1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Proses Pengukuran listrik merupakan prosedur yang waji. Dalam melakukan pengukuran listrik sangat diperlukan piranti untuk membantu kegiatan tersebut. Piranti untuk membantu kegiatan pengukuran listrik biasanya disebut alat ukur listrik. alat ukur listrik memiliki banyak jenis. dan diantaranya memiliki perbedaan cara kerja, bagian-bagian penyusun dan kegunaannya. kita ambil contoh alat ukur kumparan putar dan alat ukur elektrostatis. keduanya memiliki perbedaan dari segi cara kerja, bagian penyusun dll. dari situlah kami memiliki ide untuk membuat paper yang memaparkan Definisi, prinsip kerja, bagian-bagian penyusun dan kegunaan dari beberapa jenis alat ukur.
1.2 Tujuan
1. Memahami apa itu alat ukur kumparan putar.
2. Memahami prinsip kerja, bagian-bagian dan kegunaan alat ukur kumparan putar.
3. Memahami apa itu alat ukur elektrostatis.
4. Memahami prinsip kerja, bagian-bagian dan kegunaan alat ukur Elektrostatis.
1.3 Rumusan Masalah
1. Apa itu alat ukur kumparan putar ?
2. Apa bagian-bagian penyusun alat kumparan putar? 3. Bagaimana prinsip kerja kumparan putar?
4. Bagaimana peredaman alat kumparan putar? 5. Apa kegunaan alat kumparan putar?
2 7. Pengertian alat ukur elektrostatis?
8. Bagaimana prinsip kerja alat ukur elektrostatis? 9. Apa kegunaan alat ukur elektrostatis?
10. Apa kelebihan dan kekurangan alat ukur elektrostatis? 11. Apa itu voltmeter elektrostatis?
1.4 Manfaat Penulisan
1. Sebagai referensi dalam penulisan lebih lanjut mengenai alat ukur kumparan putar dan elektrostatis.
2. Sebagai acuan ataupun menjadi pertimbangan dalam pemilihan alat ukur listrik yang akan digunakan.
3. Menambah pengetahuan dan pemahaman mahasiswa mengenai alat ukur kumparan putar dan elektrostatis.
3
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 ALAT UKUR KUMPARAN PUTAR 2.1.1 Definisi Alat Ukur Kumparan Putar
Alat ukur kumparan putar adalah alat pengukur, yang bekerja atas dasar adanya suatu kumparan listrik, yang ditempatkan pada medan magnet, yang berasal dari suatu magnet pemanen. Arus yang dialirkan melalui kumparan akan menyebabakan kumparan tersebut berputar. Alat ukur kumparan putar adalah alat ukur yang penting yang dipakai untuk bermacam arus, yaitu arus searah, arus bolak-balik.
Pada dasarnya Alat kumparan putar ini terdiri dari dua bagian yaitu bagian yang bergerak dan bagian yang diam. Bagian yang bergerak terdiri dari kumparan putar, jarum penunjuk dan beban penyeimbang. Sedangkan bagian yang diam terdiri dari medan karena magnet permanen, pegas atau per serta penyangga.
Dalam alat ukur kumparan putar, pada umumnya kumparan putarnya dibuat dari kerangka berbahan aluminium tembaga atau alumunium halus dan berosilasi.
Kumparan diletakkan di antara magnet permanent pada suatu inti besi yang berbentuk silinder agar arah dari medan magnet selalu tegak lurus terhadap kumparan putar Jarum penunjuk merupakan bagian yang menunjukkan besaran dari suatu hasil pengukuran. Terdapat dua jenis jarum penunjuk yaitu jarum penunjuk yang tipis untuk alat ukur dengan ketelitian tinggi dan jarum penunjuk yang tebal untuk memudahkan pembacaan dari kejauhan dan biasanya diletakkan pada panel listrik.
Beban penyeimbang diletakkan di belakang jarum penunjuk yang berfungsi sebagai penyeimbang sehingga poros penyangga jarum penunjuk berada tepat di titik beratnya. Tujuan diberikannya beban penyeimbang ini
4 adalah untuk mengurangi gesekan serta goncangan pada jarum penunjuk ketika menyimpang atau berdefleksi.
