Aplikasi Sensor Pada Sistem Telemetri Multitone

Aplikasi Sensor Pada Sistem

Telemetri Multitone

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Disusun oleh :

I Putu Eka Putra Wiantara NIM : 035114040

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

Sensor Aplication Of Multitone

Telemetry System

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the SARJANA TEKNIK Degree

in Electrical Engineering

by:

I Putu Eka Putra Wiantara Student number : 035114040

STUDY PROGRAM OF ELECTRICAL ENGINEERING

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

LEMBAR PENGESAHAN OLEII PEMBIMBING

TUGAS AKHIR

Apilikasi Scnsor Pada Sistem

Telemetri Multitone

disuzun oleh

Pembimbing II

LEMBAR PENGESAHAN OLEH PENGUJI

TUGASAKHIR

APLIKASI SENSOR PADA SISTf,M TELEMETRI

MT]LTITONE

Oleh:

I Putu Eka

Wiantara

: B. Wuri Harini, S.T., M.T.

Febnrari 2009

Ketua

Anggota

Anggota

Anggota

vl 67

tb

Yoryakarta Februari2009

Fakultas

Sains

dan Teknologi

Dharma

Teknologi

dffi3

3"firy**, s.rf,ra.eng.

,.d ,

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

Yogyakarta, 31 Desember 2008

Penulis

HALAMAN MOTTO dan PERSEMBAHAN

Motto:

Hidup Adalah Sebuah Pilihan

Persembahan:

Pada Ida Sang Hyang Widhi Wasa atas asung kerta wara nugraha-Nya sehingga karya tulis ini bisa saya selesaikan tepat waktu.

Untuk yang tercinta kedua orang tuaku Nyoman Winten dan Ketut Wariati yang telah memberikan cinta kasih sayangnya, yang tidak pernah lelah memberikan dorongannya, nasehat dan biaya untuk menyelesaikan kuliah ini. Serta ketiga adikku yang jail-jail, Kadek Hery Budi Adnyana, Komang Hera Budi Sukrantara dan Ketut Vera Budi Lesmana.

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : I Putu Eka Putra Wiantara

Nomor Mahasiswa : 035114040

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

APLIKASI SENSOR PADA SISTEM TELEMETRI MULTITONE

beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal : 24 Februari 2009

Yang menyatakan

Intisari

Aplikasi sensor pada sistem telemetri multitone adalah sistem pendukung dari sistem yang lebih besar yaitu sistem telemetri multitone yang merupakan alat ukur dengan tiga sinyal data pengukuran, yaitu data pengukuran suhu udara, tekanan udara dan kelembaban udara, dengan sistem komunikasi gelombang radio FM.

Aplikasi sensor pada sistem telemetri multitone ini, terdiri dari bagian sensor, pengondisi sinyal, VCO dan penjumlah sinyal. Untuk mengukur suhu menggunakan sensor LM335, tekanan udara menggunakan sensor MPX4100 dan kelembaban udara menggunakan sensor HS-15. Masing-masing sensor akan mendeteksi keadaan sekitar dan mengubahnya dari besaran fisik menjadi tegangan. Tegangan ini akan dikondisikan oleh pengondisi sinyal agar bisa dipakai sebagai tegangan kendali dari VCO. Frekuensi keluaran untuk pengukuran suhu memiliki rentang dari 2kHz sampai 7kHz, pengukuran tekanan dari 8kHz sampai 13kHz dan pengukuran kelembaban dari 14kHz sampai 19kHz. Frekuensi keluaran dari masing-masing VCO akan dijumlahkan untuk dipancarkan oleh pemancar FM.

Abstract

Sensor application of multi tone telemetry system is a support system to measure instrument atmospheric temperature, atmospheric pressure and atmospheric humidity that were transmitted trough radio communication system.

This sensor application consist of sensor, signal conditioning, voltage controller oscillator (VCO) and signals adder. Measuring for atmospheric temperature using LM335, atmospheric pressure using MPX4100 and atmospheric humidity using HS-15P. Each sensor will detect its around condition then convert physical quantity to voltage level. Signal conditioning will modify sensor output for control voltage at VCO to generate frequency. The frequency atmospheric temperature are 2kHz-7kHz, atmospheric pressure are 8kHz-13kHz and atmospheric humidity are 14kHz-19kHz. This frequency will be added by signals adder and transmitted by FM transmitter.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Ida Sang Hyang Widhi Wasa atas asung kerta wara nugraha-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Aplikasi Sensor Pada Sistem Telemetri Multi tone”.

Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro di Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma sekaligus sebagai upaya untuk memperdalam dan memperkaya wawasan berpikir serta menambah wacana di bidang elektronika khususnya dan sains teknologi pada umumnya.

Pembuatan tugas akhir ini tidak terlepas dari bantuan dan bimbingan berbagai pihak, untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. B. Wuri Harini S.T., M.T Kepala Jurusan Teknik Elektro telah

memberikan perhatiannya selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

2. A. Bayu Primawan, S.T., M.Eng selaku dosen pembimbing I yang telah

memberikan bimbingan, masukan, waktu, dan perhatiannya selama penyusunan tugas akhir ini.

3. Martanto, S.T., M.T selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan bimbingan, masukan, waktu, dan perhatiannya selama penyusunan tugas akhir ini.

4. Segenap dosen dan laboran Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma. 5. Segenap karyawan sekretariat Fakultas Teknik.

6. Bapak, Ibu dan keluarga yang selalu memberi semangat supaya bisa cepat dalam menyelesaikan kuliah dan mengerjakan tugas akhir ini.

7. Luh Sari Yudarini yang selalu menjadi inspirasi dan semangat dalam

berkarya, juga orang yang sangat berarti dalam hidup ini

8. Sahabat, saudara, dan teman-temanku di kontrakan 120 C, yang selalu

bikin suasana ceria sehingga tidak kesepian.

10.Teman-teman TE angkatan 2003 atas dukungan dan kekompakannya. 11.Semua pihak yang telah membantu dan tidak dapat disebutkan satu persatu

sehingga skripsi ini dapat diselesaikan.

Penulis dengan penuh kesadaran memahami dalam pembuatan tugas akhir ini masih banyak terdapat kekurangannya. Oleh karenanya sumbang saran yang bersifat membangun dari pembaca sangat diharapkan. Akhirnya penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi pembaca khususnya dan dunia elektronika umumnya.

Yogyakarta, 31 Desember 2008. Penulis

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN JUDUL DALAM BAHASA INGGRIS ... ii

LEMBAR PERSETUJUAN TUGAS AKHIR ... iii

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR ... iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v

HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ... vi

LEMBARA PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vii

INTISARI ... viii

ABSTRACT ... ix

KATA PENGANTAR ... x

DAFTAR ISI ... xii

DAFTAR GAMBAR ... xvi

DAFTAR TABEL ... xviii

DAFTAR GRAFIK ... xix

DAFTAR LAMPIRAN ... xxiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Judul ... 1

