Pengukuran Besaran Listrik Potensiometer 3i3j8

07.

Pengukuran Besaran Listrik POTENSIOMETER

7.1

Pendahuluan Potensiometer merupakan sebuah instrumen penting dalam bidang pengukuran listrik dan kalibrasi. Potensiometer pada dasarnya digunakan untuk mengukur tegangan yang tidak diketahui dengan cara membandingkannya terhadap tegangan yang diketahui, dimana tegangan yang diketahui disuplai dari sebuah sel standar atau sumber tegangan referensi yang diketahui. Disamping itu, potensiometer juga dapat digunakan untuk : 1. menentukan arus, dengan hanya mengukur penurunan tegangan yang dihasilkan arus tersebut melalui sebuah tahanan yang diketahui. 2. mengkalibrasi voltmeter dan ampermeter, dan melengkapi cara standar untuk mengkalibrasi instrumen-instrumen tersebut. Pengukuran yang didasarkan pada cara perbandingan akan menghasilkan tingkat ketelitian yang sangat tinggi, karena hasil yang diperoleh hanya bergantung pada ketelitian tegangan standar yang diketahui, dan bukan bergantung pada defleksi aktual dari jarum penunjuk sebagaimana pada instrumen kumparan putar. Prinsip dasar sebuah potensiometer adalah memanfaatkan keadaan setimbang atau kondisi nol, maka jika kondisi setimbang dicapai, tidak ada daya yang diserap dari rangkaian yang mengandung gaya gerak listrik ( ggl ) yang tidak diketahui, dan sebagai akibatnya, penentuan tegangan tidak bergantung pada tahanan sumber.

7.2

Rangkaian-Rangkaian Potensiometer

7.2.1

Rangkaian Dasar Prinsip kerja potensiometer didasarkan pada rangkaian gambar 1, yang memperlihatkan skema dasar dari potensiometer kawat geser ( slide wire ). Adapun operasi rangkaian dasar pada gambar 1 adalah sebagai berikut : 1. Jika saklar S dipindah ke posisi “ operasi “ dan saklar kunci galvanometer dibuka, maka baterai kerja akan mengalirkan arus ke tahanan dan kawat geser, dan arus kerja yang melalui kawat geser dapat diubah dengan cara mengubah posisi dari tahanan geser. 2. Untuk mengukur tegangan yang tidak diketahui ( E ), ditentukan dengan cara bagaimana

mendapatkan

posisi

kontak

geser,

sehingga

galvanometer

menunjukkan defleksi nol jika saklar galvanometer ditutup. Arus galvanometer nol, menunjukkan bahwa tegangan yang tidak diketahui ( E ) besarnya sama dengan penurunan tegangan E’ pada bagian xy dari kawat

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

1

geser.( dengan perkataan lain penentuan nilai E adalah penentuan penurunan tegangan E‘ sepanjang kawat geser ).

Gambar 1 Catatan : 1. Kawat geser mempunyai tahanan yang sama sepanjang kawat. 2. Sebuah skala yang dikalibrasi, biasanya dalam centimeter atau millimeter yang terdapat sepanjang kawat geser, sehingga kontak geser dapat dipindah-kan ke posisi yang diinginkan. 3. Disebabkan tahanan kawat geser diketahui secara tepat, maka penurunan tegangan sepanjang kawat atau sebagian kawat dapat dikontrol dengan mengatur arus kerja. Sebagai langkah awal dalam prosedur pengukuran, arus kerja perlu diatur atau distandarkan ke sebuah tegangan referensi yang diketahui, seperti sel standar pada gambar 1, dan caranya adalah sebagai berikut : -

kawat geser mempunyai panjang total 200 cm dan tahanan 200 Ω. Gaya gerak listrik ( ggl ) tegangan referensi yang diperlihatkan sel standar 1,019 V.

-

Sakalar S diletakkan pada posisi “ kalibrasi “ dan kontak geser ditempatkan pada tanda 101,9 cm pada skala kawat geser.

-

Selanjutnya tahanan geser diatur agar memberikan arus kerja, sehingga jika saklar galvanometer ditutup, maka galvanometer tidak menghasilkan defleksi ( keadaan setimbang dicapai ).

-

Pada kondisi setimbang ini, penurunan tegangan pada kawat sepanjang 101,9 cm sama dengan tegangan sel standar sebesar 1,019 V, dan karena bagian

kawat

sepanjang

101,9

cm

menyatakan

tahanan

sebesar

:

(101,9 / 200 ) x 200 Ω = 101,9 Ω , maka arus kerja adalah: 1,019/101,9 = 10 mA ( sekali dikalibrasi, arus kerja tidak pernah berubah ). PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

2

-

Setelah potensiometer distandarkan, maka setiap tegangan dc yang kecil yang tidak diketahui ( maksimum 1,6 V ) dapat diukur.