Magnet permanent yang diberikan berguna untuk membangkitkan medan magnet di sekitar kumparan putar dan akan menimbulkan momen gerak pada kumparan putar apabila dialiri arus. Penyangga pada alat ukur kumparan putar ini berfungsi untuk menahan berat kumparan putar beserta jarum penunjuknya. Gesekan yang terjadi antara penyangga (jewel) dengan poros perputarannya (pivot) harus diusahakan sekecil mungkin. Pegas atau per yang dipasang pada alat ukur kumparan putar ini berfungsi untuk memberikan momen perlawanan terhadap momen gerak sehingga didapat suatu keseimbangan momen atau gaya pada harga penunjuknya.
Prinsip kerja alat ukur kumparan putar menggunakan dasar percobaan Lorentz. Percobaan Lorentz, maka pada kawat penghantar tersebut akan timbul gaya. Gaya yang timbul disebut dengan gaya Lorentz. Arahnya ditentukan dengan kaidah tangan kiri Fleming.
Gambar 2.1 Momen penyimpang
Jika arus yang mengalir pada kumparan adalah I amper, maka besarnya gaya pada tiap sisi kumparan adalah :
5 Dengan pengertian :
B = kerapatan fluks dalam Wb/m2 l = panjang kumparan dalam meter
Apabila kumparan dengan N lilitan, maka gaya pada masing-masing kumparan adalah : N . B. I . l
Newton. Besarnya momen penyimpang (Td) adalah gaya dikalikan dengan lengan atau jarak
tegak lurus. Jika lengan adalah b, maka :
Momen penyimpang (Td) = gaya x lengan = N. B . I .l . b
Karena l X b merupakan luas penampang kumparan dan dinotasikan A, maka Momen penyimpang (Td) = N . B . I . A N-m ... (1 -2).
2.1.2 Bagian-Bagian Penyusun Alat Kumparan Putar
Alat kumparan putar terdiri dari kumparan putar, jarum penunjuk, beban penyeimbang, magnet permanent, pegas dan penyangga. Kumparan diletakkan di antara magnet permanent pada suatu inti besi yang berbentuk silinder agar arah dari medan magnet selalu tegak lurus terhadap kumparan putar. Jarum penunjuk merupakan bagian yang menunjukkan besarann dari suatu hasil pengukuran. Terdapat dua jenis jarum penunjuk yaitu jarum penunjuk yang tipis untuk alat ukur dengan ketelitian tinggi dan jarum penunjuk yang tebal untuk memudahkan pembacaan dari kejauhan dan biasanya diletakkan pada panel listrik. Beban penyeimbang diletakkan di belakang jarum penunjuk yang berfungsi sebagai penyeimbang sehingga poros penyangga jarum penunjuk berada tepat di titik beratnya. Tujuan diberikannya beban penyeimbang ini adalah untuk mengurangi gesekan serta goncangan pada jarum penunjuk ketika menyimpang atau berdefleksi. Magnet permanent yang diberikan berguna untuk membangkitkan medan
6 magnet di sekitar kumparan putar dan akan menimbulkan momen gerak pada kumparan putar apabila dialiri arus. Penyangga pada alat ukur kumparan putar ini berfungsi untuk menahan beratkumparan putar beserta jarum penunjuknya. Gesekan yang terjadi antara penyangga (jewel) dengan poros perputarannya (pivot) harus diusahakan sekecil mungkin.Pegas atau per yang dipasang pada alat ukur kumparan putar ini berfungsi untuk memberikan momen perlawanan terhadap momen gerak sehingga didapat suatu keseimbangan momen atau gaya pada harga penunjuknya.
2.1.3 Prinsip Kerja Alat Ukur Kumparan Putar
Prinsip kerja alat ukur kumparan ini adalah adanya gaya pada penghantar berarus yang diletakkan pada medan magnet (berdasarkan percobaan Lorentz).Pada alat ukur kumparan putar pada umumnya terdapat baterai yangmemungkinkan arus searah melalui alat ukur tersebut saat probe dihubungkansehingga kemudian jarumpenunjuknya bergerak. Simpangan atau defleksi jarum penunjuk terjadi karena adanya interaksi antara arus dan medan magnet padakumparan putar. Arus pada kumparan putar mengakibatkan gaya elektromagnetisyang memiliki arah tertentu sehingga jarum menyimpang sebesar θ .