1.2 Latar Belakang Masalah... 1

1.3 Tujuan Penelitian ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 2

1.5 Batasan Masalah ... 3

1.6 Metodologi Penelitian ... 3

1.7 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II DASAR TEORI ... 5

2.1 Sensor Suhu Elektronis ... 6

2.2 Sensor Tekanan Udara ... 7

2.3 Sensor Kelembaban (Relative Humididy HS-15P ... 10

2.4.1 Penyangga (Buffer) ... 12

2.4.2 Penguat Inverting ... 13

2.4.3 Penguat Non-Inverting ... 13

2.4.4 Penjumlah membalik N-masukan ... 14

2.4.5 Subtractor/Pengurang ... 15

2.5 Pengondisi Sinyal ... 16

2.6 VCO (Voltage Control Oscilator) ... 17

2.7 Pengikut dan Penyimpan Puncak Positif ... 18

2.8 Multivibrator Astabil ... 19

2.9. Osilator Gelombang Sinus ... 22

2.10 Karakteristik Alat Ukur ... 23

2.11 Jenis-jenis Kesalahan ... 25

2.12 Analisa Statistik ... 25

2.12.1 Nilai Rata-rata (Arithmetic Mean) ... 26

2.12.2 Penyimpangan Terhadap Nilai Rata-rata ... 26

2.12.3 Penyimpangan Rata-rata (Average Deviation) ... 27

2.12.4 Deviasi Standar ... 27

2.13 Regresi Linier ... 27

2.13.1 Kriteria Untuk Kecocokan Terbaik ... 28

2.13.2 Kecocokan Kuadrat Terkecil dari Garis Lurus ... 28

2.13.3 Pengukuran Galat Regresi Linier ... 29

BAB III PERANCANGAN ... 32

3.1 Pengukuran Suhu ... 32

3.1.1 Sensor Suhu (LM335) ... 32

3.1.2 Pengondisi Sinyal I ... 33

3.1.3 VCO I ... 36

3.2 Pengukuran Tekanan ... 37

3.2.1 Sensor Tekanan Udara ... 37

3.2.2 Pengondisi Sinyal II ... 38

3.2.3 VCO II ... 41

3.3.1 Sensor Kelembaban Udara ... 41

3.3.2 Peak Detector Penyearah Tegangan Puncak Positif ... 43

3.3.3 Pengondisi Sinyal III ... 44

3.3.4 VCO III ... 46

3.4 Penjumlah Membalik N-masukan ... 47

3.5 Buffer (Penyangga) ... 49

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 50

4.1 Pengukuran Suhu ... 50

4.1.1 Sensor Suhu (LM335) ... 50

4.1.2 Pengondisi Sinyal I ... 53

4.1.3 Voltage Controlled Oscilator (VCO) I ... 56

4.2 Pengukuran Tekanan ... 61

4.2.1 Sensor Tekanan (MPX4100) ... 61

4.2.2 Pengondisi Sinyal II ... 62

4.2.3 Voltage Controlled Oscilator (VCO) II ... 66

4.3 Pengukuran Kelembaban ... 70

4.3.1 Sensor Kelembaban (HS-15) ... 71

a. Kelembaban Suhu 250C ... 71

b. Kelembaban Suhu 350C ... 73

c. Kelembaban Suhu 450C _{... 74}

d. Pengukuran Kelembaban Pada Suhu 280C ... 75

4.3.2 Peak Detector Penyearah Tegangan ... 76

a. Peak Detector Suhu 250C ... 76

b. Peak Detector Suhu 350C ... 79

c. Peak Detector Suhu 450C ... 82

d. Kinerja Peak Detector ... 84

4.3.2 Pengondisi Sinyal III ... 85

a. Pengondisi Sinyal III Suhu 250C ... 85

b. Pengondisi Sinyal III Suhu 350C ... 87

d. Kinerja Pengondisi Sinyal ... 95

4.3.4 Voltage Controlled Oscilator (VCO) III ... 95

a. Voltage Controlled Oscilator (VCO) III Suhu 250C ... 96

b. Voltage Controlled Oscilator (VCO) III Suhu 350C ... 98

c. Voltage Controlled Oscilator (VCO) III Suhu 450C ... 101

d Kinerja Voltage Controlled Oscilator (VCO) III ... 104

4.4 Bagian Penjumlah ... 104

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 107

5.1 Kesimpulan ... 107

5.2 Saran ... 107

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Blok diagram ... 5

Gambar 2.2 Simbol dan bentuk IC LM335 ... 6

Gambar 2.3 Sensor suhu sederhana tanpa kalibrasi ... 6

Gambar 2.4 Sensor tekanan udara dengan unsur piezoelektrik ... 8

Gambar 2.5 Efek piezoelektrik secara umum... 8

Gambar 2.6 Rongga terisolasi dari lingkungan ... 9

Gambar 2.7 Rangkaian sederhana sensor HS-15 ... 11

Gambar 2.8 Penyangga ... 12

Gambar 2.9 Rangkaian penguat Inverting ... 13

Gambar 2.10 Rangkaian penguat Non-Inverting ... 14

Gambar 2.11 Rangkaian penjumlah Inverting ... 15

Gambar 2.12 Rangkaian pengurang ... 16

Gambar 2.13 Konfigurasi pin IC CD4046 ... 17

Gambar 2.14 Bila E₁ melebihi V_C, C diisi menuju E₁ melalui D_P ... 18

Gambar 2.15 Bila E₁ lebih kecil dari V_C, C mempertahankan tegangan pada E₁tertinggi sebelumnya ... 18

Gambar 2.16 Multivibrator simetris bebas ... 19

Gambar 2.17 Bentuk-bentuk gelombang untuk multivibrator bebas ... 21

Gambar 2.18 Sine wave oscillator ... 23

Gambar 3.1 Blok diagram perancangan ... 32

Gambar 3.2 Rangkaian dasar sensor suhu terkalibrasi ... 33

Gambar 3.3 Pengondisi sinyal sensor suhu ... 36

Gambar 3.4 VCO I ... 37

Gambar 3.5 Pengondisi sinyal sensor tekanan udara ... 40

Gambar 3.6 VCO II ... 41

Gambar 3.7 Rangkaian Sensor Kelembaban... 42

Gambar 3.8 Penyearah tegangan AC ... 44

Gambar 3.10 VCO III ... 47

Gambar 3.11 Rangkaian penjumlah tiga masukan... 49

Gambar 3.12 Buffer ... 49

Gambar 4.1 Keluaran VCO I ... 105

Gambar 4.2 Keluaran VCO II ... 105

Gambar 4.3 Keluaran VCO III ... 106

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Karakteristik sensor HS-15P ... 10

Tabel 3.1 Hasil pengujian awal VCO I ... 34

Tabel 3.2 Hasil pengujian awal VCO II ... 39

Tabel 3.3 Hasil pengujian awal VCO III ... 44

Tabel 4.1 Data pengukuran sensor tekanan ... 62

Tabel 4.2 Data pengukuran kelembaban ... 71

Tabel 4.3 Data pengukuran kelembaban suhu 280C ... 75

Tabel 4.4 Error pengukuran kelembaban pada suhu 280C ... 76

Tabel 4.5 Persentase error rata-rata peak detector ... 85

Tabel 4.6 Persentase error rata-rata pengondisi sinyal ... 95

DAFTAR GRAFIK

Grafik 2.1 Grafik perbandingan impedansi terhadap kelembaban ... 11

Grafik 3.1 Perancangan pengondisi sinyal sensor suhu ... 34

Grafik 3.2 Perbandingan Vout dengan tekanan udara ... 38

Grafik 3.3 Perancangan pengondisi sinyal sensor tekanan udara ... 39

Grafik 3.4 Perancangan pengondisi sinyal sensor kelembaban udara ... 44

Grafik 4.1 Grafik Perbandingan Tegangan Keluaran LM335 Terukur dan Teoritis ... 51

Grafik 4.2 Grafik Perbandingan Suhu Udara terhadap Persentase Galat Hasil Pengukuran dari Teoritis ... 53

Grafik 4.3 Grafik Perbandingan Tegangan Masukan Pengondisi Sinyal Terhadap Tegangan Keluaran pengondisi Sinyal Terukur dan Teoritis ... 54

Grafik 4.4 Garfik Perbandingan Tegangan Masukan Pengondisi Sinyal Terhadap Persentase Galat Tegangan Keluaran Pengondisi Sinyal Terukur dari Teoritis ... 56

Grafik 4.5 Grafik Perbandingan Tegangan Input Kendali VCO Terhadap Frekuensi Keluaran VCO Terukur dan Teoritis ... 57

Grafik 4.6 Grafik Perbandingan antara Frekuensi Keluaran VCO Hasil Pengukuran dengan Galat Keluaran VCO Hasil Pengukuran dengan Teoritis ... 59

Grafik 4.7 Grafik Perbandingan Suhu Udara Terhadap Frekuensi Keluaran Sistem Sensor Suhu ... 60

Grafik 4.8 Grafik Perbandingan Suhu Udara Terhadap Persentase Galat Frekuensi Keluaran Sistem Terukur dari Teoritis ... 60

Grafik 4.9 Grafik Perbandingan Tegangan Keluaran MPX4100 Terhadap Tekanan Udara ... 62

Grafik 4.11 Grafik Perbandingan Tegangan Input Pengondisi Sinyal Terhadap Persentase Galat Tegangan Keluaran Terukur dari Teoritis ... 65 Grafik 4.12 Grafik Perbandingan Tegangan Input Kendali VCO Terhadap Frekuensi Keluaran VCO Hasil Terukur dan Toritis ... 66 Grafik 4.13 Grafik Perbandingan Tegangan Input Kendali VCO Terhadap Persentase Galat Frekuensi Keluaran VCO Terukur dari

