PERCOBAAN FISIS (PEMBAGIAN
DALAM FASA)
Kegiatan seorang fisikawan eksperimentil dapat diklasifikasikan
dengan skema dibawah ini. Pada garis besarnya skema itu memperlihatkan jalannya
secara kronologis (perkembangan), tetapi dalam praktek fasa-fasa itu sebagian
akan saling mengimpit. Misalnya, selama membangun peralatan ukur si
eksperimentator sudah harus memikirkan pengukuran pendahuluan, selama
pengukuran harus membuat beberapa perhitungan dan grafik dan selama eksperimennya
memperhatikan apa yang berguna untuk memublikasikannya.
A. Definisi persoalan. Apa yang akan diukur dan mengapa (studi
literatur bersama dengan pemikiran teoretis)
B. Persiapan. Memilih metoda ukur ketepatan – accuracy
(ralat sistematis dan rambang)
biaya
dapat direalisasikan?
waktu
Mencari
peralatan beli - pinjam
Mendesign & mengonstruk-sikannya
C. Pengukuran Pemeriksaan
peralatan; pengukuran pendahuluan
Perbaikan
Pengukuran
definitip
D. Mengerjakan hasil-2 Analisa
dan perhitungan
Seleksi pengukuran
Koreksi-2
Ralat-2 rambang & sistematis
Menarik kesimpulan
E. Publikasi Seleksi
hasil-2
Grafik-2
dan tabel-2
Gambar-2
Susunan
Naskah (menentukan nivo)
2. PERTIMBANGAN UMUM.
2.1 Besaran Fisis
2.1.1. Hampir selalu diharapkan bahwa hasil
percobaan fisis memberikan informasi yang kuantitatip mengenai harga dari satu
atau lebih besaran fisis dalam suatu keadaan tertentu. Kemudian informasi itu
diinterpretasikan secara teoritis guna menambah pengertian terhadap alamiah.
Besaran yang diukur dapat merupakan sifat atau keadaan
dari suatu benda tertentu (misalnya pera1atan ukur), sifat dari suatu bahan
tertentu atau secara umum besaran yang berhubungan dengan suatu geja1a fisis
tertentu. Kalau besaran itu tidak tergantung pada variabel-2 yang penting da1am
percobaan, orang menyebutnya tetapan benda, tetapan bahan atau tetapan universi1
(tetapan alamiah).
Kalau ketidaktergantungan tadi tidak dipenuhi kita akan
mendapatkan besaran
sebagai fungsi
dari satu atau lebih variabel parameter.
Tetapan benda.
-
dataran (plateau) dari semacam
tabung Geiger-Muller.
-
tahanan listrik dari suatu
kawat tertentu
Tetapan bahan
-
masa jenis (tidak tergantung
volum)
-
daya hantar panas jenis (tidak
tergantung suhu)
Tetapan alamiah
-
tetapan gravitasi G
= (6,6732 +0,003l) l0-11 N.m2. kg-2
(tidak tergantung massa
-
tetapan Planck h
= (6. 626196 + 0,000050) l0-34 J.s
(tidak tergartung frekuensi)
-
percepatan gravitasi sebagai
fungsi lintang geografis
Fungsi
-
arus cahaya sebagai fungsi dari
tegangan pada lampu pijar
-
daftar tera dari suatu
Temoelemen
Fungsi
-
daya hantar listrik jenis
sebagai fungsi dari pada suhu
2.1.2. Sistem kumpulan besaran fisis tidak terbatas.
Misalnya, setiap besaran fisis yang dipangkatkan atau diambil diferensialnya
menghasilkan suatu besaran fisis baru. Hanya besaran yang sering ditemukan
mempunyai nama sendiri, seperti halnya dengan besaran yang tetap juga kalau
keadaan berubah atau besaran yang kekal. Besaran yang jarang dipakai
ditunjukkan dengan cara menerangkan hubungannya dengan besaran yang telah
dikenal.