Pegas yang dipasangkan pada jarum penunjuk akan memberikan reaksi yang berbanding lurus dengan sudut rotasi sumbu dan berusaha untuk menahan perputaran dengan momen kontrolθτTc.
Apabila jarum penunjuk menyimpang dengan sudut akhir θ maka terjadi keadaan seimbang dimana c = TTd
Skema prinsip kerja alat ukur kumparan putar pada pengukuran besaran listrik arus searah dan bolak balik ditunjukkan pada gambar :
7 Gambar 2.2 Skema Prinsip Kerja Kumparan Putar
Secara listrik kerangka alumunium kumparan putar merupakan jaringan hubung pendek (short circuit), dan memberikan pada kumparan momen peredam.Magnet permanent terdiri dari sepatu kutub dan magnet permanent berbentuk U. Magnet permanent terbuat dari logam ferromagnetik yang terbuat dari logam alnico (campuran alumunium nikel dn cobalt) dan mempunyai kutub besi lunak yang ujungnya dibuat melengkung. Bila kumparan putar berputar yang disebabkan oleh arus yang melaluinya, maka dalam kerangkanya akan timbul arusinduksi. Ini disebabkan karena putaran kerangka aluminium ini terjadi dalam medan magnet pada celah udara, sehingga tegangan yang berbanding lurus pada kecepatan perputaran akan diinduksikan dalam kerangka tersebut. Arah dari tegangan dapat ditentukan melalui hukum tangan kanan Fleming. Tegangan ini yang menyebabkan arus induksi mengalir ke dalam kerangka kumparan.Sebaliknya arah arus induksi ini akan memotong fluks magnet dalam celah udara bila kumparan berputar, dan akan dibangkitkan momen yang berbanding lurusdengan kecepatan putar. Akan tetapi arah dari momen ini adalah berlawanan dengan arah perputaran, menyebabkan perputaran terhambat. Dengan demikian terjadilah suatu redaman yang dapat melawan perputaran. Luas penampang kerangka kumparan putar mempengaruhi
8 momen redaman. Apabila luas penampangnya kecil berarti tahanannya besar dan arus induksi kecil sehingga momen redamannya menjadi kurang.
2.1.4 Peredaman Alat Ukur Kumparan Putar
Dalam alat ukur kumparan putar, pada umumnya kumparan putarnya dibentuk kerangka berbahan aluminium. Secara listrik kerangka tersebut merupakan jaringan hubung pendek, dan memberikan pada kumparan momen peredam. Bila kumparan putar berputar yang disebabkan oleh arus yang melaluinya, maka dalam kerangkanya akan timbul arus induksi. Ini disebabkan karena putaran kerangka aluminium ini terjadi dalam medan magnet pada celah udara, sehingga tegangan yang berbanding lurus padakecepatan perputaran akan diinduksikandalam kerangka tersebut. Arah dari tegangan dapat ditentukan melalui hukum tangan kanan Fleming. Tegangan ini yang menyebabkan arus induksi mengalir ke dalam kerangka kumparan. Sebaliknya arah arus induksi ini akan memotong fluks magnet dalam celah udara bila kumaran brputar, dan akan dibangkitkan momen yang berbanding lurus dengan kecepatan putar. Akan tetapi arah dari momen ini adalah berlawanan dengan arah perputaran, menyebabkan perputaran terhambat. Dengan demikian, terjadilah redaman yang berusaha melawan perputaran.
