Gerakan dasar kumparan putar magnet permanen (permanent magnet moving coil, PMMC) yang ditunjukkan pada Gambar 4-2 sering disebut gerak d'Arsonval. Desain ini memungkinkan magnet besar di dalam suatu ruang tertentu dan digunakan bila diinginkan fluksi paling besar di dalam senjang udara. Dia adalah instrumen dengan kebutuhan daya yang sangat rendah dan arus yang kecil untuk penyimpangan skala penuh (full scale deflection). Gambar 4-4 menunjukkan sebuah pandangan maya dari gerakan d'Arsonval.
Pengamatan terhadap Gambar 4-4 menunjukkan sebuah magnet permanen berbentuk sepatu kuda dengan potongan-potongan kutub besi lunak yang menempel kepadanya. Antara potongan-potongan tersebut terdapat sebuah silinder besi lunak yang berfungsi untuk menghasilkan medan magnet yang serba sama (homogen) di dalam senjang udara antara kutub-kutub dan silinder. Kumparan dililitkan pada sebuah kerangka logam ringan dan dipasang sedemikian hingga dapat berputar secara beban di dalam senjang udara. Jarum penunjuk yang dipasang di bagian alas kumparan bergerak sepanjang skala yang telah terbagi-bagi dan menunjukkan defleksi sudut kumparan dan berarti menun jukkan arus melalui kumparan tersebut.
51 Gambar 4-4 Gambar maya mekanisme kumparan putar luar yang menunjukkan perincian konstruksi kumparan magnet luar berbentuk sepatu kuda dan jarum penunjuk (seijin Weston Instruments, Inc.).
Bagian berbentuk Y adalah pengatur nol (zero adjust) dan dihubungkan ke ujung tetap pegas pengatur depan (front control spring). Sebuah pasak eksentrik (eccentric pin) yang menembus kotak instrumen memegang bagian berbentuk Y tersebut sehingga posisi nol jarum dapat diatur dari luar. Dua pegas konduktif (conductive spring) dari fosfor perunggu yang umumnya berkekuatan sama, menghasilkan gaga terkalibrasi untuk melawan torsi kumparan putar. Prestasi pegas yang konstan diperlukan untuk mempertahankan ketelitian instrumen. Ketebalan pegas diperiksa secara teliti di pabrik untuk mencegah kondisi pegas yang permanen (elastisitasnya hilang). Arus disalurkan dari dan ke kumparan oleh pegas-pegas pengatur.
Keseluruhan sistem yang berputar dibuat setimbang statis oleh tiga buah beban keseimbangan (balance wight) untuk semua posisi penyimpangan (defleksi) seperti ditunjukkan pada Gambar 4-5. Jarum, pegas dan titik putar (pivot) dirakit ke peralatan kumparan dengan menggunakan alas titik putar dan seluruh elemen kumparan yang dapat berputar disangga oleh "jewel bearings". Beberapa sistem bantalan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 4-6.
"Jewel" berbentuk V seperti ditunjukkan pada Gambar 4-6 (a) dipakai secara umum dalam bantalan-bantalan instrumen. Titik putar, bantalan dalam lubang di dalam jewel mempunyai jari-jari dari 0,01 mm - 0,02 mm pada ujungnya, bergantung pada beban mekanis dan getaran yang akan dialami oleh instrumen. Jari-jari lubang di dalam "jewel" sedikit lebih besar dari jari-jari titik putar, sehingga permukaan yang mengalami kontak berbentuk lingkaran hanya beberapa mikron jauhnya. Desain jewel V dalam Gambar 4-6 (a) mempunyai gesekan yang paling kecil di antara semua bantalan praktis. Walaupun elemen instrumen yang berputar dirancang seringan mungkin, luas permukaan kontak antara titik putar dan jewel menghasilkan regangan dalam orde 10 kg/mm2. Jika berat elemen yang berputar masih bertambah lagi, permukaan yang kontak tidak akan bertambah secara sebanding sehingga reganganpun lebih besar.
52 GAMBAR 4-5 Perincian sebuab kumparan putar pada gerak PMMC, menunjukkan pegas-pegas pengalur dan indikator bersama beban-beban pembuat setimbang (seijin Weston Instruments, Inc.).
Gambar 4-6 Perincian bantalan-bantalan instrumen: (a) bantalan jewel berbentuk V (V-jewel bearing), (b) bantalan jewel tipe "spring back" (Benin Weston Instruments, Inc.).
