Transduser Pengukuran Berat Berbasis Strain Gauge

Instrumentasi Elektronika

Pengukuran Berat EruP©03-2014

PENS

Transducer Pengukuran Berat

• Transducer yang banyak digunakan untuk pengukuran berat adalah

strain gauge (pengukur ketegangan, stress)

• Strain gauge menggunakan prinsip dasar perubahan nilai resistansi dari suatu bahan penghantar akibat

penarikan bahan (peregangan, pemanjangan) atau pemampatan bahan (penekanan, pemendekan)

http://203.21.74.24/pdimage/50/2785250_cyt-12.jpg http://fatariq.files.wordpress.com/2011/

01/timbangan-camry2.jpg

Strain Gauge

• Ditemukan oleh Edward E. Simmons dan Arthur C. Ruge pada tahun 1938

• Umumnya dibuat dari bahan penghantar dengan resistansi tertentu (misalkan 150, 300, atau lainnya) yang panjang beralur dan ditempelkan pada media plastik tertentu yang kuat dan lentur

http://www.jcs-tech.co.uk/Data/Sites/1/Testing/StrainGauge%5B1%5D.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:Strain_gauge.svg

Cara Kerja Strain Gauge

• Dalam keadaan normal, resistansi dari strain gauge

memiliki nilai tertentu, misalkan 300

• Jika plastik dari strain gauge dibengkokkan ke atas atau ke bawah, maka penghantar dari strain gauge akan tertarik

(memanjang) atau tertekan (memendek)

• Dapat juga dilakukan

penarikan atau penekanan

http://1.bp.blogspot.com/-

r5Q98zXuwO8/Twh7Eu75TvI/AAAAAAAAAfY/fjADpRx6yTk/s1600/st rain+gauge.jpg

http://ind-

techno.com.ua/images/item/

big/14/14581.jpg?5.069934 862851579

Area Pembengkokan

http://www.learningelectronics.net/images/00204.png

Arah Pembengkokan

• Dengan asumsi, penghantar strain gauge ditempelkan pada bagian atas plastik,

maka

– Jika plastik dibengkokkan ke bawah,

penghantar akan memanjang (ditarik) dan menyebabkan resistansi membesar

– Jika plastik dibengkokkan ke atas, maka penghantar akan memendek (ditekan) dan menyebabkan resistansi mengecil

Plastik

Penghantar

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c3/StrainGaugeVisualization.svg/400px-StrainGaugeVisualization.svg.png\

Load Cell

• Adalah suatu transducer yang digunakan untuk mengubah dari gaya tekan (umumnya berat) menjadi sinyal listrik

• Prinsip dasarnya berdasarkan konversi tak- langsung, yaitu menggunakan dua tahap konversi

– Aspek mekanis

• Misalkan, mengubah dari gaya menjadi bengkokan

– Aspek kelistrikan

• Misalkan, mengubah bengkokan menjadi listrik

Bahan Penyusun Load Cell

• Load Cell dapat dibuat dari berbagai cara, yang paling umum digunakan

– Aspek mekanis

• Menggunakan bahan tertentu yang kuat (tidak mudah berubah), elastis (selalu kembali ke bentuk semula) dan mudah untuk dipengaruhi struktur mekanisnya (misalkan mudah dibengkokkan oleh gaya)

• Umumnya menggunakan bahan aluminium yang kuat

– Aspek kelistrikan

• Mengubah bengkokan emnjadi listrik, misalkan menggunakan strain gauge

Konfigurasi Load Cell

• Ada tiga jenis konfigurasi load cell dilihat dari jumlah strain gauge yang digunakan

– Strain gauge tunggal – Strain gauge ganda

– Strain gauge jembatan (lengkap)

Load Cell

Strain Gauge Tunggal



 





− +

= +

3 1

3

2 R R

R SG

R E SG V



 