2.1.5 Kegunaan Alat Ukur Kumparan Putar
A. Pengukur Tegangan (Voltmeter)
Konfigurasi dasarnya adalah dengan menghubungkan suatu tahananan seri dengan kumparan putar alat ukur arus dimana arus secara langsung masuk ke dalam kumparan putar.Jika tahanan dari kumparan putar adalah R1 dan tahanan seri yang dipasang adalah R2, maka jika tegangan yang akan diukur diletakkan di ujung dari alat ukur tegangan tersebut, maka arus I akan mengalir melalui kumparan putar dan dipenuhi persamaan sebagai berikut:
9 Jadi walaupun arus yang mengalir melalui kumparan putar adalah I, namun jarum penunjuk akan menunjukkan skala berupa tegangan V. Sebagai contoh, jika terdapat suatu tahanan yang mempunyai harga 7,5 k W dihubungkan secara seri dengan suatu kuparan putar yang mempunyai harga skala maksimal 4 mA dan tahanan dalam sebesar 3 Ohm maka diperoleh :
V = (3 + 37.500)0,004 = 150 V pada I = 4mA
Sehingga telah diperoleh pengukur tegangan dengan skala maksimal 150 V. Sehingga telah diperoleh pengukur tegangan dengan skala maksimal 150 V. Harga tahanan seri harus dipilih sedemikian rupa, sehingga jika alat ukur tegangan dipakai untuk tegangan yang diperuntukkannya, maka arus yang mengalir dalam kumparan putar adalah pula arus yang diperuntukkannya yang biasanya berkisar antara beberapa puluh sampai beberapa mA. Biasanya tahanan seri yang dimaksud telah ada di dalam alat ukur tegangan tersebut bersama dengan bagian-bagian yang lainnya. Namun jika alat pengukur tegangan tersebut dipergunakan untuk mengukur tegangan di sekitar 10.000 V atau lebih tinggi, tahanan seri akan menjadi sedemikian besarnya dan memungkinkan terjadinya panas yang tentunya akan sukar diisolasikan, sehingga sebaiknya oada keadaan tersebut tahanan seri sebaiknya ditempatkan di luar dari alat ukurnya.
B. Pengukur arus (Ammeter)
Alat ukur kumparan putar pada dasarnya adalah alat pengukur arus atau pengukur amper. Arus yang dapat dialirkan melalui kumparan putar dibatasi lebih kurang di bawah 30 mA. Hal ini disebabkan alat-alat putarnya tidak dapat terlalu berat sehingga kawat-kawat penghantar dari kumparan tidak terlalu tebal. Harga maksimum yang dapat diukur oleh pengukur ampare ini lebih kecil dari kira-kira 30 mA. Prinsip kerja ammeter ditunjukkan pada gambar 6 :
10 Gambar 2.3 Prinsip kerja Ammeter kumparan putar
Agar pengukur ampare ini dapat melakukan pengukuran arus yang lebih besar dari 30 mA, maka dapat dilakukan dengan menambahkan suatu hambatan yang dihubungkan parallel pada kumparan putar seperti yang ditunjukkan pada gambar 7. Tahanan yang dipasang ini biasa disebut sebagai tahanan shunt.
Gambar 2.4 Prinsip (a) Ammeter dengan rangkaian shunt (b) Voltmeter dengan rangkaian shunt
Jika tahanan total pada kumparan putar dan pegas-pegas pengontrol disebut R1 , sedangkan arus yang diukur adalah I, kemudian
11 arus yang masuk ke dalam kumparan disebut dengan I” maka akan berlaku persamaan –persamaan berikut:
m adalah harga factor perkalian (multiplikasi) dari shunt.
Walaupun arus yang masuk sebenarnya ke dalam kumparan putar adalah 'I', tapi harga skala yang diberikan sesuai dengan arus I sehingga memungkinkan untuk pengukur ampere dengan tahanan shunt ini untuk mengukur arus sebesar m kali lebih besar.
Sebagai contoh, bila diberikan tahanan shunt sebesar 5,005 mdan dipasang parallel dengan suatu kumparan putar pengukur arus yang mempunyai harga skala maksimum 100 A dan tahanan dari alat putarnya (pegas) sebesar 5 k maka faktor perkalian yang diperoleh adalah sebesar
12 dari perhitungan di atas dimungkinkan untuk membuat alat ukur arus dengan harga skala maksimal 100 mA.