-

Selanjutnya saklar S dipindahkan ke posisi “ operasi “ dan kontak geser digerakkan sepanjang kawat sampai galvanometer tidak menunjukkan defleksi, jika saklarnya ditutup ( kondisi setimbang dicapai ).

-

Pada kondisi setimbang ini, besar tegangan E dapat ditentukan yaitu sama dengan penurunan tegangan E’ sepanjang bagian xy.

Contoh 1 :

Potensiometer yang ditunjukkan pada gambar 1, mempunyai baterai kerja 3,0 V dan tahanan dalam diabaikan. Tahanan kawat geser 400 Ω dan panjang 200 cm. Sebuah skala 200 cm sepanjang kawat geser mempunyai bagian skala 1 mm dan dapat diinterpolasi pada nilai seperempat dari satu bagian skala. Potensiometer distandarkan dengan sebuah tegangan referensi 1,0180 V dengan menyetel kontak geser ke posisi 101,8 cm pada skala. Tentukan : a.

arus kerja

b. nilai tahanan geser c. rangkuman pengukuran d. resolusi instrumen dalam mV. Penyelesaian : a. Menghitung arus kerja : instrumen distandarkan, tanda 101,8 cm pada skala sesuai dengan 1,0180 V ( E ’ pada gambar 1 ), maka 101,8 cm menyatakan tahanan sebesar =

(101,8 / 200 )

x 400 Ω = 203,6 Ω. Jadi arus kerja = 1,0180 V / 203,6 Ω = 5 mA b. Menghitung nilai tahanan geser karena arus kerja = 5 mA, maka penurunan tegangan pada seluruh kawat geser adalah : 5 mA x 400 Ω = 2,0 V, maka penurunan tegangan pada tahanan geser adalah : 3,0 – 2,0 = 1 V, dan penyetelan tahanan geser menjadi = 1,0 V / 5 mA = 200 Ω. c. Menghitung rangkuman pengukuran rangkuman pengukuran ditentukan oleh tegangan total seluruh kawat geser, yaitu : 5 mA x 400 Ω = 2,0 V d. Menghitung resolusi instrumen resolusi instrumen ditentukan dari tegangan yang dinyatakan oleh seperempat dari satu bagian skala, yaitu : 0,25 mm. Karena panjang total200 cm menyatakan 2,0 V, maka resolusi : ( 0,25 mm / 200 cm ) x 2,0 V = 0,25 mV PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

3

7.2.2

Potensiometer Satu Rangkuman Potensiometer tipe laboratorium modern menggunakan tahanan tingkat / dial resistor yang telah dikalibrasi dan sebuah kawat geser berbentuk lingkaran kecil dengan satu atau lebih gulungan, sehingga memperkecil ukuran instrumen. Pada gambar 2, ditunjukkan diagram rangkaian sebuah potensiometer sederhana, yang terdiri dari : -

gabungan 15 tahanan presisi dan kawat geser berbentuk lingkaran satu gulungan ( pengganti kawat geser yang panjang ).

-

Tahanan kawat geser 10 Ω dan tahanan-tahanan piringan masing-masing mempunyai nilai 10 Ω, sehingga tahanan total saklar tingkat 150 Ω

Gambar 2 -

Kawat geser yang dilengkapi dengan 200 pembagian skala dan interpolasi sebesar seperlima dari satu bagian skala dapat diperkirakan dengan baik.

-

Arus kerja yang dipertahankan pada 10 mA, sehingga setiap langkah dari saklar tingkat menyatakan tegangan 0,1 V, dan masing-masing bagian skala pada kawat geser menyatakan tegangan 0,0005 V dan pembacaan dapat ditaksir sampai sekitar 0,0001 V.

-

Sebuah saklar fungsi dua posisi yang menghubungkan salah satu sel standar atau ggl yang tidak diketahui ke rangkaian, dan saklar K dan tahanan seri pengaman pada rangkaian galvanometer

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

4

Untuk mengoperasikan galvanometer pada sensitivitas maksimal, tahanan pengaman dihubung singkat dengan memasang kunci hubung singkat di dalam kontak antara tahanan dan pengaman tersebut. Contoh 2 :

Potensiometer satu rangkuman seperti ditunjukkan pada gambar 2, mempunyai saklar tingkat 20 langkah, dimana masing-masing langkah menyatakan 0,1 V, dan tahanan masing-masing tingkat adalah 10 Ω. Kawat geser 11 gulungan mempunyai tahanan 11 Ω, mengijinkan saling menutupi sebagian antara penyetelan-penyete-lan saklar tingkat. Skala kawat geser yang berbentuk lingkaran mempunyai 100 bagian skala, dan interpolasi dapat dilakukan pada seperlima dari satu bagian skala. Baterai kerja mempunyai tegangan 6,0 V dan tahanan dalamnya diabaikan.

