuk “menegang”. Perubahan yang dihasilkan sesuai dengan besarnya tekanan yang diberikan.

Gambar 3 P a g e 9 | 29

Elemen Bourden Tubes Sumber: Google Kelebihannya yaitu tidak mudah dipengaruhi oleh perubahan suhu atau temperature, baik digunakan untuk mengukur tekanan antara 30 – 10000 Psi. Sedangkan kekurangannya yaitu pada tekanan rendah 0 – 30 Psi kurang sensitive. 2) LVDT (Liniear Variabel Differential Transformer). LVDT atau (Linear Variable Differential Transformer) adalah salah satu contoh sensor posisi, yang bekerja berdasarkan dari keberadaan sebuah medan magnet. Pertama kali LVDT dikemukakan oleh G.B. Hoadley dan digunakan untuk kepentingan militer. Pada tahun 1950 an alat LVDT terus dikembangkan hingga saat ini dapat digunakan dalam kepentingan industri. Komponen Utama LVDT; a) Kumparan, terdapat 3 kumparan penyusun LVDT yaitu : 1 kumparan primer dan 2 kumparan sekunder. Kumparan sekunder ini berjumlah 2 buah agar pada perbedaan besar induksi yang diterima kedua kumparan dapat digunakan untuk menentukan seberapa besar perubahan posisi batang inti (magnet). 2) CORE atau Batang Inti Magnet, biasanya material dari batang inti ini memiliki bentuk silinder atau turbular dengan komponen penyusun berupa Nickel-Iroin Permalloy.

Gambar 4 Komponen Utama LVDT Sumber: Google

P a g e 10 | 29

Prinsip Kerja LVDT, perubahan tekanan dalam kandung akan menyebabkan perubahan posisi inti magnet pada kumparan LVDT, sehingga mengakibatkan adanya perubahan induksi magnetik pada kumparan sekunder 1 dan 2. Dengan adanya perubahan induksi magnetik pada kedua kumparan sekunder tersebut maka output kedua kumparan tersebut akan menghasilkan tegangan induksi magnetik yang nilainya sesuai dengan pergeseran inti magnet LVDT tadi. Pergeseran inti magnet di tengah kumparan tersebut menyebabkan adanya tegangan output pada kumparan yang mendapat induksi dari inti magnet tersebut. Sensor Tekanan Semikonduktor (MPX4100). Sensor Tekanan Semikonduktor MPX4100 merupakan seri dari Manifold Absolute Pressure adalah sebuah sensor tekanan yang mampu membaca tekanan udara dalam suatu manifold. Pada dasarnya MPX4100 telah dilengkap dengan rangkaian pengkondisi sinyal dan temperature kalibrator yang membuat sensor ini lebih stanil terhadap perubahan suhu. Keakuratan pengukuran pada sensor ini menggunakan teknik micro machine, thin film metalization dan proses bipolar semiconduktor.

Gambar 5 Bentuk-bentuk sensor tekanan mpx4100 P a g e 11 | 29

Sumber: Google Sensor MPX4100 memiliki bentuk yang cukup kecil, sehingga dapat digunakan dengan lebih simpel, praktis dan efisien tempat peletakan sensor ini. Dengan keberadaan sinyal pengkondisian sinyal, sensor ini dapat tersambung langsung pada Analog to Digital Converter. Rangkaian pengkondisi sinyal mam menghasilkan tegangan analog dengan Skala penuh (Full Scale) hingga 5 volt. Prinsip kerja dari sensor tekanan ini yaitu dengan mengubah tekanan mekanik menjadi listrik. Kurang ketegangan didasari pada prinsip bahwa sebuah tahanan pengantar b ]erubah dengan panjang dan luas penampang. Daya yang diterima pada kawat itu sendiri mengakibatkan kawat menjadi bengkok. Sehingga menyebabkan ukurat kawat berubah dan mengubah ketahanannya. Penggunaan Sensor Tekanan MPX4100 sebagai pemantau cuaca yang sering berubah-ubah. Pada pesawat terbang, sensor ini digunakan untuk mengukur tekanan angin yang berada di dalam band pesawat terbang. Sebagai pengukur tekanan udara pada ruangan tertutup atau pengukur tekanan ban. Pressure sensor banyak digunakan dalam berbagai bidang dengan segala fungsinya, seperti; a) Bidang Otomotif, dalam dunia industri otomotif, terutama dalam mesin otomotif dan berbagai komponen penting lainnya, sensor tekanan sering digunakan dalam sistem pengereman kendaraan (rem kendaraan yang menggunakan angin, seperti Bus atau juga sistem ABS (Anti-Lock Brake System). Selain itu, sensor tekanan juga digunakan pada sistem airbag untuk mendeteksi terjadinya tabrakan, karena ketika tabrakan, badan kendaraan mengalami tekanan yang cukup besar. B) Bidang Biomedis, dalam dunia medis, sensor ini banyak digunakan untuk pengukuran hal hal vital seperti tekanan darah dan digunakan sebagai sensor

untuk kontroller-kontroller penting,

seperti pengatur tekanan cairan infus. c) Bidang Manufaktur, sementara pada bidang P a g e 12 | 29

manufaktur, sensor tekanan sangat dibutuhkan untuk mendeteksi tekanan dengan tepat di dalam berbagai hal seperti proses pemanasan, proses pengovenan komponen komposit, pneumatic, dan masih banyak lagi. 3. Sensor Sentuh Sensor sentuh disebut sensor Peraba. Ini adalah sensor elektronik yang digunakan untuk mendeteksi dan merekam sentuhan fisik. Sensor sentuh kapasitif, sensor sentuh resistif adalah contoh terbaik dari sensor sentuh. Se...