-
tempat x tetap dalam keadaan berhenti
-
kecepatan dx/dt tetap
pada gerakan berkecepatan tetap
-
percepatan d2x/dt2 tetap pada gaya
-
perubahan percepatan d3x/dt3 kurang penting, tidak punya nama
tersendiri
2.1.3. Syarat umum bagi suatu besaran fisis adalah
bahwa dapat ditunjukkan suatu metoda ukur untuk menentukan nilainya. Sebetulnya
definisi besaran harus dapat diberikan dalam bentuk suatu peraturan ukur. Ada
-
definisi suhu atas dasar proses
Carnot (termodinamika) sangat sulit memakainya dalam praktek. Berdasarkan pertimbangan
teoretis termometer gas (yang ideal) juga dapat dipakai dalam definisi suhu.
Definisi ini sudah lebih mudah, tetapi alat masih rumit memakainya.
-
Tidak dapat diterima sebagai
besaran (setidak tidaknya tidak tanpa definisi lebih baik): kelelahan, kecerdasan.
2.2 Besaran yang kontinu dan terkuantisasi
Terdapat
besaran yang prinsipiel yang hanya dapat “mempunyai” nilai tercatu dan ada juga
yang atas dasar sifatnya dapat “mempunyai” sembarang nilai. Pengaruh proses
ukur dapat mengakibatkan penggolongan tidak nyata lagi. Misalnya,metode ukur
begitu kasar sehingga diskontinuitas-2 dari besaran terbenam dalam ketidaktepatan dari a1at ukur. Juga terdapat
alat-alat dengan sengaja mendiskontinukan (mendigitalisasikan) pembacaannya.
Keuntungan yang mungkin adalah ketepatan
pembacaan yang lebih baik atau keluaran (output)
secara langsung dapat dimasukkan kedalam komputer.
Si pengamat yang membaca alat ukur
dan kemudian mencatat hasilnya sebetulnya menerapkan cara yang sama oleh karena
dia terpaksa membulatkan hasilnya.
N.B
Isti1ah digital dipakai da1am instrumentasi. Artinya ke1uaran (output) dapat mempunyai nilai-nilai tertentu
saja (flip-flop da1am keadaan 0 atau
1)
Isti1ah analog dipakai kalau ke1uaran
dapat mempunyai sembarang nilai.
Besaran yang bervariasi kontinu
- kecepatan dari suatu benda
- tenaga kinetis dari suatu zarah bebas
- panjang gelombang radiasi elektromagnet yang
dipancarkan oleh benda hitam.
Besaran yang terkuantisasi
- muatan dari suatu zarah
-. dorongan sudut (angular
momentum) dari suatu inti atom
- panjang gelombang radiasi elektromagnet yang
dipancarkan oleh suatu inti atom
Beberapa kasus peralihan
- arus tenaga radiasi elektromagnet dialami sebagai
kontinu padahal cukup banyak cahaya tampak akan dideteksi, misalnya dengan
detektor CdS. Tetapi kalau dengan tabung pengganda foton dideteksi intensitas cahaya
yang kecil sekali foton-foton dapat dicacah.
Makin pendek panjang gelombang dan tinggi frekuensinya
(radiasi gamma) makin nyata sifat kuantisasi dari pada oahaya EM. Panjang
gelombang besar (gelombang radio) sifatnya kontinu.
Meter tegangan digital.
Meskipun pada umumnya dalam pengukuran tegangan listrik
dipakai meter kumparan putar, mungkin lama makin maju pemakaian meter digital.
Salah satu prinsip yang dipakai dalam hal itu adalah “prinsip gigi gergaji” :
suatu generator gigi gergaji secara berkala mengeluarkan sinyal-sinyal yang
penurunan tegangannya sangat linier. Suatu rangkaian elektronis membandingkan
besarnya sinyal yang akan diukur (yang mungkin akan diperlemahkan dulu) dengan tegangan gigi gergaji tadi.
