Signal conditioning
5 likes6,167 views
Dokumen tersebut membahas tentang pengkondisian sinyal sensor. Secara umum, pengkondisian sinyal diperlukan untuk mengoreksi variasi pada karakteristik output sensor agar berhubungan linear dengan variabel yang diukur. Pengkondisian sinyal mencakup kompensasi suhu, linearisasi, penyesuaian nol dan rentang, serta konversi sinyal analog menjadi digital.
Signal conditioning
- 1. Disusun Oleh : Kelompok 7 • Achmad Zaelani •Fani Fadillah Hakim •Hanggoro Purbo Asmoro •Pipit Pitrianingsih II B D3 Teknik Refrigerasi dan Tata Udara POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
- 2. Pendahuluan Sensor digunakan untuk mengkonversi variabel fisik menjadi bentuk energi yang terukur. Bentuk energi ini digunakan secara langsung atau tidak langsung sebagai indikator visual, sinyal kontrol aktuator atau sinyal untuk controller. Signal Conditioning mengacu pada perubahan yang diperlukan untuk mengoreksi variasi dalam input sensor / karakteristik output sehingga output-nya berhubungan linear dengan variabel proses yang diukur. • Sensor adalah perangkat yang merasakan variabel dan memberikan output (mekanik, listrik, dan sebagainya), yang secara langsung berkaitan dengan amplitudo variabel. • Transduser adalah sistem yang digunakan untuk mengubah output dari sensor ke dalam beberapa bentuk energi lain sehingga bisa diperkuat dan dikirimkan dengan minimal hilangnya informasi. • Converter digunakan untuk mengkonversi format sinyal tanpa mengubah jenis energi, yaitu, sebuah op-amp yang mengubah sinyal tegangan menjadi sinyal arus.
- 3. Ketika memilih sebuah sensor untuk aplikasi, sering ada sedikit pilihan di karakteristik output sensor terhadap perubahan variabel proses. Dalam banyak kasus hubungan antara input dan output dari sensor adalah nonlinear suhu, sensitif, dan offset dari nol. Situasi ini diperburuk saat pengukuran yang tepat diperlukan dan hubungan linear adalah diperlukan antara variabel proses dan sinyal keluaran.
- 4. Gambar 12.1 (a) input dan output yang ideal dari sebuah rangkaian linierisasi ideal dan (b) instrumen sirkuit yang digunakan untuk nol dan span menyesuaikan. Contoh 12.1 Tegangan keluaran dari sensor bervariasi 0,35-0,7 V sebagai variabel proses bervariasi dari rendah ke tinggi selama rentang pengukurannya. Namun, output sensor pergi ke peralatan yang membutuhkan tegangan dari 0 sampai 10 V untuk rentang variabel tersebut. Sebuah rangkaian untuk mengubah tingkat output ditunjukkan pada Gambar. 12.1b. itu masukan negatif penguat ditetapkan pada 0,35 V untuk mengimbangi tingkat minimum sensor untuk memberikan nol keluar pada akhir rendah dari kisaran. Keuntungan dari amplifier diatur ke 28,6 memberikan 10 V output dengan 0,75 masukan V, yaitu, 10 / (0,7-0,35) = 28,6.
- 5. Gambar 12.2 Instrumen rangkaian sensor kompensasi. Dapat digunakan untuk membalikkan sinyal. 10 k resistorΩ dalam jaringan biasing dapat pada suhu yang sama sebagai sensor dan memiliki koefisien temperatur yang sama sebagai nol offset dari sensor untuk mengimbangi nol drift. Span melayang atau keuntungan dapat dikompensasi oleh resistor sensitif temperatur di amplifier umpan balik. Ini resistor umpan balik juga akan berada di suhu yang sama seperti sensor.
