EFEK PEMBEBANAN&PEMBUATAN ALAT UKUR AMPEREMETER/VOLTMETER ANALOG MULTI RANGE

Efek pembebanan itu adalah akibat dari proses pengukuran oleh alat ukur Ammeter dan voltmeter yang menyebabkan berkurangnya nilai arus yag mengalir pada sebuah rangkaian tersebut. Karena arus yang mengalir pada rangkaian terbagi oleh nilai tahanan pada alat ukur tersebut sehingga energi atau arus pada tahanan digunakan untuk mengoperasikan alat ukur tersebut.

Sehingga hasil pengukuran yang dilakukan berbeda dengan cara hasil perhitungan teoritisnya. Jika mengukur sebuah tegangan semakin besar nilai tahanan yang dimiliki alat ukur tesebut, semakin kecil energi yang diambil oleh alat ukur sehingga hasil pengukuran mendekati realnya. Jika terjadi kesalahan maka dapat melakukan kompensasi terhadap kesalahan itu, maka tingkat errornya semakin kecil.

Jika mengukur arus yang mengalir , alat ukur yang digunakan adalah ampermeter. Pada pengukurannya ampermeter dipasang secara seri pada rangkaian sehingga bertambahnya nilai tahanan seri pada rangkaian tersebut. Untuk mendapatkan hasil pengukuran ampermeter yang baik yaitu ampermeter yang memiliki nilai tahanan yang kecil atau maksimal 0. karna arus yang mengalir pada rangkaian resistancenya kecil atau nilai tahanannya kecil, maka pembacaaan pada ampermeter dapat mendekati realnya

Dalam hasil pengukuran kita perlu mengetahui berapa nilai arus, nilai tegangan dan berapa nilai tahanannya dari suatu rangkaian tersebut. Oleh karena itu ketika dalam pengukuran seharusnya dapat kita ketahui berapa nilai hambatan yang ada pada alat ukur tersebut. Jadi ketika energi yang digunakan pada alat ukur tersebut dapat diketahui dengan mengetahui besar efek pembebanan tersebut. Hasil pengukuran mendekati realnya dan dapat melakukan kompensasi terhadap kesalahan itu , maka error kesalahan yang dihasilkan semakin kecil. Sehingga dapat diketahui jenis multimeter yang baik untuk digunakan.

Efek dari nilai resistansi dalam, untuk hasil pengukuran voltmeter adalah jika nilai resistansinya besar terhadap range yang digunakan maka persentase kesalahan yang dihasilkan akan kecil dan semakin besar tahanan dalam voltmeter arus yang masuk ke alat ukur semakin kecil. Sehingga efek pembebanan yang dihasilkan semakin kecil. Efek pembebanan pada ammeter semakin kecil nilai tahanan dalam ammeter atau maksimal nol pada suatu rangakaian yang terpasang seri . Maka persen kesalahan yang dihasilkan akan kecil karena nilai arus yang mengalir pada nilai tahanan kecil, maka pembacaan pada alat ukur ammeter dapat mendekati realnya.

PEMBUATAN ALAT UKUR ARUS SEARAH

A.    Galvanometer

Istilah galvanometer diambil dari seorang yang bernama Luivi Galvani. Penggunaan galvanometer yang pertama kali dilaporkan oleh Johann Schweigger dari Universitas Halle di Nurremberg pada 18 september 1820. Andre-Marie Ampere adalah seorang yang memberi kontribusi dalam mengembangkan galvanometer. Galvanometer pada umumnya dipakai untuk penunjuk analog arus searah, dimana arus yang diukur merupakan arus-arus kecil misalnya yang diperoleh pada pengukuran fluks magnet.

Galvanometer suspensi adalah jenis alat ukur yang merupakan cikal bakal atau dasar dari alat-alat ukur arus searah yang menggunakan kumparan gerak (moving coil) bagi sebagian besar alat-alat ukur arus searah yang digunakan hingga saat ini. Konstruksi dan prinsip kerjanya adalah sebagai berikut sebuah kumparan dari kawat halus digantungkan di dalam sebuah medan magnet permanen. Bila kumparan dialiri arus listrik maka kumparan putar akan berputar di dalam medan magnet.