Pada waktu selisihnya melewati nol pencacahan
sinyal-sinyal yang dikeluarkan oleh suatu
osilator dimulai. Pada waktu tegangan gigi gergaji menjadi nol
pencacahan diberhentikan dan cacah merupakan ukuran bagi tegangan yang tak
terkenal. Suatu alat ingatan (memory)
memperbolehkan pembacaan kontinu.
Dalam Gambar 1a tertera diagram kotak; Gambar 1b
menunjukkan perubahan tegangan sebagai fungsi dari waktu. Ketepatan yang dapat
dicapai adalah 0,01 %.
3.1 Dimensi
Dua besaran mempunyai dimensi yang
sama kalau mereka langsung dapat dibandingkan (lebih besar, lebih kecil dari).
Kemudian dimensi dari hasil kali (hasil bagi) dua besaran adalah hasil kali
(hasil bagi) dari kedua dimensi yang bersangkutan. Integral merupakan hasil kali
dan diferensial asil bagi peraturan yang pertama berarti bahwa dari dua besaran
hanya dapat diambil jumlahnya atau selisihnya kalau mereka mempunyai dimensi
yang sama. Ini juga berarti bahwa untuk semua fungsi yang dapat diuraikan
menjadi deret pangkat dengan lebih dari satu suku, baik argumen maupun fungsi
tidak punya dimensi.
Dimensi suatu besaran yaitu bagaimana
besaran itu dinyatakan dalam besaran-2 dasar. Untuk dapat. mencari dimensi
semua besaran fisis perlu dicari himpunan besaran dasar itu diberi nama dan
kemudian berdasarkan definisi-definisi hukum-hukum dimensi besaran lain
diturunkan.
Dalam praktek pengertian dimensi
terutama penting untuk memeriksa adanya
kekeliruan dalam rumus-rumus yang dipakai.
Kadang-kadang suatu peninjauan
dimensi dapat menghasilkan ramalan teoretis.
Untuk memberi
tanda dimensi dipakai kurung akolade bersama symbol untuk besarannya : [X]
|
Besaran
|
dimensi
|
satuan dalam SI
|
|
Garis tengah
|
[L]
|
M
|
|
Frekuensi
|
[t-1]
|
s-1 = Hz
|
|
Tenaga
|
[ML2t-2]
|
J = kg.m2/s2
|
|
Sudut
|
-
|
radian
|
|
Sudut ruang
|
-
|
steradian
|
|
Tahanan jenis
|
[ML3I-2T-3]
|
Ω.m
|
|
Angka bias
|
-
|
-
|
|
Tetapan Boltmann
|
[ML2t -2T-1]
|
J.K-1
|
|
Kekentalan
|
[ML-1t-1]
|
Kg.m-1.s-1(=10 poise)
|
*) kalau besaran dasar : panjang 1, waktu t, massa
Pemeriksaaan dimensi
-
Dalam penyocokan garis lurus
dengan metoda kuadrat terkecil:
Titik ukur xi
dan yi (dimensi x dan y berbeda); hasil cocok y
= a + bx. Penyelesaiannya adalah
a = 
b = 
b =
→ [y] = [a] – [bx] → [b] = [yx-1]
→ [a] = 
= [y] = a; →
[b] = 
= [yx-1]
= [y] = a; →
[b] = = [yx-1]
Minta diperhatikan bahwa peninjauan satuan tidaklah
mungkin, oleh karena satuan dari x
dan y tidak diketahui.
Dimensi dalam hukum Stokes bagi suatu bola bergaris
tengah 2r yang bergerak dalam larutan
dengan kecepatan v. Kita mengharapkan
gaya
Fw ∞ rα
vβ nγ
Dimensi-dimensi : [MLt -2] = [Lα (L
t -1) β (ML-1t
-1) β (ML-1t
-1) γ]
berarti untuk M : 1 = γ )
untuk L : 1 = α + β + γ ) α = β = γ = 1
untuk t :-2 = - β - γ )
Peninjauan satuan dapat dipakai juga dalam hal ini.
