Sistem Kumparan Putar
(Makalah Instrumentasi Fisika)
Oleh
Gregorius Verli Giga Winarno
1413022028
PENDIDIKAN
FISIKA
FAKULTAS
KEGURUAN DAN ILMU PENGETAHUAN
UNIVERSITAS
LAMPUNG
2015
KATA
PENGANTAR
Dengan mengucapkan syukur alhamdulillah penulis dapat
menyelesaikan makalah yang berjudul “Sistem Kumparan Putar”.Adapun maksud dari penyusunan makalah ini adalah untuk
memenuhi salah satu tugas mata kuliah di Universitas Lampung yaitu
Instrumentasi Fisika.Dalam menyusun makalah ini, penulis mendapat bantuan
dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, melalui pengantar ini
penulis ucapkan banyak terima kasih atas segala bantuan yang telah diberikan.
Semoga semua kebaikan dibalas oleh Allah SWT dengan balasan yang berlipat
ganda.Karena terbatasnya pengetahuan serta kemampuan yang
dimiliki, penulis menyadari bahwa dalam penyusunan makalah ini masih jauh dari
sempurna dan masih terdapat kekurangan dan kesalahan baik dalam penyusunan
penulisan, maupun isi serta pembahasannya. Untuk itu saran dan kritik yang
bersifat membangun sangat penulis harapkan demi perbaikan penyusunan makalah
lain di masa yang akan datang.Dengan ini, penulis berharap semoga makalah ini
bermanfaat bagi penulis khususnya, dan umumnya bagi para pembaca.
Bandar
Lampung, 10Mei 2015
Penulis
DAFTAR
ISI
KATA PENGANTAR
DAFTAR ISIBAB I PENDAHULUAN
A.
Latar Belakang
B.
Perumusan masalah
C.
Tujuan
BAB II PEMBAHASANI.I
Konsep Dasar Kumparan Putar1.2 Bagian – bagian alat ukur
kumparan putar1.3 Prinsip kerja alat kumparan putar1.4 Cara menentukan skala1.5Pergerakan Dan Redaman
1.6 Peredaman alat ukur kumparan putar1.7
Sebab-Sebab Kesalahan Dari Alat Ukur BAB III KESIMPULANDAFTAR PUSTAKA
BAB
I
PENDAHULUAN
A. Latar
Belakang
Besaran
listrik seperti arus, tegangan, daya dan lain sebagainya tidak dapat secara
langsung kita tanggapi dengan panca indera kita. Untuk memungkinkan pengukuran
maka kebesaran listrik ditransformasikan melalui suatu fenomena fisis yang akan
memungkinkan pengamatan melalui panca indera kita; misalnya kebesaran listrik
seperti arus ditransformasikan melalui suatu fenomena fisis ke dalam kebesaran
mekanis. Perubahan tersebut bisa merupakan suatu rotasi melalui suatu sumbu
tertentu. Besar sudut rotasi tersebut berhubungan langsung dengan besar arus
listrik yang akan kita amati, sehingga pengukuran dikembalikan menjadi
pengukuran terhadap suatu perputaran dan besar sudut adalah menjadi ukuran
besar listrik yang akan diukur.
Alat-alat ukur yang langsung memberikan nilai
pengukuran kebesaran listrik pada skala yang dapat dibaca secara jelas; yaitu
alat-alat ukur yang secara jelasnya mentransformasikan kebesaran listrik pada
skala yang tertentu. Alat-alat ukur dalam golongan ini akan disebut sebagai
alat penunjuk. Alat penunjuk, bekerja atas prinsip perubahan kebesaran listrik
langsung melalui suatu fenomena fisis tertentu, ke dalam suatu perputaran, dan
perputaran tersebut dihubungkan dengan jarum yang berputar pada skala tertentu.
Dengan kata lain, alat tersebut bekerja
menggunakan sistem kumparan putar. Mengingat pentingnya materi ini, maka
makalah “Alat Ukut Sistem Kumparan Putar” ini dibuat.
B. Rumusan Masalah
1. Apa
yang dimaksud alat ukur sistem kumparan putar ?
2. Apa
kegunaan alat ukur sistem kumparan putar ?