Teoritis ... 68 Grafik 4.14 Grafik Perbandingan Tekanan Udara Terhadap Frekuensi

Keluaran Sistem Sensor Tekanan ... 69 Grafik 4.15 Grafik Perbandingan Tekanan Udara Terhadap Persentase Galat Frekuensi Keluaran Sistem Terukur dari Teoritis ... 70 Grafik 4.16 Grafik Perbandingan Kelembaban Udara (%RH) terhadap Impedansi (kOhm) yang Dihasilkan. ... 72 Grafik 4.17 Gafik Perbandingan Kelembaban Udara Terhadap Tegangan Keluaran Sensor HS-15 ... 73 Grafik 4.18 Grafik Perbandingan Kelembaban Udara (%RH) terhadap Impedansi (kOhm) yang Dihasilkan ... 73 Grafik 4.19 Gafik Perbandingan Kelembaban Udara Terhadap Tegangan Keluaran Sensor HS-15 ... 74 Grafik 4.20 Grafik Perbandingan Kelembaban Udara (%RH) terhadap Impedansi (kOhm) yang Dihasilkan ... 74 Grafik 4.21 Gafik Perbandingan Kelembaban Udara Terhadap Tegangan Keluaran Sensor HS-15 ... 75 Grafik 4.22 Grafik perbandingan tegangan input terhadap tegangan

Grafik 4.25 Grafik Perbandingan Tegangan InputPeak Detector Terhadap Persentase Galat Tegangan Keluaran Peak Detector Terukur dari Teoritis ... 81 Grafik 4.26 Grafik perbandingan tegangan input terhadap tegangan

outputpeak detector terukur dengan teoritis ... 82 Grafik 4.27 Grafik Perbandingan Tegangan InputPeak Detector Terhadap Persentase Galat Tegangan Keluaran Peak Detector Terukur dari Teoritis ... 84 Grafik 4.28 Grafik Perbandingan Tegangan Input Pengondisi Sinyal

Terhadap Tegangan Keluaran Pengondisi Sinyal Terukur dan Teoritis ... 86 Grafik 4.29 Grafik Perbandingan Tegangan Input pengondisi Sinyal

Terhadap Persentase Galat Tegangan Output Pengondisi Sinyal Terukur dari Teoritis ... 88 Grafik 4.30 Grafik Perbandingan Tegangan Input Pengondisi Sinyal

Terhadap Tegangan Keluaran Pengondisi Sinyal Terukur dan Teoritis ... 89 Grafik 4.31 Grafik Perbandingan Tegangan Input pengondisi Sinyal

Terhadap Persentase Galat Tegangan Output Pengondisi Sinyal Terukur dari Teoritis ... 91 Grafik 4.32 Grafik Perbandingan Tegangan Input Pengondisi Sinyal

Terhadap Tegangan Keluaran Pengondisi Sinyal Terukur dan Teoritis ... 92 Grafik 4.33 Grafik Perbandingan Tegangan Input pengondisi Sinyal

Grafik 4.36 Grafik Perbandingan Input Kendali VCO Terhadap Frekuensi Keluaran VCO Terukur dan Teoritis ... 98 Grafik 4.37 Grafik Tegangan Input Kendali VCO Terhadap Persentase

Galat Keluaran VCO Terukur dari Teoritis ... 101 Grafik 4.38 Grafik Perbandingan Input Kendali VCO Terhadap Frekuensi Keluaran VCO Terukur dan Teoritis ... 101 Grafik 4.39 Grafik Tegangan Input Kendali VCO Terhadap Persentase

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Gambar Sinyal Keluaran VCO Sensor Suhu dengan Frekuensi 2,02kHz ... L1 Lampiran 2 Gambar Sinyal Keluaran VCO Sensor Tekanan dengan

Frekuensi 7,964kHz ... L1 Lampiran 3 Gambar Sinyal Keluaran VCO Sensor Kelembaban dengan

BAB I

PENDAHULUAN

1.1

Judul

Aplikasi Sensor Pada Sistem Telemetri Multitone

1.2

Latar Belakang Masalah

.

Dalam suatu pengukuran biasanya dibutuhkan suatu instrumen yang

digunakan untuk menentukan suatu besaran (kuantitas) atau variabel. Instrumen

tersebut membantu mempermudah pekerjaan manusia dan juga bisa meningkatkan

ketrampilan manusia serta dalam banyak hal memungkinkan seseorang untuk

menentukan nilai dari suatu besaran yang tidak diketahui manusia atau di luar

jangkauan indra manusia. Dengan demikian, sebuah instrumen dapat didefinisikan

sebagai sebuah alat yang digunakan untuk menentukan nilai atau besaran dari suatu

kuantitas atau variabel.

Sistem Telemetri Multitone merupakan suatu alat ukur yang menggunakan

beberapa sensor untuk mengukur atau mendeteksi keadaan sekitar yang akan

dtransmisikan dalam beberapa frekuensi yang digabungkan atau dijumlahkan. Pada

sistem penerima, frekuensi yang diterima akan dipisahkan menjadi beberapa

frekuensi, yang kemudian diterjemahkan menjadi nilai-nilai hasil pengukuran dari

sensor-sensor tersebut.

Pada sistem transmisi, Sistem Telemetri Multitone ini terdiri dari tiga sensor,

berfungsi untuk mendeteksi keadaan di sekitar sensor, dari suhu lingkungan, tekanan

udara dan kelembaban udara dimana ketiga sensor ini diletakkan.

Hasil pengukuran dari sensor adalah berupa tegangan. Karena tegangan yang

dihasilkan sangat kecil, maka dibutuhkan pengondisi sinyal untuk penyesuaiannya.

Tegangan keluaran dari pengondisi sinyal ini akan diubah menjadi bentuk frekuensi,

dimana perubahan frekuensi ini menujukkan perubahan tegangan hasil pengukuran

sensor yang menyatakan kondisi tempat atau lingkungan dimana sensor ini

diletakkan, yang kemudian frukuensi-frekuensi dari ketiga sensor ini akan

dijumlahkan yang selanjutnya akan ditransmisikan melalui pemancar FM dengan

frekuensi carrier 140MHz.

Dengan adanya sistem telemetri multitone ini, untuk mengukur perubahan

keadaan suatu lingkungan, tidak harus ke tempat tersebut untuk melakukan

pengukuran sewaktu-waktu, hanya dengan mengamati perubahan dari penerima

frekuensi dan penampil hasil pengukuran.

1.3

Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengukur suhu, tekanan udara dan

kelembaban udara dan ditransmisikan dengan frekuensi 140 MHz. Selain itu,

penelitian ini bertujuan untuk mendukung sistem telemetri multitone.

1.4

Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari pembuatan alat ini adalah sebagai alat bantu pengukuran

dalam memeroleh data suhu udara, tekanan udara dan kelembaban udara, agar dapat

1.5

Batasan Masalah

Rangkaian aplikasi sensor pada sistem telemetri multitone, dirancang dengan

menggunakan tiga sensor, yaitu sensor suhu menggunakan LM335 dengan rentang

pengukuran dari oC

15 sampai oC

95 dan dengan rentang frekuensi 2kHz sampai

7kHz, sensor tekanan udara menggunakan MPX4100 dengan rentang pengukuran dari

30kPa sampai 90kPa dan dengan rentang frekuensi 8kHz sampai 13kHz dan sensor

kelembaban udara menggunakan HS-15 dengan rentang pengukuran dari 20% sampai

80% dengan batasan frekuensi 14kHz samapai 19kHz. Hasil keluaran dari sensor,

dimasukan ke pengondisi sinyal, kemudian diubah dalam bentuk frekuensi dengan

menggunakan IC CD4046B. Keluaran dari IC CD4046B yang dalam bentuk

frekuensi, kemudian dijumlahkan dan yang terakhir ditransmisikan dengan frekuensi

140MHz.

1.6

Metodologi Penelitian

Langkah langkah yang dipakai dalam penelitian adalah:

1. Menentukan garis besar dari bagian-bagian alat yang akan di buat.

2. Mengumpulkan literatur mengenai teori-teori yang mendasari perangkat

dari aplikasi sensor pada sistem telemetri multitune.

3. Perancangan tiap bagian dari aplikasi sensor pada sistem telemetri

multitune berdasarkan karakteristik tiap komponen.

4. Pengambilan data dilakukan dengan cara mengukur tiap keluaran dari

bagian-bagian sistem telemetri multitune dengan menggunakan alat

multimeter, oscilloscope dan frequency counter.

5. Menganalisa data dengan membandingkan data hasil pengukuran dengan

1.7

Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan yang digunakan dalam laporan tugas akhir ini disusun

dalam bentuk sebagai berikut:

Bab I. Pendahuluan yang berisi mengenai latar belakang penulisan, Perumusan

masalah, Pembatasan masalah, Tujuan penelitian, Manfaat penelitian, Metodologi

penelitian dan Sistematika penelitian.

Bab II. Dasar Teori yang berisi mengenai teori-teori yang mendasari perangkat dari

aplikasi sensor pada sistem telemetri multitune.

Bab III. Perancangan aplikasi sensor pada sistem telemetri multitune yang berisi

perancangan tiap bagian dari aplikasi sensor pada sistem telemetri multitune

berdasarkan karakteristik tiap komponen.