- 6. Linearitas di sirkuit digital dapat dilakukan untuk perangkat nonlinier dengan menggunakan persamaan atau memori tabel look- up. Jika hubungan antara nilai-nilai variabel yang diukur dan output dari sensor yang dapat dinyatakan dengan persamaan, prosesor dapat diprogram atas dasar persamaan untuk linearize data yang diterima dari sensor. Gambar 12.3 amplifier Nonlinear (a) sirkuit dan (b) karakteristik sirkuit nonlinier dengan berbagai umpan balik nilai-nilai.
- 7. Sensor terkenal memiliki suhu sensitif, yaitu, nol output serta rentang akan berubah dengan suhu, dan dalam beberapa kasus perubahan itu nonlinier. Koreksi suhu membutuhkan elemen suhu sensitif untuk memantau suhu variabel dan sensor. Kompensasi suhu di sirkuit analog akan tergantung pada karakteristik dari sensor yang digunakan. Karena karakteristik sensor berubah dari tipe, koreksi untuk setiap jenis sensor akan berbeda. Dalam rangkaian digital, komputer dapat membuat koreksi dari sensor dan karakteristik variabel menggunakan suhu compensationlook-up tabel. Kompensasi lainnya yang dibutuhkan dapat berupa penyaringan untuk menghilangkan frekuensi yang tidak diinginkan seperti mengambil dari jalur frekuensi 60 Hz-, kebisingan atau frekuensi radio (RF) pickup, mengurangi turbulensi untuk memberikan kesetabilan membaca, koreksi untuk konstanta waktu, dan untuk pencocokan impedansi jaringan.
- 8. Sinyal pneumatic serta sinyal listrik dapat digunakan untuk mengontrol aktuator. Tabung Bourdon, kapsul, atau bellow mengubah tekanan menjadi gerak mekanikal yang dapat digunakan untuk kontrol pneumatik. Gambar 12.4 Mengilustrasikan (a) mekanik untuk transduser pneumatik sinyal dan (b) tekanan output dibandingkan jarak gap.
- 9. Visual Display Conditioning Metode pengkondisian sinyal dapat bervariasi, tergantung pada tujuan dari sinyal. Misalnya, sinyal lokal untuk tampilan visual tidak akan memerlukan akurasi dari sinyal yang digunakan untuk pengendalian proses. Tampilan visual tidak normal suhu kompensasi atau linearitas. Mereka sering menggunakan hubungan mekanis yang tergantung pada pemakaian dari waktu ke waktu memberikan akurasi final antara 5 dan 10 persen dari membaca, yaitu, ada pengkondisian sedikit atau tidak ada. Namun, dengan sebagian besar sensor nonlinier, skala indikator akan nonlinier untuk memberikan indikasi yang lebih akurat. Pajangan ini terutama digunakan untuk memberikan indikasi bahwa sistem ini bekerja dalam batas wajar atau dalam batas-batas yang ditetapkan secara luas, yaitu, tekanan ban, sistem pendingin udara, dan sejenisnya.
- 10. Beberapa sensor memiliki output yang cocok untuk pembacaan langsung pada titik pengukuran, tetapi output tidak dapat digunakan untuk kontrol atau transmisi. Contohnya sight glass untuk indikasi level cairan, cairan dalam kaca untuk suhu,rotameter untuk aliran, hidrometer untuk kerapatan atau berat jenis, dan mungkin diisi cairan pada U-tube manometer untuk pengukuran diferensial atau pengukur tekanan.
- 11. Electrical signal conditioning Keakuratan sinyal sensor tidak hanya tergantung pada karakteristik sensor tetapi pada pengkondisian diterapkan. Banyak proses memerlukan variabel yang akan diukur dengan akurasi lebih dari 1 persen, yang berarti tidak hanya penginderaan yang sangat akurat, tetapi juga kompensasi suhu, Linearisasi, set nol, dan penyesuaian rentang. Kompensasi suhu dapat dicapai dalam banyak sensor dengan menggunakan sirkuit jembatan tapi kompensasi lebih lanjut mungkin diperlukan untuk mengoreksi perubahan variabel karena suhu.