Kawat gantungan tempat kumparan tersebut menggantung terbuat dari serabut halus yang berfungsi sebagai pembawa arus listrik dari terminal ke kumparan gerak.

Keelastikannya dapat membangkitkan suatu torsi yang arahnya berlawanan dengan arah putaran kumparan hingga suatu saat gaya elektromagnetiknya terimbangi oleh torsi mekanis dari kawat gantungan. Sebuah galvanometer suspensi, meskipun tidak termasuk alat ukur yang dapat digunakan secara praktis dan portabel, namun prinsip kerja dan konstruksinya sama dengan prinsip kerja dan konstruksi yang digunakan pada alat ukur modern, yaitu berdasarkan prinsip kerja PMMC (Permanent Magnet Moving Coil). Konstruksi utamanya terdiri atas kumparan yang digantungkan pada daerah medan magnet dari sebuah magnet permanen yang berbentuk ladam (tapal kuda). Kumparan gantung digantung sedemikian rupa sehingga dapat berputar bebas di dalam.

Kedinamisan dari suatu alat ukur adalah suatu karakteristik yang merujuk pada faktorfaktor berikut :

a. Respon atau tanggapannya. Faktor ini berbicara tentang cepat atau lambatnya reaksi simpangan jarum terhadap perubahan besaran parameter yang sedang diukurnya. Idealnya suatu alat ukur memiliki kecepatan respon yang tinggi.

b. Overshoot. Faktor ini berbicara tentang besar kecilnya simpangan jarum dari kedudukan yang seharusnya ditunjukkan pada saat digunakan mengukur suatu parameter ukur. Overshoot dari sebuah alat ukur idealnya tidak terlalu besar.

c. Redaman. Faktor ini menunjuk pada besar kecilnya redaman yaitu terjadi pada alat ukur sebagai akibat adanya freksi yang terjadi pada komponen yang berputar terhadap sumbunya. Sebuah alat ukur idealnya memiliki redaman yang rendah.

Sensitivitas Galvanometer

Ada empat konsep yang dapat digunakan untuk menyatakan sensitivitas galvanometer (Galvanometer Sensitivity), yaitu :

1.      Sensitivitas Arus

Sensitivitas arus (Current Sensitivity) ialah perbandingan diantara simpangan jarum penunjuk galvanometer terhadap arus listrik yang menghasilkan simpangan tersebut. Besarnya arus listrik biasanya dalam orde mikroampere (µA). Sedangkan besarnya simpangan dalam orde milimeter (mm). Jadi untuk galvanometer yang tidak memiliki skala yang dikalibrasi dalam orde milimeter, harus dikonfersi dulu ke dalam skala mili meter. Secara matematis, sensitivitas arus dinyatakan dengan :

S1 = Sensitivitas arus dalam mm/µA

d = Simpangan Galvanometer dalam mm

I = Arus pada Galvanometer dalam µA

2.      Sensitivitas Tegangan

Sensitivitas tegangan (Voltage Sensitivity), ialah perbandingan antara simpangan jarum penunjuk galvanometer terhadap tegangan yang menghasilkan simpangan tersebut. Sensitivitas tegangan dinyatakan dengan notasi matematis sebagai berikut :

 SV = Sensitivitas tegangan dalam mm/ mV

 d = Simpangan Galvanometer dalam mm

  V = Arus pada Galvanometer dalam mV

3.      Sensitivitas Mega ohm

Sensitivitas mega ohm (Megaohm Sensitivity), ialah besarnya resistansi mega ohm yang terhubung seri dengan galvanometer (termasuk CDRX – Shunt-nya) untuk menghasilkan simpangan jarum menunjuk galvanometer sebesar 1 bagian skala jika tegangannya yang disatukan sebesar 1 Volt. Karena besarnya hambatan ekivalen dari galvanome ter yang terhubung paralel dapat diabaikan bila dibandingkan dengan besarnya tahanan mega ohm yang terhubung seri dengannya, maka arus yang masuk praktis sama dengan 1/R µA dan menghasilkan simpangan satu bagian skala. Secara numeric sensitivitas mega ohm sama dengan sensitivitas arus dan

dinyatakan sebagai berikut :