2.1.6 Kelebihan dan Kekurangan Alat Ukur Kumparan Putar
Kelebihan alat ukur kumparan putar jenis magnet permanen adalah sebagai berikut :
1. Memerlukan daya rendah.
2. Skala seragam dan dapat dirancang untuk melampaui 270. 3. Mempunyai rasio torsi / berat tinggi.
4. Dapat dimodifikasi dengan bantuan shunt dantahsnan seri untuk memperbesar batas ukur arus dan tegangan.
5. Tidak mempunyai kehilangan hysterisis 6. Peredaman dengan arus eddy sangat efektif.
7. Karena medan yang bekerja pada alat ukur sangat kuat, alat ukur tidak banyak dipengaruhi oleh medan magnet luar.
Kelemahan alat ukur kumparan putar jenis magnet permanen adalah sebagai berikut :
1. Karena kontruksi yang bagus dan perlunya kecermatan permesinan dan perakitan dari berbagai suku cadang, alat ukur ini lebih mahal disbanding dengan alat ukur besi putar.
2. Beberapa kesalahan (error) terjadi karena pegas control dan magnet permanent yang sudah tua atau lama pemakaiannya. Alat ukur ini pada umumnya hanya digunakan rangkaian listrik searah tetapi kadang-kadang juga digunakan dengan diberi penyearah atau sambungan thermo untuk pengukuran listrik bolak-balik pada batas-batas frekuensi tertentu. Alat ukur kumparan putar jenis magnet permanent ini dapat dipakai sebagai ammeter dengan bantuan tahanan shunt atau sebagai voltmeter dengan bantuan tahanan shunt atau dengan bantuan tahanan seri yang besar.
13
2.2 ALAT UKUR ELEKTROSTATIS 2.2.1 Definisi Alat Ukur Elektrostatis
Alat ukur elektrostatis adalah alat ukur yang mempergunakan gaya elektrostatis yaitu gaya tarik antara muatan listrik yang didapatkan dari interaksiantara dua buah elektroda yang masing-masing mempunyai potensial yang berbeda. Gaya elektrostatis ini dapat menimbulkan torsi penyimpangan. Biaasanya alat ukur ini digunakan sebagai alat ukur tegangan bolak-balik dantegangan searah. Untuk beda potensial yang cukup besar, maka gaya elektrostatisyang dihasilkan kecil, sehingga alat ukur ini biasanya dikhususkan untuk tegangan yang tinggi.
2.2.2 Prinsip Kerja Alat Ukur Elektrostatis
Alat ukur ini terdiri dari dua buah elektroda yaitu elektroda tetap danelektroda putar. Agar terhindar dari pengaruh pelepasan muatan listrik padategangan tinggi, maka tepian plat tadi dibulatkan dengan permukaan yang sangathalus. Kemudian terdapat cicin pelindung yang terpasang pada elektroda putar yang bergerak. Cincin pelindung ini memungkinkan terjadinya medan yang rataantara elektroda putar dan elektroda tetap serta dapat mengurangi pengaruh medan elektrostatis sekelilingnya. Elektroda putar akan bergerak dan mendapatkan momen gaya ketika suatu tegangangan yang akan diukur ditempatkan antara duaelektroda tersebut. Momen yang dihasilkan sebanding dengan kuadarat tegangandan arahnya menuju bertambahnya kapasitas kondensator.
Untuk menunjukkan harga tegangan yang diukur, maka sebuuah jarum penunjuk dihubungkan dengansumbu gerak elektroda putarnya. Perputaran jarum penunjuk merupakan pergerakan yang linier dari elektroda putar.
Alat ukur elektrostatis ini merupakan alat ukur arus searah dan arus bolak balik. Dalam keadaan arus searah, simpangan atau sudut putar jarum penunjuk bergantung kepada kudaran dari tegangan yang diukur, sedangkan
14 pada keadaan bolak-balik, sudut putar jarum penunjuk tergantung pada harga efektif daritegangan yang diukur. Pada arus searah, mula-mula arus pengisi mengalir yangkemudian sesudahnya arus hmpir-hampir tidak mengalir. Pada arus bolah-balik arus pengisi akan terus mengalir di antara elektroda-elektroda.