- 12. Gambar dibawah menunjukkan hubungan mekanis sensor ke wiper dari sebuah potensiometer. Dalam hal ini variabel diubah menjadi tegangan listrik output dari 0 sampai 10 V. Tegangan keluaran dapat diukur dengan voltmeter dan dapat dikonversi ke arus dengan amplifier, aktuator, atau sinyal ke kontroler.
- 13. Sebuah float sering digunakan untuk pengukuran level cairan. Pengukuran level dapat dirubah menjadi gerakan angular atau gerakan linier. Gambar diatas adalah diferensial bellow tekanan yang mengubah tekanan menjadi sinyal listrik menggunakan LVDT dan suatu pengkondisian rangkaian sinyal untuk LVDTs.
- 14. Gambar (a) menunjukkan hubungan antara tingkat cairan dan skala rotasi. Output dari potensiometer jenis rotasi akan memberikan perubahan tegangan kecil ketika kontainer penuh dan tegangan akan besar ketika wadah mendekati kosong. Gambar (b) menunjukkan hubungan antara tingkat cairan dan skala linier, sehingga dalam kedua kasus skala tersebut sama.
- 15. Diafragma menggunakan strain gauge atau sensor kapasitif, gerakannya terlalu kecil untuk mengontrol flapper pneumatik, slider, atau potensiometer. Gambar. 12.11a. Gauge dipasang pada diafragma dengan satu mengukur sejalan dengan arah regangan maksimum untuk pengukuran strain dantegak lurus dengan garis lain dari ketegangan, sehingga tidak akan merasakan ketegangan, dan digunakan untuk memberikan kompensasi suhu dan pengkondisian sinyal untuk elemen strain gauge bila digunakan dalam rangkaian jembatan.
- 16. Gambar 12.11 (a) Konfigurasi untuk elemen strain gauge dan (b) jembatan resistif untuk pengkondisian sinyal dari strain gauge. Gambar 12.11b menunjukkan sirkuit dengan menggunakan strain gauge. Elemen strain gauge yang dipasang di dua lengan jembatan dan dua resistor, R1 dan R2, membentuk dua lengan lainnya, R3 dan R5 adalah pengkondisian untuk offset nol dan span, masing- masing.
- 17. Gambar 12.12 Mengilustrasikan (a) diafragma sensor tekanan kapasitif dan (b) sebuah jembatan ac untuk digunakan dengan sensor kapasitif. Gambar. 12.12a Dalam diferensial penginderaan dua kapasitor dapat digunakan untuk membentuk dua lengan dari sebuah jembatan ac atau beralih teknik kapasitor dapat digunakan. Untuk satu berakhir penginderaan kapasitor referensi tetap dapat digunakan. Capacitive penginderaan dapat menggunakan ac analog atau teknik digital. Gambar 12.12b menunjukkan sebuah jembatan ac dengan pendingin offset dan rentang yang dapat digunakan dengan penginderaan kapasitif. Awalnya, jembatan yang seimbang untuk offset nol R3 dengan potensiometer, output dari jembatan diperkuat dan buffer.
- 18. Detektor suhu resistif (RTD) mengukur perubahan dalam listrik resistansi resistor kawat-luka dengan temperatur, biasanya, platinum elemen resistensi digunakan dengan resistansi sekitar 100 . Resistensi Perubahan dapatΩ diukur dalam rangkaian jembatan, tetapi biasanya resistor didorong dari sumber arus konstan dan tegangan dikembangkan di resistor diukur. Gambar 12.13 koneksi RTD (a) pasokan umum dan lead meter dan (b) langsung terhubung meter. Gambar 12.13a menunjukkan koneksi sederhana ke RTD dengan hanya dua lead, meteran yang terhubung ke lead pasokan saat ini. Gambar 12.13b menunjukkan sambungan 4-kawat ke RTD. Meter menghubungkan langsung ke RTD sehingga hanya drop tegangan pada RTD yang diukur.