Bab IV. Pembahasan yang berisi data-data hasil pengujian aplikasi sensor pada sistem

telemetri multitune.

Bab V. kesimpulan dan Saran yang berisi mengenai spesifikasi alat dan saran-saran

BAB II

DASAR TEORI

Aplikasi sensor pada sistem telemetri multitone adalah penggunaan sensor

untuk melakukan pengukuran jarak jauh, yang terdiri dari tiga sensor, yaitu sensor

suhu, tekanan udara dan kelembaban udara. Ketiga sensor ini akan mengubah besaran

fisik menjadi besaran listrik, yang berupa sinyal DC. Sinyal ini kemudian dirubah

menjadi frekuensi, dimana setiap terjadi perubahan sinyal tegangan, maka akan terjadi

perubahan frekuensi. Sensor suhu akan memakai rentang perubahan frekuensi dari

2kHz sampai 7kHz, sensor tekanan akan memakai rentang frekuensi dari 8kHz

sampai 13kHz dan sensor kelembaban udara akan memakai rentang frekuensi 14kHz

sampai 19Khz. Agar hasil penjumlahan bisa dipisahkan lagi, sebelum dijumlahkan,

amplitudo dari masing-masing sinyal frekuensi di bedakan. Blok diagram alir dari

aplikasi sensor pada sistem multitone ditunjukan pada gambar 2.1.

Gambar 2.1. Blok Diagram

Sensor kelembaban

udara

Pengondisi sinyal III

VCO III

+

TX

Sensor tekanan

udara

Pengondisi sinyal II

VCO II Sensor

suhu

Pengondisi sinyal I

VCO I

2.1 S

semik bahan memp tegan berup LM3 tiga k ditent anoda yang secar

Sensor Suh

Untuk tra

konduktor d

n semikond

punyai sifat

ngan keluara

pa IC LM35

35 berupa s

kaki. Dilihat

tukan kaki-k

a dan kaki k

stabil. Kar ra sederhana G

hu Elektro

ansduser su dengan bent duktor ini

t yang benar

an yang dih

dan LM335 Gambar semikondukt dari bawah kakinya. Ka ketiga adalah

rena itu pen

untainya da

Gambar 2.3.

onis

uhu secara k

tuk fisik sep

mempunyai

r-benar linie

hasilkan. Co

5.

r 2.2. Simbol

tor yang sec

dengan bida

aki pertama

h kaki katod

nerapannya apat digamba Sensor Suh khusus suda perti transist i jangkauan

er antara pe

ontohnya ada

l dan Bentuk

cara fisik be

ang yang me

merupakan

da. IC LM33

dalam untai

arkan seperti

hu Sederhana

ah tersedia

tor tiga bua

n pengukura

erubahan suh

alah semi k

k IC LM335

entuknya sa

endatar berad

kaki adj, ka

35 sebenarny

i elektronis

i gambar 2.3

a Tanpa Kali

dalam bent

ah kaki. Ke

an yang le

hu yang dite

konduktor te

.

ama dengan

da di atas ma

aki kedua ad

ya adalah di

Berikut ini adalah beberapa karakteristik dari LM335 yang mendukung

pembuatan perangkat telemetri ini.

1. LM335 mempunyai perubahan pada keluaran sebesar 10mV setiap 10_{K bila}

pada komponen ini diberi catu daya maka IC ini akan bekerja sebagai sensor

suhu yang brsifat linier.

2. Mempunyai rentang pengukuran suhu yang besar, dari -400C sampai dengan

100 0C.

Bila setiap 10K menyebabkan perubahan sebesar 10mV maka jangkauan dari 16 0C =

289,15 K sampai dengan 950_{C = 368,15 mempunyai 80 perubahan sehingga}

menyebabkan perubahan pada tegangan keluaran sebesar 80 × 10mV = 800mV = 0,8

volt.

2.2 Sensor Tekanan Udara

Sensor berisi sebuah rongga tipis yang nantinya akan bergeser ke derajat yang

lebih tingi bila terkena tekanan udara seperti terlihat pada gambar 2.4. Suatu unsur

piezoelektrik yang ditunjukan pada gambar 2.5 yang dipadukan sepanjang tepi sekat

rongga yang ada yang nantinya akan mengikuti pergerakan sekat rongga tersebut.

Setiap sensor tekanan udara memiliki persamaan fungsi alih tertentu. Fungsi

persamaan ini adalah mengubah level tekanan udara menjadi besaran tegangan

tertentu yang dapat diterima oleh komponen elektronika. Untuk sensor yang

digunakan menggunakan persamaan 2.1 di bawah ini.

E p

Vs

Vout = (0,01059 −0,1518)± ...(2.1)

Dengan Vs = Tegangan sumber (Volt)

E = ± error

Unsur piezoelektrik adalah suatu bahan-bahan kristal yang tidak simetri

(seperti kuartz, garam Rochelle, dan barium titanit) yang akan menghasilkan suatu

gaya gerak listrik (ggl) bila diregangkan dan sebaliknya dapat berubah dimensinya

bila dikenai tegangan listrik.

Gambar 2.4. Sensor tekanan udara dengan unsur piezoelektrik

Gambar 2.5. Efek piezoelektrik secara umum.

Sifat piezoelektrik adalah sebagai berikut:

Sifat piezoelektrik langsung:

1. Bila pelat piezoelektrik diberi tekanan, maka akan timbul muatan

listrik pada kedua permukaannya.

2. Pelat juga merupakan kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu,

Sifat piezoelektrik balik:

1. Bila pelat piezoelektrik diberi tegangan listrik, maka kedua

permukaannya mendapat tekanan.

2. Pelat juga merupakan bahan elastik dengan konstanta elastik tertentu,

tebalnya akan berubah.

3. Jika diberi tegangan bolak-balik maka pelat bergetar.

Ketika suatu catu daya diberikan pada sensor, maka akan menghasilkan

keluaran tegangan yang bervariasi yang akan menyesuaikan variasi perubahan karena

tekanan.

Di dalam diferensial tekanan, sensor diaplikasikan pada kedua sisi sekat

rongga, lalu sesudah itu alat menyediakan suatu level tegangan yang berbanding lurus

dengan perbedaan tekanan di kedua sisinya.

Standar tekanan sensor yang dibangun sepanjang bentuk serupa dengan mode

diferensial. Jenis ini menggunakan tekanan yang berkenaan dengan lingkungan

sebagai acuannya, sehingga level tegangan keluaran sebanding dengan perubahan

tekanan relatif di lingkungan.

Gambar 2.6. Rongga terisolasikan dari lingkungan

Di dalam nilai absolut sensor, digunakan dalam desain saat ini, ruang

referensi tekanan seperti ditunjukan pada gambar 2.6. Tegangan keluaran sebanding

dengan nilai absolut tekanan udara, yang membuat sensor ini pantas digunakan dalam

altimeter dan barometer.

2.3 Sensor Kelembaban (Relative Humidity HS-15P)

Sensor Relative Humidity HS-15P adalah sensor kelembaban relatif.

Karakteristik dari sensor HS-15P adalah seperti pada Tabel 2.1. Pada dasarnya cara

kerja dari sensor ini adalah mendeteksi besarnya kelembaban relatif udara disekitar

sensor tersebut, yang menghasilkan perubahan nilai impedansi sensor. Semakin besar

tingkat kelembaban relatif maka semakin kecil pula nilai impedansi sensor. Kurva

perbandingan antara besarnya perubahan resitansi dan besarnya perubahan

kelembaban relatif untuk sensor HS-15P adalah seperti pada gambar 2.7.

Tabel 2.1. Karakteristik sensor HS-15P

Sesuai dengan tabel karakteristik, tegangan kerja sensor HS-15P adalah 1VAC

dengan frekuensi antara 50Hz sampai 1KHz, dengan jangkauan kepekaan antara 20%

sampai 100% RH (Relative Humidity).

Untuk mengetahui besarnya impedansi sensor sesuai dengan tingkat

tingk

gamb

pengu

kat kelembab

bar 2.7, impe

Karena k

ubahan menj

Grafik

ban 50%RH

edansi senso

keluaran se

jadi teganga

2.1. Grafik P

Gambar 2

dan suhu ru

r adalah sek

ensor berup

an DC.