Tentukan : a. rangkuman pengukuran b.

resolusi dalam μV

c. arus kerja d. penyetelan tahanan geser

Penyelesaian : a. Menghitung rangkuman pengukuran Tahanan total rangkaian pengukuran Rm : Rm = Rpiringan + Rkawat geser = ( 20 x 10 Ω ) + 11 Ω = 211 Ω Karena setiap langkah 10 Ω menyatakan tegangan 0,1 V, maka rangkuman total pengukuran = ( 211 / 10 Ω ) x 0,1 V = 2,11 V. b. Menghitung resolusi kawat geser 11 Ω menyatakan tegangan : ( 11 / 10 Ω ) x 0,1 V = 0, 11 V, jadi tiap gulungan tahanan geser menyatakan = 0,11 V / 11 = 0,01 V = 10 mV. Tiap bagian skala pada skala kawat geser = 1/100 x 10 mV = 0,1 mV atau 100 μV, jadi : resolusi instrumen = 1/5 x 100 μV = 20 μV. c. Menghitung arus kerja untuk mempertahankan tegangan 0,1 V pada setiap tahanan piringan 10 Ω, maka besar arus kerja = 0,1 V / 10 Ω = 10 mA. d. Menghitung penyetelan tahanan geser karena tegangan pada keseluruhan tahanan pengukuran

2,11 V, maka

penurunan tegangan pada tahanan geser = 6,0 V – 2,11 V = 3,89 V. Jadi penyetelan tahanan geser = 3,89 V / 10 mA = 389 Ω.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

5

Langkah-Langkah Pengukuran Tegangan Potensiometrik 1. Kombinasi tahanan-tahanan piringan dan kawat geser, ditetapkan ke nilai tegangan sel standar. 2. Saklar diset ke posisi “ kalibrasi “ dan saklar K dicabangkan ketika tahanan geser diatur untuk memberikan defleksi nol pada galvanometer, dan untuk mencegah kerusakan galvanometer selama pengaturan awal, rangkaian pengaman dibiarkan di dalam rangkaian. 3.

Pada waktu defleksi nol hampir dicapai, tahanan pengaman dihubung singkat dan penyetelan akhir dilakukan dengan mengatur tahanan geser.

4. Pada waktu standardisasi selesai, saklar dipindah ke posisi “ operasi “, yang berarti menghubungkan ggl yang tidak diketahui ke rangkaian ( instrumen dibuat setimbang oleh piringan utama dan kawat geser, dengan tetap membiarkan tahanan pengaman di dalam rangkaian ). 5. Pada saat kesetimbangan hampir dicapai, tahanan pengaman dihubung singkat dan penyetelan akhir dilakukan untuk memperoleh suatu kondisi setimbang yang sebenarnya. 6. Nilai tegangan yang tidak diketahui, dapat dibaca langsung dari penyetelanpenyetelan piringan. 7. Arus kerja diperiksa dengan memindahkan saklar ke posisi “ kalibrasi “. Jika penyetelan-penyetelan piringan persis sama dengan prosedur kalibrasi semula, maka pengukuran yang dilakukan telah memenuhi, akan tetapi jika pembacaan tidak sesuai, pengukuran kedua harus dilakukan dan kembali lagi ke pengujian kalibrasi. 7.2.3

Potensiometer Dua Rangkuman Pada gambar 3, ditunjukkan diagram rangkaian dari sebuah potensiometer dua rangkuman, dimana R1 dan R2 adalah tahanan-tahanan rangkuman, dan saklar S merupakan saklar rangkuman.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Gambar 3

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

6

Untuk lebih mudah dimengerti dan dianalisis tentang prinsip kerja dari potensiometer ini, maka diagram rangkaian pada gambar 3 digambarkan dalam bentuk yang lebih sederhana, dengan menghilangkan sebagian perincian rangkaian galvanometer dan rangkaian kalibrasi, seperti ditunjukkan pada gambar 4. Pada gambar 4 ditunjukkan bahwa : tahanan pengukuran total Rm terdiri dari kawat geser yang dihubungkan seri dengan piringan utama. Piringan utama terdiri dari 15 tingkatan yang masing-masing mempunyai tahanan 10 Ω, sehingga tahanan totalnya 150 Ω, dan tahanan kawat geser 10 Ω. Arus pengukuran Im harus 10 mA, agar penurunan tegangan sebesar 1,6 V pada piringan utama dan kawat geser ( pada tahanan pengukuran Rm ) dapat dicapai. Jika saklar rangkuman diatur pada posisi : x 0,1, maka arus pengukuran Im harus diturunkan menjadi sepersepuluh dari nilai semula, yaitu 1 mA, agar dihasilkan suatu penurunan tegangan 0,16 V pada tahanan pengukuran Rm.