3. Bagaimana
konsep dasar alat ukur sistem kumparan putar ?
4. Bagaimana
cara kerja alat ukur sistem kumparan putar ?
5. Bagaimana
cara menentukan besar skala ?
6. Bagaimana
cara peredaman alat ukur sistem kumparan putar ?
C. Tujuan
1. Mengetahui
alat ukur kumparan putar
2. Mengetahui
kegunaan alat ukur sistem kumparan putar
3. Mengetahui
konsep dasar alat ukur sistem kumparan putar
4. Mengetahui
cara kerja alat ukur sistem kumparan putar
5. Mengetahui
menentukan skala
6. Mengetahui
cara peredaman alat ukur sistem kumparan putar.
BAB
II
PEMBAHASAN
Alat ukur kumparan putar adalah alat ukur penting yang dipakai untuk
bermacam arus, tidak hanya untuk arus searah, akan tetapi dengan alat-alat
pertolongan lainnya, dapat pula dipakai untuk arus AC.1.1Konsep Dasar Kumparan PutarSebuah kumparan (coil) kawat halus digantung dalam medan magnet yang
dihasilkan oleh sebuah magnit permanen. Menurut hukum dasar gaya
elektromagnetik; kumparan tersebut akan berputar di dalam medan magnit bila
dialiri arus listrik. Fungsi kawat halus (serabut) sebagai pembawa arus dari
dan ke kumparan, keelastisan serabut halus tersebut membangkitkan suatu torsi
(gaya rotasional) yang melawan perputaran kumparan. Kumparan akan terus
berdefleksi (penyimpangan) sampai gaya elektromagnetiknya menyeimbangi torsi
mekanis lawan gantungan. Dengan demikian penyimpangan kumparan merupakan ukuran
bagi arus yang dibawa oleh kumparan tersebut. 1.2 Bagian – bagian alat ukur kumparan
putarAlat ukur kumparan putar terdiri dari
bagian-bagian seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini :
Gambar 1 -
Bagian-Bagian Alat Tampak Dari Dalam 
Gambar 2 - Skema
Bagian-Bagian Alat Tampak Dari Luar
Keterangan skema :
1.
Magnit
tetap
2.
Kutub
sepatu
3.
Inti
besi lunak
4.
Kumparan
putar
5.
Pegas
spiral
6.
Jarum
penunjuk
7.
Rangka
kumparan putar
8.
Tiang
poros
1.3 Prinsip kerja alat kumparan putar
Alat ukur kumparan putar adalah alat
pengukur, yang bekerja atas dasar prinsip dari adanya suatu kumparan listrik,
yang ditempatkan pada medan magnet, yang berasal dari suatu magnet pemanen.
Arus yang dialirkan melalui kumparan akan menyebabakan kumparan tersebut
berputar. Pada saat arus
melalui kumparan putar maka timbul magnet, kutub utara / selatan yang
berdekatan dengan utara dan selatan magnit permanen terjadi saling tarik-menarik atau tolak-menolak sehingga menyebabkan jarum pada poros kumparan
bergerak,
seperti diperlihatkan pada gambar di bawah.
Gambar
3
Perhatikan gambar di bawah ini :
Gambar di atas menunjukkan adanya magnet yang permanen
(1), yang mempunyai kutub-kutub (2), dan diantara kutub-kutub tersebut
ditempatkan suatu silinder inti besi (3).
Penempatan silinder inti besi (3), di antara
kedua kutub
magnet, utara dan selatan,
akan menyebabkan di celah udara antara kutub-kutub magnet dan silinder inti
besi akan berbentuk medan magnet yang rata, yang masuk melalui kutub-kutub
tersebut. Ke dalam
silinder, secara radial
sesuai dengan arah-arah panah. Dalam selah udara ini ditempatkan kumparan putar
(4), yang dapat berputar melalui sumbu (8).
Bila arus searah yang tidak diketahui
besarnya mengalir melalui kumparan tersebut, suatu gaya elektromagnetis f yang mempunyai arah tertentu akan dikenakan
pada kumparan putar sebagai hasil interaksi antar arus dan medan magnit. Arah
dari gaya f dapat ditentukan menurut ketentuan tangan dari Fleming (lihat gambar).