− +

= +

3 1

3

2 R R

R aW

R E aW V

Jika hubungan berat W

dengan RSG adalah RSG = aW, dimana a adalah

koefisien tertentu, maka

http://sub.allaboutcircuits.com/images/00205.png

Load Cell

Strain Gauge Ganda

http://www.learningelectronics.net/images/00428.png

Load Cell

Strain Gauge Lengkap

http://www.learningelectronics.net/images/00431.png

Sumber Tegangan Load Cell

• Mengingat tegangan keluaran masih

menggandung besaran tegangan sumber, maka tegangan sumber load cell harus stabil

• Pada penggunaan load cell bersama-sama

dengan ADC, maka jika sumber tegangan load cell dibuat sama persis dengan tegangan

referensi ADC, maka besarnya tegangan sumber menjadi tidak berpengaruh lagi

– Tidak perlu sumber tegangan stabil

Cara Kerja Load Cell

• Strain gauge dipasang dengan kuat pada bahan logam kuat (aluminium) pada

bagian yang mudah dibengkokkan oleh

gaya dari luar

Gaya Pada Load Cell

http://www.learningelectronics.net/images/00429.png http://www.learningelectronics.net/images/00430.png

Pemasangan Strain Gauge pada Load Cell

http://2.bp.blogspot.com/_RYTgr0EJQKs/TIY4oLJxp-

I/AAAAAAAAAG0/rrugAbqWnPE/s1600/Load+Cell+Cantilever.jpg

Ilustrasi Kerja Load Cell

http://www.ishida.com/technologies/loadcell/html.html

Mekanisme Roberval dan Hukum Hooke

http://www.ishida.com/technologies/loadcell/html.html

Hukum Hooke

→ Benda elastis akan tertarik sejauh sebanding dengan gaya (berat) beban

Mekanisme Roberval

→ Menjaga agar posisi selalu sejajar

Contoh Load Cell

://img.directindustry.com/images_di/photo-g/tension-compression-load-cell-39615-2763641.jpg

Contoh Konstruksi Untuk Timbangan

• Semua bahan harus dari jenis yang kokoh, tidak elastis/lentur (misalkan dari plastik/akrilik yang keras)

– Tidak boleh menggunakan besi, karena cenderung berat. Dan kalau dibuat ringan, maka harus tipis, sehingga bentuknya menjadi mudah lentur (bengkok)

Benda yang ditimbang

Nampan/tatakan Mur-baut

Alas timbangan Load cell

Pengganjal

Penguat Load Cell

• Tegangan keluaran dari load cell

umumnya kecil sekali, sekitar 5mV sampai dengan beberapa belas mV

• Keluaran load cell umumnya ada dua polaritas (differensial), sehingga

diperlukan penguat differensial

– Penguat differensial adalah penguat dengan dua input polaritas tanpa menggunakan

ground

Penguat Differensial Penguat Instrumentasi

• Penguat differensial yang sering digunakan adalah penguat yang disebut dengan penguat instrumentasi

• Disebut penguat instrumentasi karena banyak digunakan pada sistem instrumentasi

• Memiliki sifat

– Dua input tanpa ground

– Impedansi input hampir tak hingga (besar)

– Penguatan tinggi (mencapai 1000x s/d 10000x atau lebih)

Penguat Instrumentasi

• Bisa dibangun dari dua sampai tiga penguat operasional (Op-amp)

• Harus menggunakan op-amp dengan spesifikasi yang baik untuk mencegah kondisi kerja yang buruk

– Misalkan offset input

• Untuk mudahnya, sekarang banyak

penguat instrumentasi yang sudah jadi,

siap digunakan

Contoh Rangkaian

Penguat Instrumentasi #1

Contoh Rangkaian

Penguat Instrumentasi #2

Contoh Rangkaian

Penguat Instrumentasi #3

EruP©2013

V_OUTPUT

220V

24V

24V CT R₁

R₂ V_IN

VR

C1 C2 C3

10A Q₁

Q₂ Q₃

PT100

V

+12V

4V7 1k

10k

2k

330

+12V

100

33k

+12V

10mA 100

470

GAIN

ZERO

ARUS +9V

R₁

GAIN

R2

R₃

R3

R₄

R₄

V_R2 V₂ V_OUT

ZERO

VREF

LOAD CELL

Merah

Hitam

Hijau Putih

2 2 2

1 V

xV V xGAIN V V GAIN

GAIN V ^OUT

IN IN

OUT

TOTAL = = =

2 1

2 1 2

1= = +

R R V

GAIN V

IN

3 4 2

2 R

R V GAIN =V^OUT =

3 4 2

1 1

2

R R R

GAIN_TOTAL R 



 



 +

=

( )

_{TOTAL REF}

O V V GAIN V

V = ₊ − ₋ . +

Penjelasan V

_REF

EruP©2014

R3

R3

R4

R4

V1

VOUT

ZERO

VREF

V2

V+

V-

R1 R2

VA VB

VX



 