Regangan yang dihasilkan oleh percepatan-percepatan yang relatif sedang (seperti suara kasar atau jatuhnya instrumen) dapat berakibat merusak titik putar. Instrumen-instrumen yang dilindungi secara khusus (dibuat kokoh) menggunakan bantalan jewel dengan pegas penahan (incobloc) seperti ditunjukkan pada Gambar 4-6 (b). Dia ditempatkan pada posisi normalnya oleh pegas dan beban bergerak secara aksial bila mekanisme ini makin Bering mengalami goncangan.
Tanda-tanda skala pada instrumen dasar PPMC biasanya terpisah secara linear sebab torsi (yang berarti defleksi jarum) berbanding langsung dengan arus kumparan [lihat persamaan (4-1) untuk torsi yang dibangkitkan]. Berarti instrumen dasar PMMC merupakan peralatan dc yang pembacaannya linear (linear-reading dc device). Daya yang dibutuhkan oleh gerak d'Arsonval secara menakjubkan adalah kecil : nilai khasnya adalah dari 25 μW — 200 μW. Umumnya ketelitian instrumen ini adalah dalam orde 2 -5% pembacaan skala penuh.
53 Jika arus bolak-balik frekuensi rendah dialirkan ke kumparan putar, penyimpangan jarum akan naik selama setengah perioda gelombang masukan dan menurun (dalam arah yang berlawanan) selama setengah perioda berikutnya. Pada frekuensi jala-jala (60 Hz) dan yang lebih besar, jarum tidak mampu mengikuti pertukaran arah yang cepat sehingga akan bergetar ringan sekitar harga nol mencari nilai rata-rata (average) arus bolak-balik (yang besarnya adalah nol). Dengan demikian, instrumen PMMC tidak sesuai untuk pengukuran arus bolak-balik, kecuali arus tersebut disearahkan (diratakan) sebelum memasukkannya ke kumparan (bab 5-4).
4-3-2 Konstruksi magnet inti (core-magnet construction)
Dalam tahun-tahun belakangan ini, dengan perkembangan Alnico dan bahan-bahan maknetik yang disempurnakan lainnya, telah menjadi laik untuk merancang sebuah sistem maknetik di dalam mana magnetnya sendiri berfungsi sebagai inti (core). Magnet-magnet ini memiliki keuntungan yang nyata yaitu relatif tidak terpengaruh oleh medan-medan magnet luar, meniadakan efek shunt maknetik dalam konstruksi panel baja di mana beberapa alat ukur yang bekerja berdekatan dapat saling mempengaruhi pembacaan masing-masing. Kebutuhan akan pelindung maknetik (shielding) dalam bentuk selubung-selubung besi, juga ditiadakan pada konstruksi magnet inti. Perincian dari alat ukur magnet inti dengan pelindung sendiri ditunjukkan pada Gambar 4-7.
Pelindung yang dimiliki sendiri menjadikan mekanisme magnet inti sangat bermanfaat terutama dalam pemakaian pesawat udara dan ruang angkasa, di mana sejumlah instrumen harus dipasang saling berdekatan satu sama lain. Sebuah contoh cara pemasangan ini ditemukan pada indikator jarum silang (cross printer), di mana sebanyak lima mekanisme berada di dalam satu selubung untuk membentuk satu kesatuan peragaan. Jelas, peniadaan selubung-selubung besi dan penurunan beban yang sesuai merupakan keuntungan besar bagi instrumen-instrumen pesawat udara dan ruang angkasa.
Gambar 4-7 Detail konstruksi dari mekanisme kumparan putar magnet -inti. (a) Magnet dengan sepatu kutubnya dikelilingi oleh yoke, yang bertindak sebagai sebuah pelindung maknetik; (b) gerak yang telah dirakit; (c) pandangan potongan yoke, inti dan sepatu kutub (seijin Weston Instruments, Inc. ).
4-3-3 Suspensi "taut-band" (taut-band suspension)
Mekanisme galvanometer jenis suspensi telah dikenal selama beberapa tahun. Sampai belakangan ini alat tersebut hanya digunakan di dalam laborato-rium di mana dinginkan sensitivitas tinggi dan torsi yang sangat rendah (sebab arus yang kecil). Juga dalam instrurumen seperti ini, diinginkan untuk meniadakan gesekan rendah yang dihasilkan oleh titik putar (pivot) dan jewel. Galvanometer suspensi (Gambar 4-1) harus
54 digunakan pada posisi tegak, sebab bagian yang melengkung ke bawah (sag) dalam tali-tali sendi (ligament) torsi rendah menyebabkan sistem yang berputar menyentuh bagian-bagian mekanisme yang diam pada setiap posisi lainnya. Pertambahan gesekan ini menyebabkan kesalahan-kesalahan.