Gambar 4
Prinsip kerja alat ukur
kumparan putar menggunakan dasar percobaan Lorentz, “jika sebatang penghantar
dialiri arus listrik berada dalam medan magnet, maka pada kawat penghantar
tersebut akan timbul gaya”. Gaya yang timbul disebut dengan gaya Lorentz.
Arahnya ditentukan dengan kaidah tangan kiri Fleming.
Gambar
5 - Gerakan Jarum Penunjuk
Bila pemutus arus K ditutup yang
memungkinkan arus searah yang konstan melalui alat ukur ampermeter maka jarum
penunjuk akan bergerak melalui posisi 1, 2, 3, dan berhenti pada 4.persamaan
untuk :
Tp = Bnab I
Dengan,
B = Medan magnet
a = Panjang kumparan
n = Banyak lilitan
I = arus yang mengalir
(A)
b = Lebar kumparan
Tp = Momen putar (N-m)
Karena
B, A dan N adalah tetap maka torsi yang dibangkitkan adalah
merupakan indikasi langsung
(linier/proporsional) dari arus ( I ) yang mengaliri
kumparan. Torsi ini yang menyebabkan
defleksi (penyimpangan) jarum ke
keadaan mantap ( steady state ) pada
arus besar tertentu yang diimbangi oleh
torsi pegas pengontrol.
Bila
n di nyatakan banyaknya lilitan dari kumparan putar. Pada setiap ujung dari
pada sumbu, di tempatkan pegas yang salah satu ujungnya melekat padanya,
sedangkan ujung yang lain pada dasar yang tetap. Setiap pegas akan memberikan
gaya reaksinya yang berbanding lurus dengan besar sudut rotasi dari sumbu, dan
berusaha untuk menahan perputaran. Jadi dengan kata lain pegas memberikan pada
sumbu moment Tc yang berlawanan arahnya dengan arah Tp.
Bila konstanta pegas dinyatakan sebagai τ, maka besar Tc dapat
dinyataka sebagai :
Tc = τ θ
Bila sumbu dan kumparan
kumpar, berputar melalui sudut akhir sebesar 
, maka dalam
keadaan seimbang ini Tp = Tc, sehingga terdapat
persamaan sebagai berikut:
τ
= Bnab I
dan dari sini
= 
I
Dengan demikian sudut
akhir dari putaran sumbu yang menjadi tempat melekat
penunjuk, di tentukan oleh persamaan di atas. Kebesaran-kebesaran (Bnab/ τ)
disebut sebagai konstanta alat ukur.
Pada umumnya, momen
seperti Tp, disebut momen penggerak, dan alat yang menyebabkan
dikenal sebagai alat penggerak. Sedangkan momen Tc disebut momen
pengontrol.
Dengan berpegang kepada
pengertian-pengertian ini, maka harga sudut rotasi akhir dari penunjuk, pada
alat pengukur kumparan putar, di tentukan oleh hubungan antara momen penggerak
dan momen pengontrol, dan dinyatakan dalam persamaan di atas.
1.4
Cara Menentukan Skala
Cara penentuan skala
dari alat ukur kumparan putar akan dijelaskan melalui grafik yang menghubungkan
persamaan antara sudut putar θ dan momen penggerak T. Sumbu horizontal
menyatakan sudut putar θ, dan sumbu vertikal momen.
