SENSOR GAYA, TORSI DAN TEKANAN FORCE, TORQUE AND PRESSURE SENSOR

Aplikasi sensor gaya, torsi dan tekanan: timbangan

Proses pemesinan

Industri kimia dan instalasi air bersih

Pendahuluan Sensor untuk mengukur gaya, torsi atau tekanan biasanya terdiri dari bagian elastis yang mengubah besaran mekanik menjadi defleksi atau regangan.. Biasanya sensor defleksi atau susunan strain gauge digunakan untuk menghasilkan sinyal elektrik yang sebanding dengan besaran yang diinginkan yaitu gaya, torsi atau tekanan.

Berbagai macam transduser tersedia dipasaran untk mengukur gaya (load cell), torsi (torque cell) dan tekanan. Bentuk-bentuk yang tersedia antara lain link, column, ring, beam, cylinder, tube, washer, diaphragm dan lain sebagainya. Strain gauge biasanya dipakai sebagai sensor dan lvdt kadang-kadang juga dipakai khususnya untuk pengukuran static atau quasi-static.

Sensor gaya (load cell) Komponen elastis yang digunakan pada load cell biasanya berupa link, beam, ring dan shear web.

Load cell tipe link Load cell tipe link yang dilengkapi dengan strain gauge terlihat pada gambar disamping. Beban P dapat berupa tarikan atau tekanan. Empat strain gauge ditempelkan pada link sehingga dua strain gauge kearah aksial dan dua yang lain kearah melintang, kemudian strain gauge tersebut dihubungkan membentuk jembatan wheatstone.

Ketika gaya P diberikan ke link, regangan axial dan melintang εa dan εt yang terjadi pada ling adalah: Dimana: a luas penampang link E = modulus elstisitas link V = poisson’s ratio. Respon dari gauge terhadap beban p diberikan:

Tegangan output jembatan wheatstone jika empat strain gauge identik sehingga R1=R2 adalah: Dari persamaan ini terlihat bahwa beban p proporsional terhadap tegangan output vo dan konstanta proporsinalitas atau konstanta kalibrasi c.

Load cell tipe beam Load cell tipe beam biasanya digunakan untuk mengukur beban yang rendah dimana tipe link terlalu kaku.

Beban P menghasilkan momen m=px pada lokasi x, yang menyebabkan regangan yang sama dan berlawanan: Dimana: b = lebar beam H = tinggi beam Respon dari strain gauge adalah: Tegangan output jembatan wheatstone adalah:

Load cell tipe ring Load cell tipe ring menggunakan ring sebagai elemen elastis. Elemen ring dapat didesain untuk mengukur beban yang bervariasi dengan mengatur radius, ketebalan atau lebar ring. Jika LVDT digunakan untuk kompresi diameter atau perpanjangan δ dari ring, maka hubungna antara perpanjangan δ dengan beban P adalah: Tegangan output LVDT adalah: Vo=S δvs Dimana: S adalah sensitifitas dari LVDT vs tegangan supply LVDT Hubungan antara tegangan output dan beban adalah:

Sensor torsi Torque cell adalah sensor (transduser) yang mengubah torsi menjadi sinyal output elektrik. Dua tipe torque cell yang sering dipakai adalah yang dipasang pada poros yang tetap dan yang dipasang pada poros yang berputar.

Torque cell mirip dengan load cell, terdiri dari elemen mekanik (biasanya sebuah poros dengan penampang melingkar) dan sebuah sensor (biasanya strain gauge). Tegangan puntir terhadap torsi t diberikan: Dimana: d = diameter poros J = momen inersia polar. Karena tegangan normal σx = σy = σz = 0 untuk untuk poros bulat yang diberi torsi murni, maka:

Regangan utama diperoleh dari persamaan diatas dan hukum hook, sebagai: Respon dari strain gauge adalah: Tegangan output strain gauge adalah;

Sensor tekanan Sensor (transduser) tekanan adalah peralatan yang dapat mengubah tekanan yang diberikan menjadi sinyal elektrik melalui pengukuran pergeseran, regangan atau respon piezoelektric.

Sensor tekanan tipe pergeseran Sebuah transduser tekanan yang menggunakan sensor pergeseran untuk menghasilkan tegangan output diperlihatkan pada gambar Transduser ini dilengkapi dengan sebuah pipa bourdon sebagai elemen elastisdan sebuah LVDT sebagai sensor.

Pipa bourdon adalah sebuah kondultor berbentuk C dengan penampang oval rata yang akan lurus apabila dikenai tekanan internal. Pipa bourdon ini pada salah satu ujungnya tetap dan ujung yang lain bebas bergerak. Inti LVDT dihububgkan dengan ujung pipa bourdon yang bebas. Jika tekanan diberikan pada pipa bourdon, pipa bourdon ini akan menarik inti dari LVDT melalui koilnya sehingga akan terjadi tegangan output. Tegangan output LVDT merupakan fungsi linear dari tekanan.

Sensor tekanan tipe diapragma Sensor tekanan tipe diapragma berupa plat bulat yang di klem (diaphragm) atau sebuah silinder berlubang sebagai elemen elastis dan strain gauge sebagai sensor. Diapragma digunakan untuk tekanan rendah dan menengah (0 – 30000 psi) dan silinder digunakan untuk tekanan tinggi dan sangat tinggi (30000 – 100000 psi). Distribusi regangan yang dihasilkan dari tekanan seragam pada diapragma adalah: dimana: p = tekanan t = tebal diapragma R0 = diameter luar diapragma r = parameter posisi

Sensor tekanan tipe piezoelectric Transduser tekanan tipe piezoelectric menggunakan kristal piezoelectric sebagai elemen elastis maupun sensor. Quartz merupakanbahan piezoelectric yang paling banyak digunakan karena modulus elestisitasnya tinggi, frekwensi resonansi tinggi, linearitas ring besar dan histerisisnya rendah. Jika tekanan diberikan pada permukaan kristal maka akan timbul muatan listrik statis. Besarnya muatan listrik tergantung pada tekanan, ukuran kristal dan orientasi sumbu kristal.