Penjabaran secara sungguh-sungguh menghasilkan : Fw = 6 µ r
n v
Sebaliknya rumus yang terakhir dapat dipakai untuk
menentukan dimensi dari angka kental.
3.2 Orde besar
Orde besar dari suatu besaran fisis adalah harga secara
kasar atau harga pembulatan. Orde besar (menurut definisi) tidak akan menyimpang
lebih dari faktor 10 +1daripada nilai
sesungguhnya.
:Orde besar : massa
muatan elektron 1,6
* 10-19 coulomb
kepekaan mikrometer 0,01
mm
dimensi atom 10-10
m
(lihat'lah Berkeley Physics Course – jilid 4 – sampul
bagian dalam)
4. Mengukur berarti mengubah
(mengolah) dan membandingkan.
Suatu alat ukur arus
mengasilkan perbandingan diantara besaran fisis yang akan diukur dan satuan
untuk besaran itu. Boleh dikatakan alatnya harus mengepaskan satuan (atau pecahan
dari satuan itu) pada besaran yang belum diketahui. Kebanyakan dari a1at
melaksanakan pengepasan ini secara otomatis dengan perto1ongan suatu pembagian.skala.
Besaran yang diamati dalam ha1 itu merupakan jarak pada skala itu. Suatu
pembagian skala yang tertera menyediakan kemungkinan diadakan interpolasi.
Dalam gambar 2 tertera suatu diagram kotak yang umum seka1i yang menunjukkan
berbagai fungsi dari suatu alat ukur.
|
|
|
|
I → → → → → 0
Gambar 2
Detektor mengambil sinyal yang akan diukur dan
menyampaikannya kepada suatu deret pengubah. Pengubah-pengubah ini
mentransformir (mengo1ah) sinyalnya satu atau beberapa ka1i menjadi besaran
fisis yang lain, misalnya : besaran.yang gampang dikuatkan atau dilemahkan.
Penyerahan langsung kepada bagian ke1uaran (output) juga mungkin. Sebagai besaran
perantara sering dipergunakan tegangan 1istrik,
karena dapat diperkuat dan disalurkan sampai jarak jauh.
Bagian keluaran dapat berupa suatu
jarum diatas pembagian skala, tetapi juga bintik cahaya pada layar osiloskop
ataukah tabung angka pada pembacaan digital.
Fungsi pindah (transfer function) P
menghubungkan besaran I yang diukur dan besaran 0 yang diamati daism proses
ukur :
O = P
* I
.
Fungsi pindah P dapat merupakan fungsi yang sangat sederhana ( misalnya kalau 0
berbanding 1urus dengan I ), tetapi pada umumnya P mempunyai bentuk operator diferensial.
Dalam ha1 ini ada relasi waktu tertentu diantara masukan I dan keluaran O. Sistem
ukur disebut sistem dinamis (cf bab. ASF), yang mempunyai jawaban (respons)
khas (cf .paragraf 7).
Sifat-sifat dari a1at secara
keseluruhan ditententukan oleh kerjasama bagian-bagian fungsi pindah. Fungsi
pindah akan dibicarakan khusus dalam bab ASF.