Gambar
8 - Penentuan Dari Penunjukkan Alat Ukur Jenis Kumparan Putar
Gambar
9 - Skala Dari Alat Ukur Jenis Kumparan Putar
Misalkan suatu alat
pengukur kumparan putar berputar melalui sudut sebesar 1,2 radial bila arus
searah yang melaluinya adalah sebesar 1, 2, 3, 4 dan 5 mA dinyatakan sebagai Tp1,
Tp2, Tp3, Tp4 dan Tp5, maka
momen-momen tersebut dapat digambarkan sebagai garis-garis dan berjarak sama
satu dan lainnya. Ingat bahwa momen penggerak tersebut hanya ditentukan oleh
besarnya arus, dan tidak tergantung dari sudut putar θ dari penunjuk. Momen
pengontrol berbanding lurus dengan besar sudut putar, dan digambarkan dalam
grafik sebagai garis lurus yang menghubungkan titik mula dengan A. Bila sudut
perputaran dari penunjuk dalam keadaan keseimbangan antara momen penggerak dan
momen pengontrol, pada masing-masing momen penggerak dinyatakan sebagai θ1,
θ2, θ3, θ 4, θ5, maka di dapat θ2
= 2θ1, θ3 = 3θ1, θ4 = 4θ1
dan θ5 = 5θ1. Dengan demikian jika skala dibentuk dengan
membagi busur lingkaran sebesar 1,2 rad ke dalam lima bagian-bagian yang sama,
dan memberikan angka-angka pada lima bagian dari skala tersebut 0, 1, 2, 3, 4
dan 5, maka arus yang melalui alat ukur ini dapat segera dinyatakan pada harga
skala dimana penunjuk berhenti.
1.5Pergerakan
Dan Redaman
Pada Gambar 6 -
memperlihatkan suatu pegas dimana salah satu ujungnya mati, sedangkan ujung
yang lain bebas. Pada ujung yang bebas ini ditempatkan suatu pemberat, dan dalam
keadaan seimbang dimana gaya gravitas dilawan oleh gaya pegas, terdapat keadaan
stasioner (a). Bila pemberat ditarik ke bawah, dan dari posisi ini dilepaskan
(b), maka pemberat akan berosilasi antara (b) dan (c), di sekitar titik
stasionernya (a). Bila tidak ada gaya yang meredamnya, maka pemberat akan
berosilasi selamanya.
Gambar
6 - Osilasi Dari Suatu Massa Yang Digantungkan Pada Suatu Pegas Cylindrical
Helical
Gambar
7 - Peredaman Dalam Alat Ukur Jenis Kumparan Putar
Momen penggerak dan
momen pengontrol pada alat ukur kumparan putar mempunyai kesamaannya dengan
gravitas yang bekerja pada pada pemberat dan gaya tarik dari pegas. Jadi bagian
yang berputar yaitu kumparan, sumbu dan alat penunjuk, akan berisolasi pada 
, bila tidak ada
momen lain yang meredamnya, yang menyebabkan penunjuk berhenti pada. Dalam keadaan
tidak diberikannya peredam khusus, maka momen redaman akan terdiri dari
tahanan-tahanan udara dan tahanan-tahanan mekanis pada kedudukan kumparan,
sedangkan besar redaman ini akan kecil sehingga alat penunjuk akan berisolasi
untuk waktu yang lama. Alat ukur yang seperti ini sulit dipakai, dan dalam
banyak hal sama sekali tidak dapat digunakan. Dengan demikian, diperlukan
adanya peredam, disamping momen-momen penggerak dan pengontrol, maka penunjuk
akan dapat sampai pada harga akhirnya dengan cepat. Momen peredam yang
dimaksudkan dihasilkan oleh alat peredam.
1.6 Peredaman alat ukur kumparan putar
Dalam alat
ukur kumparan putar, pada umumnya kumparan putarnya dibentuk kerangka berbahan
aluminium. Secara listrik kerangka tersebut merupakan jaringan hubung pendek,
dan memberikan pada kumparan momen peredam. Bila kumparan putar berputar yang
disebabkan oleh arus yang melaluinya, maka dalam kerangkanya akan timbul arus
induksi. Ini disebabkan karena putaran kerangka aluminium ini terjadi dalam
medan magnet pada celah udara, sehingga tegangan yang berbanding lurus pada
kecepatan perputaran akan diinduksikandalam kerangka tersebut. Arah dari
tegangan dapat ditentukan melalui hukum tangan kanan Fleming. Tegangan ini yang
menyebabkan arus induksi mengalir ke dalam kerangka kumparan. Sebaliknya arah
arus induksi ini akan memotong fluks magnet dalam celah udara bila kumaran
berputar, dan akan dibangkitkan momen yang berbanding lurus dengan kecepatan
putar. Akan tetapi arah dari momen ini adalah berlawanan dengan arah
perputaran, menyebabkan perputaran terhambat. Dengan demikian, terjadilah
redaman yang berusaha melawan perputaran.