Perbandinga

.7. Rangkaia

uangan adala

kitar 60KΩ.

pa tegangan

an Impedans

an Sederhana

ah 25°C, ma

n AC, ma

i Terhadap K

a sensor

HS-aka sesuai gr

aka perlu

Kelembaban

-15

rafik pada

dilakukan

2.4

Penguat Operasional

2.4.1

Penyangga

(Buffer)

Rangkaian pada gambar 2.8 adalah rangkaian penyangga yang berfungsi untuk

menghindari terjadinya penurunan tegangan karena penggunaan kabel yang

panjang dan untuk menghindari tejadinya pembebanan yang berlebihan pada saat

keluaran dari sensor menuju pengubah tegangan menjadi frekuensi.

Gambar 2.8. Penyangga

Beda potensial antara masukan membalik dan masukan tak membalik adalah 0

volt maka Vo = Ei.

Penguatan tegangan : = =1

i out v

E V A

...(2.2)

L o I I

I = + karena ≈ 0

L o I

I =

L i L out L

R E

R V

I = =

...(2.3)

Penyangga ini digunakan karena mempunyai impedansi masukan yang sangat

2.4.2

Penguat

Inverting

Inverting amplifier ini, input dengan outputnya berlawanan polaritas. Jadi

ada tanda minus pada rumus penguatannya. Penguatan inverting amplifier adalah

bisa lebih kecil nilai besaran dari satu dan selalu negatif rumusnya :

...(2.4)

Gambar 2.9. Rangkaian Panguat Inverting

2.4.3

Penguat

Non-Inverting

Rangkaian non inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting

hanya perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan

noninverting.

Rumusnya seperti berikut :

...(2.5)

Sehingga persamaan menjadi:

Hasil tegangan output noninverting ini akan lebih dari satu dan selalu positif.

Rangkaiannya adalah seperti pada gambar berikut ini :

Gambar 2.10. Rangkaian Penguat Non-Inverting

2.4.4

Penjumlah membalik N-masukan

Rangkaian penjumlah atau rangkaian adder adalah rangkaian penjumlah

yang dasar rangkaiannya adalah rangkaian inverting amplifier dan hasil outputnya

adalah dikalikan dengan penguatan seperti pada rangkaian inverting. Pada

dasarnya nilai outputnya adalah jumlah dari penguatan masing masing dari

inverting, seperti :

Va Ra Rf

Voa =− Vb

Rb Rf

Vob =− Vc

Rc Rf

Voc =−

⎟ ⎠ ⎞ ⎜

⎝

⎛ _{+ +}

−

= Vc

Rc Vb Rb Va Ra Rf

Vot 1 1 1 ...(2.7)

Untuk penguatan sama dengan satu, maka Rf =Ra =Rb =Rc, maka persamaan

menjadi:

) (Va Vb Vc

Vot =− + +

...(2.8)

Tahanan

Rom

gunanya adalah untuk meletak titik nol supaya tepat, terkadang

tanpa

Rom

sudah cukup stabil. Maka rangkaian ada yang tanpa

Rom

juga baik

dilakukan karena tegangan yang diparalel akan menjadi tegangan terkecil yang

ada., sehingga susah terjadi proses penjumlahan.

Gambar 2.11. Rangkaian Penjumlah Inverting

2.4.5

Subtractor/pengurang.

Rangkaian pengurang ini berasal dari rangkaian inverting dengan

memanfaatkan masukan non-inverting, sehingga persamaan menjadi sedikit ada

perubahan. Rangkaian pengurang dengan satu op-amp, memanfaatkan kaki

inverting dan kaki non-inverting. Supaya benar-benar terjadi pengurangan, maka

nilai dibuat seragam seperti gambar 2.12. dengan rumus:

Va R R Vb R R

R R

R

Vo ⎟ −

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛

+ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +

= 1

Sehingga:

)

(

Vb

Va

Gambar 2.12. Rangkaian Pengurang

2.5

Pengondisi Sinyal

Pengondisi sinyal ini berfungsi untuk menyesuaikan keluaran dari sensor

supaya dapat diterima dengan benar oleh pengubah tegangan ke frekuensi atau

VCO (Voltage Control Oscilator). Pengolah sinyal ini menggunakan penguat

operasional (op-amp). Penerapan op-amp ini mudah untuk digunakan pada

beberapa rangkaian pengolah sinyal, seperti penguat tegangan, penguat arus,

penjumlah dan pengurang sinyal, baik itu berupa sinyal DC atau sinyal AC.

Penggunaan op-amp diperlukan karena op-amp mempunyai sifat penting salah

satunya yaitu mempunyai impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran

rendah, sehingga tidak perlu arus yang besar untuk mengaktifkan op-amp dan

mempunyai nilai penguatan yang tinggi. Pengondisi sinyal ini terdiri dari dua

bagian, yaitu:

- Bagian penguat tegangan (pengali tegangan)

2.6

VCO (

Voltage Control Oscilator

)

Voltage Control Oscilator adalah sebuah rangkaian yang dapat menghasilkan

sinyal keluaran yang bervariasi (tipe gelombang kotak dan tipe gelombang gigi

gergaji) dengan daerah frekuensinya dikendalikan oleh tegangan DC.

VCO dalam sistem ini dirancang dengan menggunakan IC CD4046B, dimana

sinyal keluaran dari VCO dengan daerah frekuensinya ditentukan oleh tegangan input

VCOin, kapasitor yang terhubung dengan

Cin

1

ke

Cin

2

, serta resistor R1 ke

Vss

dan

2

R ke

Vss

.

Konfigurasi pin untuk VCO dalam IC CD4046 dapat dilihat dalam gambar

2.13.

2.7

Pengikut dan Penyimpan Puncak Positif

Rangkaian pengikut dan penyimpan puncak terlihat dalam gambar 2.114 dan

gambar 2.15. Rangkaian ini terdiri dari dua op-amp, dua diode, sebuah tahanan,

sebuah kapasitor penyimpan dan sebuah saklar reset. Op-amp A adalah penyearah

gelombang penuh presisi yang hanya akan mengisi C bila tegangan masukan E₁

melebihi tegangan kapasitor V_C. Op-amp B adalah pengikut tegangan pengikut

tegangan yang keluarannya sama dengan V_C. Impedansi masukan yang tinggi dari

pengikut ini tidak hanya memberi kemungkinan untuk mengosongkan kapasitornya.

Gambar 2.14. Bila E₁ melebihi V_C, C diisi menuju E₁ melalui D_P

Gambar 2.15. Bila E₁ lebih kecil dari V_C, C mempertahankan

Pada gambar 2.14, bila E1 melebihi VC, diode DP terbias maju mengisi

kapasitor penahan C. Bila E₁ turun dibawah V_C, diode D_M hidup seperti terlihat

dalam gambar 2.15. diode D_P mati dan melepaskan C dari keluaran op-amp A. diode

P

D harus merupakan jenis bocoran rendah, karena kalau tidak, tegangan kapsitornya

akan terkosongkan (layu). Untuk memperkecil kelayuan ini, op-amp B memerlukan

arus bias masukan yang kecil dank arena alasan ini harus merupakan op-amp

efek-medan-bipolar (BIFET), atau semi-konduktor-oksida-logam (MOS).

2.8

Multivibrator Astabil

Pada sebuah multivibrator astabil, dua keadaan rangkaian yang dapat dicapai

adalah bersifat stabil sementara. Rangkaian akan bekerja untuk secara bergantian

mencapai kedua keadaan ini (beralih dari keadaan satu ke keadaan lainnya) secara

berulang-ulang, yaitu pada kondisis saturasi positif dan saturasi negative keluaran

penguat. Jadi keluaran penguat akan berupa gelombnag persegi.

Rangkaian pada gambar 2.16 berikut ini memperlihatkan sebuah op-amp

dengan masukan diferensial yang bekerja sebagai sebuah multivibrator simetris bebas

(free running symmetrical multivibrator).

Periode dari gelombang persegi ini ditentukan oleh konstanta waktu CR dan

rasio umpan balik yang dibangun oleh pembagi tegangan resistif R1,R2.

Kerja rangkaian ini dapat dijelaskan dengan mengacu pada bentuk-bentuk

gelombang yang ditampilka pada gambar 2.17. dengan mulai dari titik

t

'

yaitu saat

penguat berada dalam kondisi saturasi negative, tegangan pada terminal A dapat

dirumuskan sebagai:

sat o

A

V

V

=

β

− ... ...(2.9) Dimana:

2 1

1 R R

R

+ =

β

Terminal B berada dalam potensial yang lebih positif relative terhadap

terminal A. Potensial terminal B ini akan berkurang seiring dengan terjadinya

pelepasan muatan kapasitor C yang terjadi melalui resistor R. pada saat perbedaan

potensial diantara kedua terminal ini (terminal B dan A) mendekati nol, penguat akan

keluar dari kondisi saturasinya. Umpan balik positif dari terminal keluaran op-amp ke

terminl A akan mengakibatkan kondisi peralihan regenerative yang menggerakkan

penguat menuju kondisi saturasi positif. Tegangan pada kapsitor yang terhubung seri

dengan resistor tidak dapat berubah seketika, dan oleh karenanya potensial pada

terminal B akan tetap konstan selama proses transisi yang terjadi secara cepat ini.