- 19. Banyak pengukuran aliran dirasakan sebagai tekanan diferensial dengan indikator skala feet per menit, galon per menit, liter per detik, dan sebagainya. Perangkat berputar, seperti turbin, digunakan untuk pengukuran aliran yang akurat. Perangkat sederhana, tidak memerlukan konversi ke tekanan atau media lainnya, memiliki hambatan yang rendah, dapat dibangun dari bahan lembam yang tahan terhadap korosi, tidak memerlukan kalibrasi ulang reguler, dan pemeliharaan rendah.
- 20. Gambar 12.14 (a) MRE medan magnet sirkuit sensing dan (b) memperkuat sinyal termokopel sirkuit. Gambar 12.14a menunjukkan sirkuit yang digunakan untuk membentuk sinyal dari suatu MRE menjadi sinyal digital. Sensor MRE berisi empat elemen untuk membentuk sebuah jembatan sirkuit seperti yang ditunjukkan. Perangkat Hall atau MRE biasanya tidak memerlukan suhu kompensasi karena mereka sedang digunakan sebagai saklar dalam konfigurasi digital. Untuk mengukur laju aliran jendela dibuka untuk jangka waktu yang diketahui. angka tersebut impuls dari perangkat ini dihitung dari mana laju aliran dapat dihitung.
- 21. Termokopel terhubung seperti ditunjukkan pada Gambar. 12.14b. Persimpangan penginderaan dan sambungan referensi yang dihubungkan secara seri. Ketika berada di persimpangan suhu yang sama dengan tegangan output dari persimpangan adalah nol, dan output dari penguat adalah nol. Ketika persimpangan berada pada temperatur yang berbeda, ada tegangan diferensial di masukan ke amplifier yang diperkuat dan dikonversi ke pembacaan suhu. Untuk membuat ini mutlak pembacaan suhu dari sambungan referensi diperlukan. Hal ini dapat dicapai dengan menempatkan persimpangan di kandang suhu konstan, atau suhu referensi persimpangan dapat diukur dan koreksi diterapkan pada pembacaan keluaran penguat termokopel penginderaan.
- 22. Sensor piezoelektrik digunakan untuk kekuatan penginderaan yang dapat dihasilkan oleh tekanan, berat badan, atau percepatan. Perangkat ini memiliki sensitivitas yang tinggi tetapi miskin di penginderaan tingkat rendah kekuatan karena offset dan hanyut disebabkan oleh variasi temperatur. Sensor bimetal adalah suhu-sensing perangkat yang dapat digunakan dengan hubungan mekanis untuk mengoperasikan layar langsung seperti di termometer oven tetapi tidak cukup akurat untuk aplikasi kontrol linier. Lainnya bimetal perangkat mengoperasikan switch (merkuri dalam gelas atau kontak mekanik) yang sederhana / ON / OFF perangkat, seperti yang digunakan dalam aplikasi thermostat normal tanpa pendingin. Taguchi, kimia, detektor asap, dan sejenisnya dari sensor semua memerlukan pengkondisian, jenis dan tingkat pengkondisian yang dibutuhkan tergantung pada aplikasi dan 'produsen spesifikasi dan tidak akan dibahas di sini.
- 23. A-D Conversion Banyak sinyal analog dikonversi ke sinyal digital untuk transmisi. Di banyak kasus output dari sensor dapat dikonversi langsung ke sinyal digital, seperti dengan sensor kapasitif. Nilai kapasitor dapat merasakan akurat menggunakan teknik digital, menghilangkan kebutuhan untuk amplifikasi analog, namun pendingin dari sensor tersebut masih diperlukan. Resistif-jenis perangkat juga dapat dirasakan langsung menggunakan teknik digital, tapi sekali lagi kompensasi suhu sensor diperlukan. Namun, dalam domain digital, semua pengkondisian dapat dilakukan oleh prosesor di controller, dengan menggunakan perangkat lunak atau tabel look-up.