Gambar 4 Hal penting dalam perencanaan rangkaian adalah membuat rangkaian mampu untuk mengubah rangkuman pengukuran tanpa mengatur kembali tahanan geser atau tanpa mengubah tegangan baterai kerja, dengan perkataan lain sekali instrumeninstrumen telah dikalibrasi pada rangkuman ( x 1 ) yang mengikuti prosedur standardisasi ( langkah-langkah pengukuran tegangan potensiometrik ) kalibrasi rangkuman ( x 0,1 ) tidak diperlukan, dan kondisi ini memerlukan tegangan E ‘ harus tetap sama pada kedua posisi saklar rangkuman. Untuk memenuhi tegangan E ’ tetap sama untuk kedua rangkuman, maka arus total baterai harus mempunyai nilai yang sama untuk setiap rangkuman pengukuran. Pada gambar 5, ditunjukkan rangkaian dasar rangkuman ( x 1 ) dan ( x 0,1 ) yang digunakan untuk menganalisis kerja potensiometer dua rangkuman pada gambar 4.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

7

Pada gambar 5a, ditunjukkan rangkaian dasar rangkuman ( x 1 ), dimana tahanantahanan rangkuman R1 dan R2 dihubung paralel dengan tahanan total Rm, sedangkan pada gambar 5b, ditunjukkan rangkaian dasar rangkuman ( x 0,1 ), dimana tahanan rangkuman R1 dihubung paralel dengan kombinasi seri R2 dan Rm. It + E

I1

R1

I2

E

Rm

‘

R1 -

R2

0,1 Im Rm

+

‘

-

It

Im

R2

a

b Gambar 5 Rm ( R1 + R2 )

Tahanan total pada gambar 5a ;

…………………( * )

------------------R1 + R2 + Rm R1 ( R2 + Rm )

Tahanan total pada gambar 5b :

…..……………( ** )

-------------------R1 + R2 + Rm

Untuk membuat arus baterai konstan hanya mungkin dicapai, jika tahanan total dari masing-masing rangkuman sama atau : Rm ( R1 + R2 )

R1 ( R2 + Rm )

------------------- =

-------------------

R1 + R2 + Rm

R1 + R2 + Rm

…………………( 7-1 )

R1 Rm + R2 Rm = R1 R2 + R1 Rm R2 Rm = R1 R2

atau

…………………( 7-2 )

R1 = Rm

Jadi, persamaan ( 7-2 ) menunjukkan bahwa baterai akan mengalirkan arus yang sama pada kedua rangkuman, jika R1 = Rm. Tegangan E ‘ harus sama pada kedua posisi saklar rangkuman, untuk mengubah rangkuman-rankuman tanpa mengubah kalibrasi awal. Untuk mengevaluasi E ‘, digunakan rangkaian pada gambar 5. Pada posisi saklar pada x 1 ( gambar 5a ) : E ‘ = Im Rm

…………………( 7-3 )

Pada posisi saklar pada x 0,1 ( gambar 5b ) : E ‘ = I2 R1

…………………( 7-4 )

Dari persamaan ( 7-3 ) dan ( 7-4 ), diperoleh : E ‘ = Im Rm = I2 R1

…………………( 7-5 )

Subsitusikan persamaan ( 7-2 ) kedalam persamaan ( 7-5 ), diperoleh : …………………( 7-6 )

Im = I2 PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

8

Persamaan ( 7-6 ), menunjukkan bahwa arus shunt I2 pada rangkuman x 0,1 harus sama dengan arus Im pada rangkuman x 1. Pada gambar 5a, arus baterai It : …………………( 7-7 )

It = I1 + Im Pada gambar 5b, arus baterai It :

…………………( 7-8 )

It = I2 + 0,1 Im

Dari persamaan ( 7-7 ) dan ( 7-8 ) dan ( 7-6 ), diperoleh : I1 + Im = I2 + 0,1 Im

atau

…………………( 7-9 )