Pada kondisi ini kapasitor C akan mengalami proses pengisian muatan melalui

resistor R, sehingga potensial terminal B akan naik atau bertambah secara

eksponensial. Ketika potensial terminal B ini mencapai kondisi

V

B

V

o _sat

+

=

β

,

rangkaian akan beralih kembali ke keadaan dimana penguat berada dalam kondisi

Gambar 2.17. Bentuk-bentuk gelombang untuk multivibrator bebas

Periode osilasi dapat diperoleh berdasarkan persamaan umum untuk proses

pengisian muatan kapasitor. Kapasitor C dengan tegangan mula-mula sebesar V_i,

yang dimuati melalui resistor R oleh tegangan V_t akan mencapai tegangan V_b dalam

selang waktu yang dirumuskan oleh persamaan:

⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜

⎜ ⎝ ⎛

− − =

b f

i f

V V

V V CR

t ln ...(2.10)

Dengan mensubstitusikan nilai-nilai tegangan yang bersesuaian dari gambar

2.15 diatas maka persamaan periode waktu di atas dapat dinyatakan sebagai :

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

− −

= _{− +}

− +

sat o sat o

sat o sat o

V V

V V

CR t

β β

Atau _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = ₊ − + ) 1 ( ln 1 _β β sat o sat o sat o V V V CR t ...(2.11)

Dan _⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = _{− −} + − sat o sat o sat o sat o V V V V CR t β β ln 1

Atau _⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = ₋ + ) 1 ( ln _ 1 _β β sat o sat o sat o V V V CR t ...(2.12)

Jika nilai positif dan negative dari tegangan saturasi penguat memiliki

magnitude yang sama maka t₁ =t₂dan persamaan untuk periode osilasi rangkaian

akan menjadi: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = + =

β

β

1 1 ln 2 2

1 t CR

t

t ...(2.13)

Yang dapat disederhanakan lebih lanjut menjadi :

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = 2 1 2 1 ln 2 R R CR T ...(2.14)

2.9

Osilator Gelombang Sinus

Osilator gelombang sinus Wien Bridge merupakan osilator dengan kerja

osilasi yang disebabkan pengulangan osilasi dari output ke input. Kerena

menggunakan sedikit komponen, Wien Bridge Oscillator sering digunakan dalam

rangkaian. Inti dari rangkaian ini adalah rangkaian feedback negatif yang membuat

operasi osilasi menjadi lebih stabil.

Osilator gelombang sinus adalah sebuah osilator, dimana pembuatannya sulit,

karena distorsi dari sinyal osilasi, dibandingkan dengan osilator gelombang kotak dan

Dengan menggunakan C=C1 =C2, R=R1 =R2, frekuensi osilasi dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan 2.18.

CR f

π

2 1

= ...(2.15)

Gambar 2.18. Sine Wave Oscillator

2.10

Karakteristik Alat Ukur

Dalam pengukuran’ digunakan istilah-istilah yang menentukan karakteristik

suatu alat ukur sebagai berikut:

1. Presisi (ketelitian)

Presisi merupakan suatu ukuran kemampuan untuk mendapatkan hasil

pengukuran yang serupa. Dengan memberikan suatu harga tertentu bagi

suatu variable, ketelitian (presisi) merupakan suatu ukuran tingkatan yang

menunjukan perbedaan hsil pengukuran pada pengukuran-pengukuran

2. Akurasi (ketepatan)

Akurasi merupakan sifat kedekatan pembacaan alat ukur dengan nilai

sebenarnya dari variable yang diukur. Akurasi ditentukan dengan cara

mengkalibrasi dengan kondisi operasi tertentu.

3. Sensitivitas (kepekaan)

Sensitivitas merupakan perubahan terkecil dari masukan yang

mempengaruhi keluaran.

4. Resolusi (kemampuan pembacaan skala)

Resolusi diartikan sebagai satuan terkecil dari keluaran.

5. Repeatability (kemampuan mengulangi)

Repeatability adalah sebagai ukuran devisiasi dari hasil uji nilai rata-rata.

Hal ini mengindikasikan kedekatan diantara sejumlah pengukuran yang

dilakukan secara berulang dengan kondisi yang sama.

6. Threshold

Threshold merupakan nilia minimum perubahan masukan yang tidak dapat

diamati atau dideteksi, bila masukannya berangsur-angsur bertambah dari

nol.

7. linearitas

Linearitas merupakan kemampuan untuk menghasilkan ukuran alat ukur

yang menghasilkan keluaran yang secara linier. Dalam hal ini, dapat

didefinisikan dengan persamaan sebagai berikut:

c

mx

y

=

+

... (2.16)

Keterangan:

y = keluaran

x = masukan

m = kemiringan (slope)

2.11

Jenis-jenis Kesalahan

Kesalahan-kesalahan dapat terjadi karena berbagai sebab dan umumnya dibagi

dalam tiga jenis utama, yaitu:

1. Kesalahan-kesalahan umum (gross-errors)

Gross-errors ini kebanyakan disebabkan oleh kesalahan manusia,

diantaranya adalah kesalahan pembacaan alat ukur, penyetelan dan

pemakaian instrument yang tidak sesuai, dan kesalahan penaksiran.

2. Kesalahan-kesalahan sistematik (systematic errors)

Systematic errors ini disebabkan oleh kekurangan-kekurangan pada

instrument sendiri seperti kerusakan atau adanya bagian-bagian yang aus

dan pengaruh lingkungan terhadap peralatan atau pemakai.

3. Kesalahan-kesalahan yang tidak disengaja (random error)

Random error diakibatkan oleh penyebab-penyebab yang tidak dapat

langsung diketahui sebab perubahan-perubahan parameter atau sistem

pengukuran terjadi secara acak.

2.12

Analisis Statistik

Analisa statistic terhadap data pengukuran adalah pekerjaan yang

biasa, sebab menentukan penentuan ketidakpastian hasil pengujian akhir

secara analisis. Hasil dari pengukuran dengan metode tertentu dapat

diramalkan berdasarkan contoh (data sampel) tanpa memiliki informasi atau

keterangan yang lengkap mengenai semua faktor-faktor gangguan.

Agar cara-cara statistic dan keterangan yang diberikan bermanfaat,

2.12.1

Nilai Rata-rata

(Arithmetic Mean)

Nilai yang paling mungkin dari suatu variable yang diukur adalh nilai

rata-rata dari semua pembacaan yang dilakukan. Pendekatan yang paling baik

akan diperoleh bila semua pembacaan untuk suatu besaran sangat banyak.

Secara teoritis, pembacaan yang tak berhingga akan memberikan hasil paling

baik, walaupun dalam prakteknya hanya dapat dilakukan pengukuran yang

terbatas.

Nilai rata-rata akan diberikan oleh persamaan:

n x n

x x

x x

x= 1+ 2 + 3+...+ n = Σ ... (2.17) Dimana:

x= nilai rata-rata

=

n

x x x

x₁, ₂, ₃, data pembacaan yang dilakukan

n = jumlah data pembacaan

2.12.2

Penyimpangan Terhadap Nilai Rata-rata

Penyimpangan (deviasi) adalah selisih antara suatu pembacaan

terhadap nilai rata-rata dalam sekelompok pembacaan. Jika penyimpangan

pembacaan pertama x₁ adalah d₁, penyimpangan pembacaan kedua x₂

adalah d₂ dan seterusnya, maka penyimpangan-penyimpangan terhadap nilai

rata-rata adalah:

x x

d₁ = ₁− d₂ =x₂ −x dn = xn −x...(2.18)

Perlu dicatat bahwa penyimpangan terhadap nilai rata-rata boleh positif atau

2.12.3

Penyimpangan Rata-rata

(Average Deviation)

Devisiasi rata-rata adalah suatu indikasi ketepatan

instrument-instrumen yang digunakan untuk pengukuran. Menurut definisi, deviasi

rata-rata adalah penjumlahan nilai-nilai mutlak dari penyimpangan-penyimpangan

dibagi dengan jumlah pembacaan. Diviasi rata-rata dapat dinyatakan dengan:

n d

n

d d

d d

D= 1 + 2 + 3 +...+ n =

∑

...(2.19)