- Penentuan massa
Meskipun neraca-neraca yang modern
pada umumnya memakai metoda konpemsasi
(cf. bagian 9.3), neraca biasa yang berlengan dua juga masih sering
digunakan. Alat ini merupakan contoh yang sangat nyata: satuan massa massa
- Pengukuran suhu denqan termoelemen yang
dihubungkan dengan meter tegangan elektronis
Sinyal masuk I
adalah perbedaan suhu Tl - T2 diantara dua titik sambung dari
termoelemen. Elemen adalah detektor dan juga mengubah masukan meniadi tegangan
listrik ( 10 - 100 µ V/ oC). Penguat didalam meter meninggikan
tegangan ini sampai menjadi cukup besar untuk menyalurkannya ke meter kumparan
yang terdapat dalam alat itu. Besaran keluaran (0) adalah defleksi pada skala meter. Dalam pendekatan yang pertama
alat ukur suhu ini adalah linear. Tetapi suatu pengukuran yang masih cukup
kasar sudah membuktikan bahwa sebetulnya alat ini bukan linear, hal yang mana
disebabkan oleh bagian deteksi. Kalau kita ingin memasang suatu skala suhu pada
meter tadi, memang tidak sama sekali linear.
Pengukuran arus tenaga dalam suatu berkas cahaya dengan
pertolongan onggok
termo ( thermopile
) dan meter kumparan putar. Besaran fisis secara berturut-turut adalah tenaga →
kenaikan suhu → tegangan listrik → arus listrik → gaya gaya
Gambar 4
Peta wilayah data (data domain map )
Oleh Malmstadt c.s system ukur dijelaskan dengan gambar
dibawah ini.
5. Kepekaan
Suatu pengukuran ( alat ukur ) disebut peka kalau suatu perubahan
yang kecil dari besaran yang sedang diukur mengakibatkan suatu perubahan yang
besar dalam hasilnya ( hasil pembacaan, keluaran ).
( kepekaan juga dapat didefinisikan sebagai perubahan masukan yang
terkecil yang masih dapat diamati pada keluaran system. Maka definisi ini
adalah sinonim dengan kemampuan deteksi minimal ).
Mengingat definisi kepekaan dapat ditulis sebagai ∆ O/∆
I.
Dalam praktek istiah kepekaan juga sering dipakai untuk
inverse, yaitu untuk ∆ I/∆ O Msalnya : osiloskap : volt / cm
mikrometer : mm/pembagian skala
temrokopel : volt / oC
Istilah yang digunakan untuk kepekaan sistem elektronis
adalah factor penguat (gain) Oleh karena dalam hal ini masukan dan keluaran
mempunyai dimensi yang sama maka kepekaan tidak punya dimensi.
Suatu sistem ukur disebut linear kalau kepekaannya tidak
tergantung besarnya masukan (input).
6. Linearitas.
Dapat dibedakan diantara alat-alat linear dan
non-linear.
Kadang-kadang sua.tu alat adalah non-linear (dengan
tidak sengaja) oleh karena metoda deteksi yang dipakai tidak linear.
Kadang-kadang non-linearitas itu dipakai dengan sengaja, misalnya supaya alatnya
dapat dipakai untuk suatu daerah harga-harga masukan (input) yang sangat luas.
Dengan demikian suatu ralat pembacaan mutlak yang tetap pada skala yang
logaritmis menyebabkan ra1at pembacaan relatif yang tetap untuk masukan. .
Alat-alat yang
memper1ihatkan penunjukan yang sama untuk sinya1 yang positif dan sinyal yang
negatif pada umumnya akan ternyata non-linear disekitar tiik nol.
Untuk a1at yang linear relasi diantara hasi1 ukur
(ke1uaran) 0 dan besaran ukur
(masukan) I ada1ah :
0 = a I + b, dimana a dan b
merupakan tetapan (tidak tergantung I).
Perhatikanlah bahwa a adalah kepekaan.
Skala alinear. I
- pengukuran tahanan secara langsung. Cara yang
tersederhana untuk mengukur tahanan seperti terlihat dalam gambar 6 (cf. bab
E). Defleksi nol berarti besarnya tahanan tak berhingga, maka pada skala
ditulis ∞ . Defleksi terhadap defleksi maksimal diberiikan oleh 
= 
. Harga Ro
diatur sedemikian rupa sehingga tepat U
= Umax . kalau Rx = 0.