I1 = 0,1 Im

Akhirnya untuk menetapkan harga R2, perhatikan lagi gambar 5a. Penurunan tegangan pada Rm harus sama dengan penurunan tegangan pada kombinasi R1 dan R2, jadi : …………………( 7-10 )

I1 ( R1 + R2 ) = Im Rm

Subsitusikan persamaan ( 7-2 ) dan ( 7-9 ) kedalam persamaan ( 7-10 ), diperoleh : 0,1 Im ( R1 + R2 ) = Im R1

atau

…………………( 7-11 )

R2 = 9 R1

Sebagai contoh : Pada gambar 4, jika tahanan pengukuran Rm = 160 Ω, maka R1 = Rm = 160 Ω dan R2 = 9 R1 = 9 x 160 = 1440 Ω. Karena arus pengukuran Im dianggap 10 mA pada rangkuman x 1, maka arus shunt I1 = 0,1 x 10 mA = 1 mA, dan arus total baterai It = 1 + 10 = 11 mA. Pada rangkuman x 0,1, arus pengukuran 0,1 Im = 1 mA dan arus shunt I2 = Im = 10 mA, dan juga memberikan arus total It = 10 + 1 = 11 mA, dan ini menunjukkan bahwa persyaratan arus kerja yang konstan sudah dipenuhi.

7.2.4

Potensiometer Rangkuman Ganda Potensiometer yang terdapat dilaboratorium umumnya adalah potensiometer presisi yang mempunyai tiga rangkuman tegangan : rangkuman tinggi ( 1,6 V ), rangkuman menengah ( 0,16 ), dan rangkuman rendah ( 0,016 V ).

Gambar 6

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

9

Pada gambar 6, ditunjukkan diagram rangkaian instrumen tiga rangkuman yang disederhanakan, dimana dapat dilihat bahwa rangkaian saklar rangkuman sedikit lebih rumit dibandingkan dengan potensiometer dua rangkuman. Prinsip dari potensiometer tiga rangkuman sama seperti prinsip potensiometer rangkuman lainnya, yaitu : pada saat memindahkan saklar dari satu rangkuman ke rangkuman berikutnya, arus total baterai harus dijaga konstan agar kalibrasi dari instrumen tidak berubah. Standardisasi arus kerja dilengkapi dengan dua tahanan geser 10 gulungan yang dihubung seri, yaitu : sebuah tahanan geser pengatur kasar dan sebuah tahanan geser pengatur peka.

7.3

Kotak Volt Potensiometer yang digunakan untuk pengukuran umumnya mempunyai rangkuman tegangan 0 – 1,6 V. Jika tegangan yang diukur lebih tinggi, maka digunakan sebuah pembagi tegangan presisi atau kotak volt untuk memperbesar batas ukur dari potensiometer. Pada gambar 7, ditunjukkan diagram rangkaian sebuah kotak volt rangkuman 3 V - 750 Vdc, dan dari gambar dapat dijelaskan : -

Tegangan yang diukur dihubungkan ke terminal antaran ( jala-jala ), dan rangkuman tegangan yang diinginkan dipilih dengan mengatur saklar pilih berputar.

Gambar 7 -

Nilai-nilai tahanan dipilih agar keluaran pembagi tegangan yang dihubungkan ke potesiometer besarnya 150 V pada tegangan masukan maksimum di setiap rangkuman.

-

Pembagi tegangan tahanan tinggi digunakan, agar arus yang mengalir dari sumber tegangan yang diukur dibuat menjadi sangat kecil, akan tetapi dalam praktek , pemilihan nilai-nilai tahanan dapat disesuaikan, yaitu : tahanan tinggi

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

10

untuk memperkecil arus yang mengalir dari sumber tegangan, walaupun tahanan-tahanan rendah umumnya lebih stabil. Tahanan-tahanan rendah akan menghasilkan sensitivitas galvanometer lebih tinggi dan dapat memperkecil pengaruh kebocoran tahanan tinggi sekitar jepitan kutub. -

Tahanan total relatif tinggi dan besarnya 750 Ω / V, sehingga arus yang mengalir pada sumber tegangan yang tidak diketahui kecil, paling besar

7.4

1,33 mA.

Kotak Shunt Dalam pengukuran presisi arus searah dan untuk kalibrasi ampermeter dc dan wattmeter, digunakan kotak shunt bersama potensiometer. Pada gambar 8, ditunjukkan diagram rangkaian dari sebuah kotak shunt , dan dari gambar dapat dijelaskan : -

Arus yang diukur dialirkan melalui terminal antaran kotak, dan akan menghasilkan penurunan tegangan pada tahanan shunt.