2.12.4

Deviasi Standar

Deviasi standar (root mean square) merupakan cara yang sangat

ampuh untuk menganalisis kesalahan-kesalahan acak secara stastitik. Deviasi

standar dari jumlah data terbatas didefinisikan sebagai akar dari penjumlahan

semua penyimpangan (deviasi) setelah kuadratkan dibagi dengan banyak

pembacaan. Tetapi dalam praktek, jumlah pengamatan yang mungkin adalah

terbatas. Deviasi standar untuk sejumlah data terbatas adalah:

1 1

... 2 2

2 3 2 2 2 1

− = −

+ + + + =

n d n

d d

d

d _{n t}

σ ...(2.20)

2.13

Regresi Linier

Regrasi linier mempunyai tujuan untuk melinierkan hasil pengukuran

yang tertampil dipenampil. Jadi diusahakan membuat garis lurus dari grafik

pengukuran dan tampilan seperti pada persamaan dibawah ini:

e x a a

y= ₀+ ₁ + ...(2.21)

Dengan a₀ dan a₁ adalah koefisien-koefisien yang masing-masing

model standard an pengamatan, maka galat dapat dinyatakan dengan

persamaan:

x a a y

e= − ₀− ₁ ...(2.22)

2.13.1

Kriteria Untuk Kecocokan Terbaik

Ada beberapa criteria untuk mencocokkan garis terbaik melalui data

yaitu:

b. Meminimumkan jumlah galat-galat sisa

c. Meminimumkan jumlah nilai-nilai mutlak ketidaksesuaian

d. Kriteria minimum maksimum (minmaks)

Dari ketiga criteria diatas, strategi kriteria minmaks yang paling baik untuk

mencocokkan garis. Dalam teknik ini, garis yang dipilih meminimumkan jarak

maksimum suatu titik dari garis tersebut. Untuk sebuah titik tunggal dengan

kesalahan yang besar, strategi ini kurang baik.

Untuk mengatasi kelemahan pendekatan tersebut dilakukan dengan

cara meminimumkan jumlah kuadrat sisa (kuadrat residu) S_r, sebagai

berikut:

(

)

2

1

1 0 1

2

∑

∑

= =

− − =

= n

i

i i

n

i i

r e y a ax

S ...(2.23)

Kriteria ini mempunyai sejumlah keuntungan, termasuk kenyataan bahwa

dapat menghasilkan garis yang unik untuk himpunan data yang diberikan.

2.13.2

Kecocokan Kuadrat Terkecil dar Garis Lurus

Untuk menentukan nilai-nilai a₀ dan a1, persamaan 2.23

∑

− − = ∂ ∂ ) (

2 0 1

0

i i

r _{y a ax}

a S ...(2.24)

[

]

∑

− − − = ∂ ∂ i i i

r _{y a ax x}

a S

) (

2 0 1

1

...(2.25)

Dengan membuat turunan-turunan ini sama dengan nol, akan menghasilkan

sebuah S_r yang minimum. Jika dilakukan, maka persamaan menjadi:

∑

−

∑

−

∑

= y_i a₀ a₁x_i

0 ...(2.26)

∑

−

∑

−

∑

= 2

1 0

0 y_ix_i a x_i ax_i ...(2.27)

Setelah melihat bahwa

∑

a₀ =na₀, persamaan-persamaannya dapat

diungkapkan sebagai himpunan dua persamaan linier dengan dua bilangan (a₀

dan a₀).

∑

=

∑

+a x_i y_i

na_{0 1} ...(2.28)

∑

xia +

∑

xia1 =

∑

xiyi

2

0 ...(2.29)

Dengan menyelesaikan persamaan tersebut diperoleh:

(

)

∑

∑

∑

∑ ∑

− − = ₂ 2 1 i i i i i i x x n y x y x n a ...(2.30)

Dengan persamaan (2.29) yang disubstitusikan ke persamaan (2.30)

dihasilkan:

x a y

a0 = − 1 ...(2.31)

Dimana y dan x masing-masing adalah rata-rata (mean) dari x dan y.

2.13.3

Pengukuran Galat Regresi Linier

Untuk kasus-kasus dimana sebaran titik di sekeliling garis mempunyai

di sekitar garis adalah normal, maka regresi kuadrat terkecil akan

menyediakan taksiran-taksiran a₀ dan a1 yang terbaik (yang paling mungkin).

Jika criteria ini terpenuhi, maka simpangan baku untuk garis regresi

adalah:

2 − =

n S

S r

x

y ...(2.32)

Dimana

x y

S dinamakan galat taksiran baku (standard error of the estimate).

Pembagi adalah n-2 karena dua taksiran yang diturunkan dari data a₀dan a1

dipakai untuk menghitung Sr.

Sama halny dengan simpangan baku, galat taksiran baku mengukur

sebaran data. Namun

x y

S mengukur sebaran di sekeliling garis regresi.

Besarnya seberan dalam peubah tidak bebas yang ada sebelum regresi

dinamakan jumlah total kuadrat S_t.

(

)

∑

−

= 2

Y Y

S_{t i} ...(2.33)

Setelah melaksanakan regresi linier, dapat dihitung S_r (jumlah kuadrat

sisa-sisa di sekeliling garis regresi).

Selisih antara S_t dan S_r mengukur perbaikan atau pengurangan galat

sehubungan dengan model garis lurus.

Selisih ini dapat dinormalkan terhadap galat total untuk memberikan:

t r t

S S S

r2 = − ...(2.34) Dimana

2

r = koefisien determinan (

( )

r2

Untuk kecocokan yang sempurna, Sr =0 dan 1

2 =

r , yang

menandakan bahwa garis tersebut menerangkan 100% dari ketidaktepatan

(kevariabilitasan). Untuk r =r2 =0, S_r =S_t kecocokan ini menyatakan tidak

ada perbaikan.

Kolerasi ( r ) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

(

)(

)

(

)

∑

(

∑

)

∑

∑

∑

∑

∑

− −

− =

2 2

2 2

i i

i i

i i i

i

y y

n y y

n

x x y

x n

r ...(2.35)

Dimana

r = korelasi

n = frekuensi pengukuran

i

x = data masukan

i

BAB III

PERANCANGAN

Mengacu pada gambar 2.1, bagian yang akan dibuat ditunjukkan pada gambar

3.1 yang berada dalam kotak garis putus-putus.

Pengukuran Suhu

Pengukuran Tekanan

Pengukuran Kelembaban

Gambar 3.1 Blok diagram perancangan

3.1.

Pengukuran Suhu

Pada bagian pengukuran suhu, terdiri dari sensor suhu LM335, pengondisi

sinyal I dan VCO I seperti pad gambar 3.1.

3.1.1.

Sensor Suhu (LM335)

Sensor suhu

Pengondisi sinyal

VCO

Sensor kelembaban

udara

Pengondisi sinyal III

VCO III

+

TX

Sensor tekanan

udara

Pengondisi sinyal II

VCO II Sensor

suhu

Pengondisi sinyal I

VCO I

Sesuai dengan dasar teori, penerapannya dalam untai elektronis sama

dengan dioda, secara sederhana untainya dapat digambarkan seperti gambar 3.2.

Gambar 3.2. Rangkaian Dasar Sensor Suhu Terkalibrasi

Rs pada rangkaian dasar dipakai untuk membatasi arus pada sensor.

Sesuai dengan data sheet, arus maju adalah 15mA, pada perancangan tegangan

umpan yang dipakai adalah 12 Volt DC, jadi :

Ω = × =

= ₋ 200

10 15

12

3

Is V

Rs CC

3.1.2.

Pengondisi Sinyal I

Dalam data sheet IC LM335, keluaran sensor suhu LM335 adalah sebesar

10mVolt/0K. Jika diketahui suhu terukur adalah 160C, maka dikonversi dalam

sekala Kelvin berarti 289,150K, sehingga keluaran sensor adalah:

Volt V

K mVolt K

V

LM LM

8915 , 2

/ 10 15

, 289

335

0 0

335

=

× =

Pengondisi sinyal pada sensor suhu dirancang dengan menggunakan data

Vin pada VCO, agar menghasilkan frekuensi keluaran sesuai dengan

perancangan, yaitu frekuensi minimum adalah 2kHz pada pengukuran 0C

16

yaitu tegangan masukannya adalah 1,06Volt dan frekuensi maksimum adalah

dari hasil pengukuran awal perancangan VCO dengan nilai

C

=

10

nF

,

Ω = k

R1 15 dan R2 =56kΩ seperti pada tabel 3.1 dengan menggunakan VDD= 5

Volt.

Tabel 3.1. Hasil Pengujian awal VCO I

IN

V

(Volt)

out

f

(kHz)

0 1,930

1,06 2,014

1,696 3,000 2,260 4,047 2,508 4,505 2,777 5,001 3,332 5,996

3,963 7,013

5,51 7,1

Dibawah ini adalah grafik perancangannya. Untuk tegangan input pada

pengondisi sinyal adalah tegangan keluaran sensor sebagai x, dan tegangan

keluaran pengondisi sinyal adalah tegangan kendali VCO sebagai y.