 + +



 





= +

2 1

1 2

1 2

R R

V R R

R V R

V _{X A B}

− + =V V

Ideal Opamp

REF O

O REF

O REF

R V V R

V V

R V R

V R

V R

V

R R

V R R

R V R

R V R

V R R

R V R

V

+

−

=

+

= +



 



 + +



 





= +

 =



 



 + +



 





= + ₋

+

3 4 2

1

3 4

2 3

4 1

4 3

3 4

3 4 2

4 3

3 4

3 4 1

) (

Contoh Rangkaian

Penguat Instrumentasi #4

Datasheet INA121

Contoh Soal #1

• Suatu load cell 6kg akan digunakan untuk mengukur beban maksimal 5kg

• Tampilan menggunakan voltmeter 5 volt (bisa juga ADC)

• Saat pengujian awal dengan beban 1kg, keluaran dari load cell sebesar 1,9mV

• Rancang penguat instrumentasi yang sesuai

• Catatan: Pada contoh ini, tidak dihiraukan adanya offset, dan seluruh prosedur kalibrasi akan dilakukan setelah alat ukur selesai dibuat

Ilustrasi

6kg INA

1.23

V_L(1kg) = 9mV V_L(5kg) = …mV 1kg

V_A(1kg) = …V V_A(5kg) = 5V

Jawab

• Masalah tegangan offset diabaikan

• Menggunakan rangkaian contoh #3

• Saat beban 5kg, tegangan yang keluar 5 volt

– Maka, saat beban 1kg, tegangan yang seharusnya keluar adalah 1 volt

• Saat diberikan beban 1kg, load cell mengeluarkan tegangan 1,9mV

– Maka, diperlukan penguatan 1V/1,9mV=526x

Jawab (Lanjutan)

• Penguatan total yang diperlukan menggunakan penguat instrumentasi sebesar 526x

– Catatan: Karena aspek tegangan offset diabaikan, maka penguatan real yang seharusnya besar kemungkinan tidak 526x, sehingga hasil akhir perlu dilakukan kalibrasi

• Pada penguat instrumentasi terdapat dua tahap

penguatan, sehingga nilai 526x dipecah dalam dua tahap penguatan

– Misalkan, penguat pertama 20x, dan penguatan kedua 27,3x

– Pada IC penguat instrumentasi yang sudah jadi,

biasanya penguatan dibebankan pada penguat pertama, dengan penguat kedua bernilai 1

• Ini disebabkan penguat kedua dianggap sebagai penguat penjumlah pengurang (differensial) yang biasanya bernilai 1

Jawab (Lanjutan)

• Menggunakan persamaan penguatan untuk tahap pertama dan kedua, maka akan didapatkan nilai resistor

– Penguatan pertama 20x

• Misalkan R₁ = 9,5k dan R₂ = 1k

– Penguatan kedua 27,3x

• Misalkan R₄ = 27,3k dan R₃ = 1k

– Catatan, nilai-nilai tersebut tentu saja sulit

didapatkan di pasaran, sehingga pendekatan yang sering dilakukan dengan memasang

“trimmer potentiometer” pada R₂ (karena R₂ jumlahnya hanya satu)

Jawab (Pilihan Lain)

• Menggunakan penguat instrumentasi yang sudah jadi, misalkan INA121

• Menggunakan perhitungan yang sama dengan sebelumnya

• Gain total = 526x

• Gain = 1 + 50k /R

_G

• R

_G

= 50k / (Gain – 1) = 50k/525 = 95,2

Contoh Soal #2

• Suatu load cell 6kg akan digunakan untuk mengukur beban maksimal 5kg

• Tampilan menggunakan voltmeter 5 volt (bisa juga ADC)

• Saat pengujian awal tanpa beban, keluaran load cel 5 mv, dan saat dengan beban 1kg, keluaran dari load cell sebesar 9mV

• Rancang penguat instrumentasi yang sesuai

• Catatan: Pada contoh ini, akan dirancang penguat instrumentasi yang sudah terbebas dari kesalahan offset dan gain, sehingga diharapkan hasil akhirnya sudah mendekali yang sesungguhkan (akurat).

Sebenarnya hasil akhirnya masih memerlukan kalibrasi akhir.