Gambar 8 Sebuah saklar putar yang memungkinkan pemilihan rangkuman arus yang diinginkan dari 75 mA – 15 Adc. -

Tegangan keluaran di terminal potensiometer sama dengan 150 V, pada arus maksimum di setiap rangkuman.

-

Tahanan shunt total sebesar 2,0 Ω, disipasi daya maksimum 2,25 W, sehingga kesalahan disebabkan pemanasan sendiri dari tahanan-tahanan dipertahankan pada nilai minimumnya.

Sebagai contoh : dalam pengukuran tegangan yang dibangkitkan pada tahanan shunt, diukur oleh sebuah potensiometer. Jika saklar pemilih ditempatkan pada 0,75 A ( gambar 8 ), maka arus sebesar 600 mA akan membangkitkan tegangan keluar = ( 600 / 750 ) x 150 V = 120 mV.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

11

Sebaliknya, pembacaan potensiometer sebesar 120 mV menunjukkan bahwa shunt mengalirkan arus sebesar = ( 120 / 150 ) x 750 m A = 600 mA.

7.5

Detektor Nol ( Galvanometer ) Di dalam sebuah potensiometer portabel biasanya terdapat sebuah detektor nol. Detektor nol atau galvanometer ini merupakan sebuah bentuk lain dari gerak d’Arsonval dan berfungsi untuk menunjukkan kondisi tidak setimbang ketika jarum berdefleksi pada sebuah skala. Pada dasarnya ada tiga jenis detektor nol atau galvanometer, yaitu : 1. Galvanometer jenis penunjuk dengan suspensi ban kencang ( taut-band ), umumnya digunakan pada instrumen-instrumen portabel, dengan sensitivitas 1,0 μA – 0,1 μA pada setiap bagian skala. 2.

Galvanometer refleksi yang dilengkapi dengan lampu dan skala, digunakan di laboratorium,

dan

sensitivitasnya

tinggi,

umumnya

dalam

rangkuman

0,1 μA – 0,01 μA pada setiap bagian skala. 3. Detektor nol elektronik ( electronic null detector ) dengan rangkaian semi konduktor dan mempunyai sensitivitas yang sangat baik pada impedansi masukan yang tinggi, sangat kasar tetapi harganya cukup mahal. Pemilihan sebuah detektor nol yang sesuai untuk suatu pemakaian tertentu, dipengaruhi oleh beberapa faktor. Pada galvanometer jarum penunjuk atau galvanometer refleksi : sensitivitas , tahanan kumparan galvanometer, perioda galvanometer, dan tahanan peredam kritis luar dari rangkaian adalah merupakan faktor-faktor yang menentukan dalam pemilihan sebuah detektor nol. Pada umumnya dapat dikatakan bahwa sensitivitas galvanometer yang tinggi berkaitan dengan perioda yang lama dan tahanan redaman luar yang besar, akan tetapi sebuah galvanometer sensitivitas tinggi sulit di rangkai dan cenderung tidak stabil pada titik defleksi nolnya, sehingga pemilihan galvano-meter sering membutuhkan pertimbangan antara sensitivitas dan kemudahan operasi. Pada gambar 9, ditunjukkan diagram rangkaian sebuah galvanometer refleksi dengan lampu dan skala lengkap yang sudah terpasang di dalamnya, dan dari gambar dapat dijelaskan : -

Lampu A diletakkan di bagian belakang instrumen, dan sinar cahaya dilewatkan melalui sebuah tabung yang berisi sebuah lensa cembung B, dimana permukaan lensa ini dilapisi perak dan dipasang menghadap ke lampu A, dan sebuah celah persegi sempit yang sisi panjangnya vertikal. Sebuah garis rambut halus menyilang celah paralel terhadap sisi panjangnya.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

12

-

Lensa-lensa akan menghasilkan sebuah bayangan dari filamen lampu dan garis rambut melalui lensa akromatik C ke cermin galvanometer D yang terpasang pada kumparan galvanometer.

-

Cermin D ini akan berputar ketika merespons arus yang melalui kumparan, dan memantulkan kembali berkas cahaya melalui lensa C menuju cermin silindris E, dan disini bayangan tersebut diperbesar dan kemudian dipantulkan ke skala penunjuk F. Pengaruh gabungan dari lensa C dan cermin silindris E akan membentuk bayangan utama garis rambut yang digunakan sebagai pedoman untuk menunjukkan defleksi.

-

Pada saat berkas cahaya dipantulkan oleh cermin D ke cermin silindris E, berkas tersebut melewati gelas bening.