Grafik 3.1. Perancangan Pengondisi Sinyal Sensor Suhu

Persamaan y = 3,674x - 9,559 pada grafik 3.1 diperoleh dengan menggunakan

prinsip persamaan 2.16 dengan perhitungan sebagai berikut:

Untuk nilai kemiringan (m)dihitung sebagai berikut:

y = 3.674x ‐9.559

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

2.5 3 3.5 4

Tegangan

 

Kelu

aran

 

Peng

on

disi

 

Siny

al

 

(Volt

 

DC

)

Tegangan Keluaran Sensor Suhu (Volt DC)

SUHU

674 , 3 79 , 0 903 , 2 89 , 2 68 , 3 06 , 1 963 , 3 1 2 1

2 = =

− − = − − = x x y y m

Untuk nilai offset (c) dihitung sebagai berikut:

559 , 9 619 , 10 06 , 1 89 , 2 674 , 3 06 , 1 674 , 3 − = − = + × = + = c c c x y

Dari hasil di atas, dapat dirancang pengondisi sinyal sebagai berikut:

- Untuk penguatannya, digunakan penguat non-inverting,

Untuk penguatan non-inverting dengan R₁=10kΩ:

Ω = → + = → +

= 26.740

10000 1 674 , 3 1 1 f f f R R R R Av

- Untuk pengurangnya, digunakan rangkaian pengurang/subtractor dengan

nilai setiap R = 10kΩ

- Untuk pengurangan nilai tegangan sebesar 9,559Volt dengan menggunakan

pembagi tegangan, dengan tegangan masukan sebesar 12Volt dan R1 = 10kΩ

yaitu: Ω = = × + → = × + k R R R V V R R R OUT in 160 , 39 559 , 9 12 10000 2 2 2 2 1 2

Jadi rangkaian pengondisi sinyal pada sensor suhu seperti gambar 3.3,

dimana dengan nilai praktisnya adalah sebagai berikut:

Untuk R =26,74kΩ diganti dengan menghubungkan dua buah resistor

dengan nilai 22kΩ dan 4,7kΩ, dan untuk nilai R=39,160kΩ diganti dengan

Gambar 3.3. Pengondisi Sinyal Sensor Suhu

3.1.3 VCO I

Dalam perancangan ini, batasan frekuensi yang dirancang dari 2kHz

samapai 7kHz. Untuk merancang batasan frekuensi tersebut, ditentukan dengan

menentukan nilai R₁, R₂ dan C pada rangkaian external VCO dari IC CD4046B.

Nilai dari rangkaian tersebut, dapat ditentukan dengan melihat grafik pada

datasheet dari IC CD4046B. Nilai C dapat dilihat pada figure 4 dan nilai

perbandingan R1 dan R2 dapat dtentukan dari figure 8. Untuk menen tukan nilai

C, terlebih dahulu harus menentukan center frequency ( f )_o dan untuk

menentukan nilai R₁ dan R₂, terlebih dahulu harus menentukan batasan

maksimun dan minimum frekuensi.

Untuk VCO I, batas frekuensi yang dipakai adalah dari 2kHz sampai

7kHz dan nilai f _o adalah 4,5kHz, yang diperoleh dari rumus pada datasheet

L MIN o

MIN MAX L

f f f

f f f

+ =

− = 2

Jadi untuk menghasilkan batasan frekuensi tersebut, menggunakan C = 10nF, R₁=

15kΩ dan R₂= 56kΩ seperti gambar rangkaian VCO I pada gambar 3.4.

Gambar 3.4 VCO I

3.2.

Pengukuran Tekanan

Pada bagian pengukuran tekanan, terdiri dari sensor tekanan

MPX4100, pengondisi sinyal II dan VCO II seperti pada gambar 3.1.

3.2.1.Sensor Tekanan Udara

Untuk sensor tekanan udara menggunakan MPX4100 dan untuk

perancangan dibatasi pengukurannya pada 30 kPa sampai 90kPa. Untuk keluaran

tegangan pada Sensor dapat dilihat pada grafik 3.2, yaitu grafik tekanan udara

dalam kPa terhadap output tegangan dalam volt.

+5Volt C2

10n

R2 56k

Penjumlah U1

CD4046B

1 2 3

4 5

9

10 13 14

16 6 7 11 12 15

PHPULSE PHCOMP I OUT COMP IN

VCO OUT INH

VCO IN

DEMOD OUT PHCOMP II OUT SIG IN

Grafik 3.2. Perbandingan Vout dengan tekanan udara

Pada perancangan sensor, yang dipakai hanya kaki 1 yang merupakan

VOUT, kaki 2 yang dihubungkan dengan ground dan kaki 3 yang dihubungkan

dengan V sumber yaitu 5,1 volt DC.

3.2.2.

Pengondisi Sinyal II

Pengondisi sinyal pada sensor tekanan udara yang dirancang dengan

menggunakan data Vin pada VCO, agar menghasilakan frekuensi keluaran sesuai

dengan perancangan, yaitu frekuensi minimum adalah 8kHz yaitu tegangan

masukannya adalah 1,269Volt dan frekuensi maksimum adalah 13kHz yaitu pada

tegangan 3,992Volt. Nilai ini didapat dari hasil pengukuran perancangan VCO,

seperti pada tabel 3.2 dibawah ini dengan menggunakan nilai C = 1nF, R₁=

184kΩ, R₂= 200kΩ dan V_DD= 5 Volt.

Untuk tegangan input pada pengondisi sinyal adalah tegangan keluaran

sensor sebagai x, dan tegangan keluaran pengondisi sinyal adalah tegangan

Tabel 3.2. Hasil Pengujian awal VCO II IN V (Volt) out f (kHz) 0 7,410 1,269 8,002 1,816 9,010 2,356 10,055 2,580 10,492 2,843 11,007 3,349 11,991 3,92 13,062 5,06 13,837

Dibawah ini adalah grafik perancangannya. Untuk tegangan input pada

pengondisi sinyal adalah 0,8volt sampai 4,1volt:

Grafik 3.3. Perancangan Pengondisi Sinyal Sensor Tekanan Udara

Persamaan y = 0,803x +0,626 pada grafik 3.1 diperoleh dengan menggunakan

prinsip persamaan 2.16 dengan perhitungan sebagai berikut:

Untuk nilai kemiringan (m)dihitung sebagai berikut:

803 , 0 3 , 3 651 , 2 8 , 0 1 , 4 269 , 1 92 , 3 1 2 1

2 = =

− − = − − = x x y y m

Untuk nilai offset (c) dihitung sebagai berikut:

626 , 0 6424 , 0 269 , 1 8 , 0 803 , 0 269 , 1 803 , 0 = − = + × = + = c c c x y

y = 0.803x + 0.626

0 1 2 3 4 5

0.5 2.5 4.5

Tegangan   Keluar an   Pen g o n di si   Siny al   (Volt   DC )

Tegangan Keluaran Sensor Tekanan (Volt DC)

TEKANAN

Dari hasil di atas, dapat dirancang pengondisi sinyal sebagai berikut:

y = 0.803x + 0,626

- Untuk penguatannya, digunakan penguat inverting, Untuk penguatan

inverting 0,803 dengan R1=10kΩ:

Ω =

→ =

→

= 8030

10000 803

, 0

1

f f

f

R R

R R Av

- Untuk penjumlahnya, digunakan penjumlah non inverting dengan nilai setiap

R = 10kΩ

- Untuk penambahan nilai tegangan sebesar 0,626Volt dengan menggunakan

pembagi tegangan, dengan tegangan masukan sebesar 5Volt dan R₁ = 10kΩ

yaitu:

Ω =

= × + →

= × +

184 , 1431

626 , 0 5 10000

2

2 2

2 1

2

R

R R V

V R R

R

OUT in

Jadi rangkaian pengondisi sinyal pada sensor tekanan udara seperti gambar

3.5, yaitu dengan nilai praktisnya adalah sebagai berikut:

Untuk

R

=

8030

Ω

diganti dengan menghubungkan dua buah resistor dengan

nilai 6,8kΩ dan 1,2kΩ, dan untuk nilai R=1431,184Ω diganti dengan

menghubungkan dua buah resistor dengan nilai 1kΩ dan 470Ω

3.2.3.

VCO II

Dalam perancangan ini, batasan frekuensi yang dirancang dari 8kHz

samapai 13kHz. Untuk merancang batasan frekuensi te