SR = Sensitivitas mega ohm dalam mm/ µA

D = Simpangan Galvanometer dalam m

I = Arus pada Galvanometer dalam µA

4.      Sensitivitas Balistik

Konsep lain sebagai tambahan adalah konsep Sensitivitas Balistik (Ballistic Sensitivity) yang biasa digunakan pada Galvanometer Balistirk. Sensitivitas Balistik adalah perbandingan antara simpangan maksimum dari jarum penunjuk Galvanometer terhadap jumlah muatan listrik Q dari sebuah pulsa tunggal yang menghasilkan simpangan tersebut. Sensitivitas Balistik dinyatakan dengan formula berikut :

 SQ = Sensitivitas Balistik dalam mm/µC

     d = Simpangan Galvanometer dalam mm

     Q = Besarnya muatan Listrik dalam µC

B    Amperemeter

Kontruksi sederhana dari amperemeter DC adalah jenis PMMC. Karena kumparan PMMC kecil dan kemampuan hantar arusnya tebatas, maka hanya dapat dilalui oleh arus kecil saja. Jika I yang besar akan diukur, maka sebagian arus dilewatkan pada tahanan yang di pasang parallel dengan kumparan PMMC seperti pada gambar:

Rm = tahanan kumparan

Rs = tahanan yang dipasang parallel dengan kumparan

Im = arus maksimum yang boleh lewat kumparan

I = arus total yang diukur atau arus skala penuh

Vshunt = Vkumparan

Is Rs = Im Rm

Karena I = Is + Im

Maka : Rs =Im.Rm/I-IM

Sebuah amperemeter yang mempunyai beberapa range pengukuran, maka beberapa tahanan shunt dapat dipasang dengan konfigurasi berikut:

1.      Amperemeter rangkuman ganda (Multirange Ammeter )

Rangkaian ini memiliki empat shunt yang dihubungkan parallel terhadap alat ukur agar menghasilkan empat batas ukur yang berbeda.

2. Shunt Ayrton ( shunt Universal )

Rangkaian ini dapat mencegah kemungkinan penggunaan alat ukur tanpa tahanan shunt sehingga memiliki keuntungan yaitu nilai tahanan total yang lebih besar.

.                                   D.. Voltmeter

Kontruksi voltmeter dasar atau sederhana dari voltmeter DC adalah jenis PMMC. Voltmeter digunakan untuk mengukur beda potensial antara 2 titik pada rangkaian. Untuk membatasi arus yang melalui kumparan PMMC agar tidak melampaui harga I maksimumnya, maka dipasang tahanan yang seri dengan kumparan dan disebut tahanan multiplier seperti pada gambar:

Im = arus maksimum yang boleh melewati kumparan

Rm = tahanan kumparan

Rs = tahanan seri / multiplier

V = tegangan total yang diukur atau tegangan skala penuh sesuai dengan range voltmeter.

V= Im (Rs + Rm )

RS=V/Im-Rm

SEBAGAI CONTOHNYA:

Sakelar lima posisi hanya membuat sambungan dengan sebuah resistor pada setiap saat . Pada posisi bawah (penuh kekanan) , ini membuat sambungan tanpa resistor seluruhnya, memenuhi sebuah keadaan mati "off" . setiap ukuran resistornya merupakan jangkah ukur penuh mandiri untuk sebuah voltmeter, semua berdasar pergerakan meter mandiri (1 mA, 500 Ω). Sebuah hasil akhir adalah volt meter dengan empat jangkah skala penuh pengukuran yang berbeda . tentu, untuk pantasnya, skala meter pergerakan harus dilengkapi penandaan untuk setiap jangkah ukurnya yang bersambungan.

Perancangan secara pasti meter, setiap nilai resistor ditentukan dengan cara yang sama, dengan diketahuinya tegangan keseluruhannya, kemampuan pergerakan skala penuh, dan resistansi pergerakan. Untuk sebuah volt meter dengan jangkah ukur 1 volt, 10 volt, 100 volt, dan 1000 volt, resistor pengali mengikutinya: 

catatan resistor pengali yang digunakan pada jangkah ini, dan seberapa ganjilnya ini. sangat tinggi seperti sebuah 999.5 kΩ resistor presisi tidak didapat untuk komponen ini, perancangan dibawah akan banyak mengunakan nilai resistor yang lebih umum.