Gambar 9 7.6

Potensiometer Menyetimbangkan Sendiri ( Self balancing Potensiometer ) Potensiometer jenis ini digunakan secara luas di industri, disebabkan tidak memerlukan pengawasan dari operator. Disamping dapat membuat kondisi setimbang secara otomatis, dan juga dapat menggambarkan kurva dari besaran yang diukur. Pada instrumen jenis ini, gaya gerak listrik ( ggl ) yang tidak setimbang dalam potensiometer akan menghasilkan defleksi galvanometer, yang dimasukkan ke sebuah penguat melalui sebuah konvertor, dan keluaran dari konventor ini akan menggerakkan sebuah motor induksi dua fasa yang membuat kontak geser potensiometer setimbang.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

13

Konventor dihubungkan antara keluaran potensiometer dan masukan penguat , yang mengubah tegangan dc yang tidak setimbang menjadi tegangan ac yang tidak setimbang dan dengan mudah dapat diperkuat oleh sebuah penguat ac ke nilai yang diinginkan. Pada

gambar

10,

ditunjukkan

diagram

rangkaian

potensiometer

yang

menyetimbangkan sendiri dan digunakan untuk pengukuran temperatur sebuah termokopel , dan dari gambar dapat dijelaskan : -

Kovertor terdiri dari sebuah batang bergetar yang digerakkan secara sinkron dari tegangan jala-jala, dimana batang tersebut berfungsi sebagai saklar yang akan membalik arus melalui gulungan pemisah dari kumparan primer transformator pada tiap batang getar.

-

Pembalikan arus yang konstan pada masing-masing siklus vibrasi batang akan mengubah tegangan dc yang tidak setimbang dari rangkaian potensiometer menjadi tegangan ac pada kumparan sekunder transformator. Keluaran ac dari konvertor sebanding dengan masukan dc ke konvertor dan dimasukkan ke penguat.

Gambar 10

-

Gulungan lain dari motor disuplai oleh tegangan jala-jala, dan tegangan jala-jala ac ini bergeser 900 terhadap tegangan output kapasitor di dalam rangkai-an penggerak konvertor yang bergantung pada polaritas tegangan dc yang tidak setimbang yang dimasukkan ke terminal konvertor. Fasa tegangan penguat akan mendahului atau ketinggalan fasa sebesar 900 dari tegangan jala-jala yang diberikan ke motor induksi.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

14

-

Arah perputaran motor ditentukan oleh hubungan fasa antara kedua tega-ngan pada kedua gulungan, dan secara berurutan ditentukan oleh polaritas tegangan yang disuplai ke konvertor. Jika ggl yang diukur lebih kecil dari tegangan kesetimbangan yang dihasilkan potensiometer, maka keluaran penguat akan bergeser sebesar 1800 dan motor akan berputar dalam arah yang berlawanan.

-

Poros motor dihubungkan secara mekanis ke kontak kawat geser sedemikian rupa, sehingga perputaran motor akan memperkecil ketidaksetimbangan dalam rangkaian potensiometer, dan jika ggl yang diukur sama dengan tegangan potensiometer, maka tegangan keluaran penguat adalah nol dan motor tidak berputar. Jadi dalam setiap kondisi tidak setimbang, tegangan keluaran penguat akan

menyebabkan

motor

menggerakkan

potensiometer

ke

kedudukan

setimbang. -

Motor

yang

menggerakkan kontak kawat

geser

yang

berfungsi untuk

mempertahankan kesetimbangan potensiometer, secara mekanis dikopel ke sebuah mekanisme pena, dan setiap gerakan kontak kawat geser diikuti oleh suatu gerak simultan dari pena pada kart jalur. Kart digerakkan oleh sebuah motor jam tersendiri dengan kelengkapan roda gigi yang dapat diatur untuk mendapatkan kecepatan kart yang diinginkan. -

Ggl yang dihasilkan oleh termokopel adalah fungsi dari selisih temperatur antara ujung panas dan ujung dingin dan variasi temperatur titik referensi dikompensir oleh sebuah rangkaian kompensasi elektris

-

Penurunan tegangan pada

pada tahanan D, mengkompensir perubahan

temperatur titik referensi, sedangkan tahanan G berfungsi untuk menyetimbangkan penurunan tegangan pada D pada temperatur dasar yang diinginkan Tahanan K dan S membentuk rangkaian pengukuran yang aktual, dan tahanan B menghasilkan penurunan tegangan yang tepat untuk mengkali-brasi rangkaian terhadap tegangan referensi, yang dalam hal ini adalah referensi dioda Zener. 7.7