Bila sesuatu keadaan
dihadapi dimana penampang dari pada kerangka adalah kecil sedangkan tahanannya
(secara listrik) besar, maka Id yang terjadi akan kecil. Dalam hal
ini maka momen redam yang dihasilkan akan lemah dan penunjuk akan berosilasi
disekitar , dan secara gradual
akan menunjukan ke titik akhir tersebut, seperti diperlihatkan pada gambar 8
(a). Bila tahanan listrik pada kerangka kecil maka Id akan dapat
besar, yang menghasilkan momen peredam yang kuat pula. Dalam hal ini maka
perlawanan terhadap perputaran akan besar , dan pergerakan penunjuk tidak lagi
bebas. Penunjuk akan mendekati harga akhir secara monotonis lambat, seperti
dinyatakan pada gambar 8 (b).
Gambar
8 – Gerakan Jarum Penunjuk Dari Suatu Alat Ukur
Aksi peredaman yang
mempergunakan prinsip-prinsip elektromaknetis ini dikenal sebagai redaman
elektromagnetis. Kurva A menyatakan peredaman kurang (under damp), sedangkan
kurva B menyatakan peredaman lebih (over damp). Waktu untuk sampai pada harga
akhir untuk kedua keadaan tersebut adalah lama. Suatu keadaan khusus terdapat
di antara keduanya, seperti dinyatakan oleh kurva C (critical damp), keadaan
ini dinyatakan sebagai peredam kritis.
Waktu yang diperlukan
untuk satu perioda dalam keadaan peredaman kurang disebut perioda dari osilasi.
Untuk alat-alat ukur yang biasanya dipergunakan, diperlukan untuk sampai pada
harga akhir yang hendak dibaca dalam batas-batas yang secepat mungkin. Sehingga
pengukuran yang benar dapat diperoleh dengan cepat. Oleh sebab itu, alat-alat
ukur yang lazim dipergunakan dibuat dengan peredaman sedikit kurang, seperti
dinyatakan pada kurva D.
1.7
Sebab-Sebab Kesalahan Dari Alat Ukur Setiap alat ukur
dari type kumparan putar yang dipergunakan untuk alat ukur amper maupun alat
ukur volt yang terdapat di pasaran telah direncanakan, sehingga batas kesalahan
terdapat batas-batas yang diperkenankan sesuai dengan kelas alat ukur tersebut.
Akan tetapi, dalam pemakaian ada banyak hal yang perlu diperhatikan seperti
hal-hal di bawah ini :
1.
Medan magnit luar
Bila
suatu alat ukur dipergunakan di sekitar suatu pengantar yang dialiri arus besar
atau di sekitar suatu magnit yang sangat kuat maka medan magnit yang terdapat
dalam celah udara pada sirkit magnit daripada alat ukur bisa terpengaruh.2.
Temperatur keliling
Seperti
telah dinyatakan, suatu alat ukur telah dibuat untuk tidak terpengaruh oleh
keadaan temperatur keliling. Akan tetapi, bila keadaan temperatur keliling
tersebut adalah jauh berbeda dari pada temperatur 20oC, maka
kesalahan-kesalahannya mungkin tidak dapat lagi diabaikan.3.
Pemanasan sendiri
Bila
satu arus mengalir ke dalam alat ukur, maka pada permulaan temperatur dari pada
komponen alat ukur tersebut akan menaik, dan menyebabkan penunjukkan berubah.
Jadi, penunjukkan tidak akan menjadi stabil sebelum temperatur dari alat ukur
tersebut menjadi konstan.4.
Pergeseran dari titik nol
Posisi
dari pada alat penunjuk dari alat ukur tanpa kebesaran listrik yang masuk,
disebut titik nol. Setelah digunakan untuk beberapa lama, kemungkinan titik nol
tersebut berubah dan bergerak yang disebabkan oleh fatik dari pada pegas-pegas
pengontrol. Pergeseran titik nol dapat dikoreksikan dengan
pergeseran-pergeseran secara mekanis, dengan cara-cara pengaturan titik nol
dari luar.5.