Jawab Soal #2

• Persamaan garis dari penguat

– Saat beban 0kg,

• Keluaran load cell, V_L=5mV

• Keluaran penguat seharusnya, V_A=0V

– Saat beban 1kg,

• Keluaran load cell, V_L=9mV

• Keluaran penguat seharusnya, V_A=1V (5V untuk 5kg)

– m = V_A / V_L = 1V/4mV = 250 – Persamaan garis, V_A = m x V_L + C

• Dan saat beban 0kg, V_L=5mV dan V_A=0V

– Maka 0V = 250 x 5mV + C → C = -1,25V

• Persamaan garis lengkap, V_A = 250 x V_L – 1,25V

• Jadi, perlu penguat dengan gain 250x dan offset -1,25V

Rangkaian Penguat Soal #2



− =

= 

−

=  + 

=

8 , 1 200 250

50 1

50 1 50

k G

R k

R G k

G

G

Pada Ref diberikan tegangan -1,25V

Kalibrasi Offset dan Gain

• Contoh hasil pengujian

• Analisa

– Didapatkan persamaan garis R = 0,833 x U + 0,4177kg

– Artinya, terjadi kesalahan offset sebesar 0,4177kg dan kesalahan gain sebesar 0,833

– Maka, hasil setiap pengukuran harus dikalikan dengan 0,833 dan ditambah 0,4177kg

Titik Uji Ref Uji

#1 3kg 3,1kg

#2 4kg 4,3kg

Ref = 4kg – 3kg = 1kg

Uji = 4,3kg – 3,1kg = 1,2kg m = Ref / Uji = 0,833

Persamaan garis koreksi:

R = m.U + C

Saat Ref = 3kg, Uji = 3,1kg, sehingga C = R – m.U = 3kg – 0,833 x 3,1kg C = 0,4177kg

Persamaan garis koreksi lengkap:

R = 0,833 x U + 0,4177kg

Cara Kalibrasi Rangkaian

• Misalkan didapatkan persamaan koreksi

– R = 0,833 x U + 0,4177kg

• Maka, prosedur kalibrasi rangkaian

– Baca nilai Ref dan Uji saat ini, misalkan Ref=3kg dan Uji=3,1kg

– Turunkan gain (karena nilainya 0,833), sampai nilai keluaran menunjukkan 3,1kg x 0,833 = 2,5823kg

– Naikkan offset (karena nilainya +0,4177kg), sampai nilai keluaran tepat menunjukkan 3kg (=Ref)

Cara Kalibrasi Lain

• Pada alat ukur berat, prosedur kalibrasi lebih mudah karena memungkinkan mendapatkan satu nilai kalibrasi saat beban = 0 kg

• Prosedur

– Pasang semua perangkat timbangan, namun tidak diberi beban yang akan ditimbang (benda ukur), anggap berat = 0kg

– Atur offset, sampai tampilan menunjukkan 0kg (prosedur ini sering disebut tera atau tare)

– Letakkan beban yang diketahui, misalkan 1kg

– Atur gain, sampai tampilan menunjukkan nilai 1kg – Ulangi prosedur di atas sampai kalibrasi tidak

berubah

Contoh Soal #3

• Suatu load cell dilengkapi dengan penguat instrumentasi dan ADC serta

mikroprosesor untuk menampilkan berat

• Saat dilakukan kalibrasi 2 titik

menggunakan beban 1kg dan 2kg, didapatkan hasil 1,3kg dan 2,8kg

• Hitung nilai koreksi untuk offset dan gainnya, sehingga dapat dimasukkan dalam program

berat = read_adc(0)*5/1023*1;

berat = berat * gain + offset;

tampilkan_lcd(berat);

V_REFADC = 5V ADC 10 bit (2¹⁰-1)

1kg/1V

Contoh Soal #4

• Suatu load cell dilengkapi dengan penguat instrumentasi dan ADC serta mikroprosesor untuk menampilkan berat

• Saat dilakukan kalibrasi 2 titik menggunakan tanpa beban (0kg) dan beban 1kg,

didapatkan hasil 1,5kg dan 2,9kg

• Hitung nilai koreksi untuk offset dan

gainnya, sehingga dapat dimasukkan dalam program

berat = read_adc(0)*5/1023*1;

berat = berat * gain + offset;

tampilkan_lcd(berat);