Gambar 2.3 Prinsip kerja alat ukur elektrostatis (a) diperrgunakan untuk tegangan beberapa kilovolt (b) dipergunakan untuk tegangan tinggi.
15
2.2.3 Kegunaan Alat Ukur Elektrostatis
Alat ukur elektrostatis banyak dipergunakan sebagai alat ukur tegangan (volt meter) untuk arus bolak-balik maupun arus searah, khususnya dipergunakan pada alat ukur tegangan tinggi.
A. Voltmeter
Volmeter atau kilovolmeter merupakan suatu alat ukur yang digunakan untuk mengukur besarnya potensial listrik. Dalam satuan Volt (V) atau kilovolt (kV). Untuk satuan yang lebih kecil lagi dapat digunakan mili-Volt (mV). Volmeter elektrostatik atau elektrometer adalah satu-satunya instrumen yang langsung daripada menggunakan efek arus yang dihasilkannya. Instrumen ini mempunyai satu karakteristik lain yaitu : dia tidak memakai daya (kecuali selama periode yang singkat dari penyambungan awal ke rangkaian) dan berarti menyatakan impedansi tak berhingga terhadap rangkaian yang diukur. Tingkah lakunya bergantung pada reaksi antara dua benda bermuatan listrik. Mekanisme elektrostatik mirip sebuah kapasitor variabel, dimana gaya yang terjadi antara kedua pelat pararel merupakan fungsi dari beda potensial yang dihubungkan kepadanya. Pelat X dan Y berisi sebuah kapasitor yang kapasitasnya bertambah bila jarum P bergerak ke kanan. Gerakan jarum dilawan oleh pegas kumparan yang juga berfungsi untuk menghasilkan kontak listrik antara terminal A dan pelat X. Bila terminal X dan Y dihubungkan ke titik-titik yang potensialnya berlawanan, dan gaya tarik antara kedua benda yang sama tetapi bermuatan berlawanan tersebut mendorong jarum bergerak ke kanan. Jarum akan berhenti bila torsi yang disebabkan oleh tarikan listrik antara pelat-pelat sama dengan torsi lawan dari pegas kumparan. Skema voltmeter elektrostatis ditunjukkan pada gambar :
16 Gambar 2.4 Skema voltmeter Elektrostatis
2.2.4 Kelebihan dan Kekurangan Alat Ukur Elektrostatis
Kelebihan alat ukur ini adalah sebagai berikut:
1. Alat ukur ini sangat ideal untuk suatu alat ukur tegangan atau voltmeter.
2. Pada penggunaan tegangan tinggi, momen geraknya bertambah besar dengan menaiknya tegangan, dengan kerugian daya yang kecil.
3. Dapat dibuat dengan kecermatan yang tinggi.
4. Bebas dari kesalahan yang diakibatkan histerisis, arus eddy dan akibat pengaruh suhu.
5. Hanya menarik arus yang sangat kecil karena kapasitansi alat ukur pada rangkaian listrik bolak-balik.
6. Dapat digunakan sampai dengan frekuensi 1000 kHz
Adapun kelemahannya adalah sebagai berikut :
1. Pada tegangan rendah, momen geraknya sangat rendah sehingga batas tegangan yang minimal dapat dipakai untuk alat ukur ini ada di sekitar 100 Volt.
17
BAB III
PENUTUP
3.1 Simpulan
Dari penjelasan diatas, kesimpulan yang dapat kami ambil adalah bahwa alat ukur kumparan putar adalah alat pengukur, yang bekerja atas dasar adanya suatu kumparan listrik, yang ditempatkan pada medan magnet, yang berasal dari suatu magnet pemanen. Sedangkan, alat ukur elektrostatis adalah alat ukur yang mempergunakan gaya elektrostatis yaitu gaya tarik antara muatan listrik yang didapatkan dari interaksiantara dua buah elektroda yang masing-masing mempunyai potensial yang berbeda. Dari kedua alat tersebut, masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing sehingga kita dapat memilah-milah untuk memakai alat pengukur listrik yang kita butuhkan.
18
Daftar Pustaka
www.nofriandi90.blogspot.com