Kalibrasi Voltmeter dan Ampermeter Untuk mengkalibrasi voltmeter, ampermeter dan wattmeter umumnya digunakan metoda potensiometer. Potensiometer adalah sebuah alau ukur arus searah ( dc ), sehingga instrumen yang akan dikalibrasi harus juga dari jenis arus searah atau eletrodinamometer.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

15

Kalibrasi Voltmeter Pada gambar 11, ditunjukkan diagram rangkaian pengukuran untuk kalibrasi sebuah voltmeter arus searah. Salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam prosedur kalibrasi adalah tersedianya sumber dc yang stabil, karena setiap perubahan pada tegangan sumber akan menyebabkan perubahan pada tegangan kalibrasi voltmeter. Gambar 11 menunjukkan : Sebuah rangkaian pembagi tegangan terdiri dari dua tahanan geser yang berfungsi untuk pengaturan tegangan kalibrasi secara kasar atau peka, dihubungkan ke terminal sumber daya.

Gambar 11 -

Tegangan voltmeter diturunkan ke suatu harga yang sesuai untuk hubungan ke potensiometer dengan menggunakan sebuah kotak volt.

-

Tegangan yang disuplai ke kotak volt, diatur oleh dua tahanan geser sampai jarum penunjuk berhenti pada suatu bagian skala utama. Potensiometer dipakai untuk menentukan nilai sebenarnya dari tegangan ini.

-

Jika pembacaan potensiometer tidak sesuai dengan penunjukkan voltmeter, maka kesalahan positip atau negatip akan ditunjukkan. Sejumlah bagian skala utama yang dipilih diperiksa melalui cara ini, pertama pada pertambahan skala ( skala naik ), kemudian pada penurunan skala ( skala turun ).

-

Selanjutnya, dari hasil pembacaan yang dilakukan pada titik-titik skala yang dipilih, kurva kalibrasi digambarkan.

Sebuah contoh mengenai data yang diperlukan untuk menggambarkan sebuah kurva kalibrasi diberikan pada tabel 1.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

16

Tabel 1. Hasil kalibrasi sebuah voltmeter dc dengan metoda potensiometer ( dalam volt ) Pembacaan skala

Pembacaan potensiometer

Koreksi

Voltmeter dc

sebenarnya

0,0

0,00

0,00

1,0

0,95

-0,05

2,0

2,00

0,00

3,0

3,05

+0,05

4,0

4,10

+0,10

5,0

5,10

+0,10

6,0

6,15

+0,15

7,0

7,10

+0,10

8,0

8,15

+0,15

9,0

9,20

+0,20

10,0

10,25

+0,25

Dari tabel 1 diatas, kolom pertama menunjukkan bagian-bagian skala utama, dimana pembacaan kalibrasi dilakukan, kolom kedua memberikan nilai sebenar-nya dari tegangan kalibrasi yang diukur oleh potensiometer, dan kolom 3 menunjukkan selisih antara nilai kedua tegangan, yang disebut dengan nilai koreksi. Nilai koreksi didefinisikan sebagai pembacaan tegangan yang sebenar-nya dikurangi dengan pembacaan skala. Pada gambar 12, ditunjukkan kurva kalibrasi yang digambarkan berdasarkan data yang diberikan pada tabel 1. Karena proses kalibrasi ini memerlukan waktu yang banyak, maka metoda potensiometer umumnya digunakan untuk mengkalibrasi voltmeter laboratorium standar.

Gambar 12 PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

17

Kalibrasi Ampermeter Pada

gambar

13,

ditunjukkan

diagram

rangkaian

yang

digunakan

untuk

mengkalibrasi sebuah ampermeter dengan metoda potensiometer.

Gambar 13 Gambar 13, menunjukkan : -

Sebuah kotak shunt ( lihat gambar 8 ), dihubung seri dengan ampermeter yang akan dikalibrasi.

-

Tegangan pada kotak shunt diukur oleh potensiometer, dan arus melalui kotak shunt juga akan melalui ampermeter.

-

Karena tahanan shunt diketahui secara tepat, maka tegangan pada shunt diukur oleh potensiometer.

Prosedur kalibrasi aktual di berbagai titik pada skala alat ukur mirip dengan kalibrasi pada voltmeter. Sebuah kurva kesalahan ( kalibrasi ) dapat digambarkan dengan cara yang sama pada kalibrasi voltmeter.

Daftar Pustaka 1. Wiliam D. Cooper, “ Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran “

Jakarta, September 2008

Ir. S.O.D. Limbong

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB

Ir. S.O.D. Limbong

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

18