Instrumen ban kencang (taut band) pada Gambar 4-8 mempunyai keuntungan meniadakan gesekan suspensi titik putar-jewel. Kumparan yang berputar digantung dengan menggunakan dua pita torsi (torsion ribbons). Kedua pica ini dipasang dengan regangan (tensi) yang cukup kuat untuk menghilangkan pelengkungan seperti halnya pada galvanometer suspensi di Gambar 4-1. Tensi ini dilengkapi dengan sebuah pegas tensi sehingga instrumen dapat digunakan dalam sembarang posisi. Secara umum dapat dikatakan, instrumen-instrumen suspensi ban kencang dapat dibuat dengan sensitivitas yang lebih tinggi dari yang menggunakan titik putar (pivot) dan jewel, dan mereka dapat digunakan dalam hampir semua pemakaian yang dapat dilakukan oleh instrumen-instrumen bertitik putar. Selanjutnya, instrumen-instrumen ban kencang relatif tidak sensitif terhadap goncangan dan temperatur dan mampu menahan kelebihan beban yang lebih besar dari jenis lainnya.
Gambar 4-8 Suspensi ban kencang meniadakan gesekan suspensi tipe pivot jewel yang biasa. Gambar menunjukkan sebagian perincian konstruksi, khususnya pits torsi beserta mekanisme pegas tarikan (seijin Weston Instruments, Inc.).
4-3-4 Kompensasi temperatur (temperature compensation)
Gerak dasar PMMC bukannya memiliki sifat bawaan yang tidak sensitif terhadap temperatur, tetapi temperaturnya bisa dikompensir dengan menggunakan tahanan shunt dan tahanan seri yang sesuai dari bahan tembaga dan manganin. Keduanya, kuat Medan magnet dan regangan pegas berkurang terhadap kenaikan temperatur. Perubahan-perubahan ini cenderung membuat jarum membaca rendah pada suatu arus yang diberikan berkenan dengan kuat Medan magnet dan tahanan kumparan. Sebaliknya, perubahan pegas cenderung membuat jarum membaca tinggi dengan suatu kenaikan temperatur. Tetapi efeknya tidak identik; sehingga alat ukur yang tidak terkompensir cenderung menghasilkan pembacaan rendah sebesar sekitar 0,2 persen setiap kenaikan temperatur dalam °C. Untuk pencirian instrumen, gerak dianggap terkompensasi bila perubahan ketelitian karena perubahan temperatur sebesar 10°C tidak melebihi seperempat kesalahan total yang diijinkan.*
55 Kompensasi dapat dilakukan dengan menggunakan tahanan yang dilengkapi dengan koreksi suhu (swamping resistors) dihubungkan seri dengan kumparan putar seperti ditunjukkan pada Gambar 4-9(a). Tahanan ini terbuat dari manganin (yang memiliki koefisien temperatur yang praktis nol) digabungkan dengan tembaga dalam perbandingan 20/1 sampai 30/1. Tahanan total kumparan dan tahanan "swamping" ini bertambah sedikit terhadap kenaikan temperatur, tetapi hanya cukup untuk menghalang-halangi perubahan pegas-pegas dan aknit, sehingga efek temperatur keseluruhan adalah nol.
Suatu cara yang lebih lengkap untuk menghilangkan efek temperatur adalah dengan susunan Gambar 4-9(b). Di sini tahanan rangkaian total bertambah sedikit terhadap kenaikan temperatur karena kehadiran kumparan tembaga dan tahanan shunt tembaga. Dengan demikian untuk tegangan masuk tertentu, arus total berkurang sedikit terhadap kenaikan temperatur. Tahanan-tahanan shunt tembaga bertambah lebih besar dari galungan seri kumparan dan tahanan manganin; sehingga sebagian besar arus total dilewatkan melalui rangkaian kumparan. Dengan perbandingan jumlah tembaga dan manganin yang sesuai di dalam rangkaian, efek temperatur dapat dihilangkan secara sempuma. Satu kerugian dari pemakaian tahanan-tahanan yang dilengkapi dengan koreksi temperatur adalah penurunan sensitivitas skala penuh alat ukur, sebab diperlukan tegangan masuk yang lebih tinggi untuk mempertahankan arus skala penuh.