Dengan beberapa pendekatan berturut jangkah tegangan lebih tinggi, banyak resistor pengali ditekankan oleh sakelar pemilih, untuk keperluan keseluruhan nilainya. sebagai contoh, saat jangkah ukur sakelar pada posisi 1000 volt, kita menginginkan nilai keseluruhan resistor pengali adalah 999.5 kΩ. dengan rancangan meter ini, secara pasti dapat kita dapatkan:

R_Total = R₄ + R₃ + R₂ + R₁

R_Total = 900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω

R_Total = 999.5 kΩ 

.                              D.Efek Pembebanan

1.      Voltmeter

Perhatikan rangkaian berikut:

mengukur ujung –ujung tahanan  50 kOhm untuk pengukuran ini tersedia dua voltmeter

 V1 mempunyai S = 1000 Ohm/V

V2 mempunyai S = 20000 Ohm/V

a.       Pembacaan voltmeter

b.      Kesalahan tiap pembacaan

Voltmeter 1 memiliki tahanan 50 V x 1000 Ohm/V = 50 KOhm, pada rangkuman 50 V

V1 = 25 Kohm/125 Kohm x 150 V = 30 V

Voltmeter 2 meliki tahanan 50 V x 20 Kohm/V =  1 Mohm, pada rangkuman 50 V

V2 = 47,6 KOhm/147,6 Kohm x 150 V = 48,36 V

Kesalahan pembacaan

V1 = (50 V – 30 V)/50 V  x 100 % = 40 %

V2 = ( 50 V – 48,36 V)/50 V x 100 % = 3,28 % 

Dari contoh dapat dilihat bahwa voltmeter yang dipasang memberikan penunjukan harga tegangan yang lebih rendah dari harga tegangan yang sebenarnya karena dengan adanya voltmeter ini dihasilkan tahanan ekivalen yang lebih kecil dari pada tahanan rangkaian sesungguhnya, efek ini disebut efek pembebanan.

1.      Amperemeter

Efek pembebanan terjadi juga jika kita mengunakan amperemeter.

Dari persamaan ini amperemeter yang dipasang memberikan penunjukan harga arus yang lebih kecil dari harga arus yang sesungguhnya. Efek pembebanan ini dapat diperkecil bila Rm <<Ro artinya tahanan amperemeter harus sekecil mungkin.

 E.TINDAKAN YANG DILAKUKAN SAAT MENGGUNAKAN AMMETER DC&VOLTMETER DC

—  Tindakan pencegahan yang harus DIPERHATIKAN dalam menggunakan ammeter DC adalah:

1.      Karena tahanan dalam (Rm) ammeter yang kecil, JANGAN sekali-kali memasang ammeter paralel ke sumber tegangan, hal ini karena seolah-olah menghubung singkatkan sumber tegangan, arus yang mengalir cukup besar dan akan merusakkan kumparan alat ukur (bisa terbakar).

2.      Perhatikan POLARITAS alat ukur!. Polaritas yang terbalik akan menyebabkan defleksi yang berlawanan dengan arah yang seharusnya, sehingga dapat merusakkan jarum penunjuk alat ukur.

3.      Apabila menggunakan alat ukur RANGKUMAN ganda, mula-mula gunakan rangkuman yang paling tinggi, kemudian diturunkan sampai memperoleh defleksi yang sesungguhnya. Untuk memperoleh ketelitian pengukuran yang tinggi, gunakan rangkuman yang akan menghasilkan pembacaan mendekati skala penuh!.

—   Tindakan pencegahan yang umum bila menggunakan sebuah voltmeter adalah:

1. Periksa polaritas yang benar. Polaritas yang salah (terbalik) menyebabkan voltmeter menyimpang kesumbat mekanis dan ini dapat merusak jarum.

2. Hubungkan voltmeter paralel terhadap rangkaian atau komponen yang akan diukur tegangannya.

3. Bila menggunakan rangkuman ganda, gunakan selalu rangkuman tertinggi dan kemudian turunkan sampai diperoleh pembacaan naik yang baik.

4. Selalu hati-hati terhadap efek pembebanan. Efek ini dapat diperkecil dengan menggunakan rangkuman setinggi mungkin (dan sensitivitas paling tinggi). Ketepatan pengukuran berkurang bila penunjukan berada pada skala yang lebih rendah.