Gesekan-gesekan
Pada
alat ukur yang dibuat dengan konstruksi sumbu dan bantalan, maka pengukuran
yang pengukurannya dilakukan berulang kali mungkin menyebabkan harga-harga yang
berbeda, meskipun arus yang diukurnya adalah tetap. Hal ini mungkin terjadi
bila gesekan antara sumbu dan bantalan besar.6.
Umur alat ukur
Setelah
jangka waktu dari mulai alat ukur ini dibuat berlalu, maka berbagai komponen
dan elemen alat ukur ini mungkin berubah di dalam kebaikan kerjanya, dan akan
menghasilkan kesalahan penunjukan dari alat ukur. Agar alat ukur ini tetap siap
untuk pengukuran-pengukuran yang teliti, maka sebaiknya dilakukan kalibrasi
secara berkala, dalam interval waktu setengah tahun sampai dengan setahun.7.
Letak dari alat ukur
Bagian
yang bergerak dari alat ukur telah dibuat sedemikian rupa, sehingga
memungkinkan pengaturan-pengaturan yang terbatas. Dengan demikian, bila alat
ukur tersebut dipakai dengan letak yang tidak ditentukan, maka posisi yang dari
pada bagian yang bergerak, sehingga alat penunjuknya mungkin berbeda dan
menghasilkan kesalahan. Karena titik berat dari bagian yang bergerak dari suatu
alat ukur diatur dengan menggunakan berat-berat pengatur maka tidak akan
terjadi kesalahan; berarti meskipun alat ukur tersebut dipakai pada letak yang
berbeda dari pada yang diperuntukkannya. Akan tetapi, penting untuk
mempergunakan alat ukur ini di dalam letak yang diperuntukannya sedapat
mungkin. Letak penggunaan dari pada alat ukur dinyatakan pada papan skala suatu
alat ukur dengan mempergunakan simbol-simbol tertentu, seperti pada tabel
berikut :
|
Letak
|
Tanda
|
|
Tegak
|
|
|
Mendatar
|
|
|
Di pasang dengan posisi miring 600
|
|
BAB
III
KESIMPULAN Adapun
kesimpulan yang dapat diambil dari makalah ini adalah sebagi berikut :1. Alat
ukur kumparan putar adalah alat pengukur yang berkerja atas dasar prinsip dari
adanya suatu kumparan listrik, yang ditempatkan pada medan magnit, yang berasal
dari suatu magnet permanen.
2. Bagian-bagian
alat ukur kumparan putar, yaitu magnit tetap, kutub sepatu, inti besi lunak,
kumparan putar, pegas spiral, jarum penunjuk, rangka kumparan putar, tiang
poros.
3. Prinsip
kerja alat ukur kumparan putar menggunakan dasar percobaan Lorentz, “jika
sebatang penghantar dialiri arus listrik berada dalam medan magnet, maka pada
kawat penghantar tersebut akan timbul gaya”.
4. Momen
penggerak hanya ditentukan oleh besarnya arus, dan tidak tergantung dari sudut
putar θ dari penunjuk.
5. Momen
penggerak dan momen pengontrol pada alat ukur kumparan putar mempunyai
kesamaannya dengan gravitas yang bekerja pada pada pemberat dan gaya tarik dari
pegas.
6. Macam-macam
redaman, yaitu under damp, over damp, dan critical damp.
7. Sebab-sebab
kesalahan dari alat ukur, yaitu medan magnit luar, temperatur keliling,
pemanasan sendiri, pergeseran dari titik nol,
gesekan-gesekan, umur, dan letak dari alat ukur.
DAFTAR
PUSTAKA
di
unduh pada tanggal 10 Mei 2015 pukul 19.31 WIB
di
unduh pada tanggal 10 Mei 2015 pukul 19.00 WIB
di
unduh pada tanggal 10 Mei 2015 pukul 19.30 WIB
Sapiie,
Soedjana dan Osamu Nishino. 1979. Pengukuran Dan Alat-Alat Ukur Listrik.
Jakarta:P.T Pradnya Paramita