= . Harga Ro
diatur sedemikian rupa sehingga tepat U
= Umax . kalau Rx = 0.
Ketepatan (accuracy)
pembacaan yang maksimal. tercapai kalau jarum berada didaerah tengah (Rx = Ro).
Dalam praktek meternya dilengkapi dengan shunt-shunt dan
tahanan-tahanan depan, kalau dapat sedemikian rupa hingga titik Rx = 0 tetap ( Imax tidak berubah ) kalau
batas ukur divariasi.
7. Respons ( jawaban )
Kalau sinyal masuk adalah fungsi dari
waktu t memang orang menghendaki
bahwa untuk keluaranan 0 ketergantungan .dari waktu t adalah fungsi yang sama. Dalam praktek pada umumnya tidak demikian.
Kelakuan dari alatnya akan dipengaruhi oleh ketergantungan waktu dari I. Persamaan-persamaan
diferensial yang.menggambarkan reaksi sistem ukur menentukan dengan tepat
bagaimana kelakuan dari sistem itu (cf. bab ASF). Untuk memeriksa kelakuan itu
bagi I (t) dapat dipakai suatu fungsi undak. Dalam gambar 8 tertera beberapa
respons yang sering ditemukan.
Contoh : (a) penguat, termometer
(b) galvanometer
kurang teredam
(c) “oloscilloscope probe"
yang kompensasi frekuesinya kurang teratur .
Dalam hal ini waktu respons didefinisikan sebagai waktu
dimana sesudahnya alat tidak menunjukkan harga yang menyimpang lebih dari 5%
dari harga akhir. Untuk menyelidiki sifat-sifat sistem ukur sebagai masukan I juga dapat dipakai sinyal berbentuk
sinus. Kelakuan 0 sebagai fungsi dari
frekuensi f disebut karakteristik
frekuensi dari alatnya. Sering dijumpai bentuk seperti tertera dalam gambar 9a.
Alat-alat untuk mengolah sinyal bolak-balik sering
mempunyai karakteristik dengan bentuk seperti dapat dilihat dalam gambar 9c.
Kalau alatnya mempunyai frekuensi pribadi (resonansi)
dapat diharapkan gambar 9b.
gambar 9
Contoh: (a)
penguat searah (DC amplifier)
(b) galvanometer .
(a) pernguat bolak-balik (AC amplifier).
Pengukuran suhu.
Dibandingkan termometer
raksa dengan termoelemen pada. daerah suhu dimana kedua duanya dapat dipakai.
Termometer raksa mempunyai tempat simpan air raksa (kapasitan panas) dan
dinding gelas (tahanan panas). Kedua faktor itu menyebabkan sistemnya mempunyai
kelembaman. Termoelemen mempunyai tahanan panas dan kapasitan panas lebih
keenl, sehingga waktu respons lebih pendek. (disamping itu pengaruh terhadap
sistem yang akan diukur suhunya lebih kecil.).
Kesukaran dengan termoelemen adalah perlunya pengukuran
tegangan yang peka dan keharusan dipakai suhu referensi.
Keuntungan adalah daerah suhu lebih besar, kemungkinan
membaca hasil pengukuran jauh dari tempat termoelemen, kemungkinan mengotomatisasikan
pengukurannya.
Rangkaian RC
untuk tegangan listrik. (cf. fasal Z).
Dalam banyak
rangkaian akan terdapat kombinasi RC
seperti tertera dalam gambar 10 (a) & 11 ( a), entah sebagai efek sampingan
yang mengganggu entah oleh karena dimasukkan dengan sengaja. Gombar (b)
menunjukkan respons terhadap fungsi undak. Sinyal V mencapai harga (1 - l/e)* Vmax
dalam waktu sebesar RC. Titik
95% dicapai sesudah 3 * RC. Gambar
(c) menunjukkan karakteristik frekuensi.
Frekuensi-frekuensi
rendah dapat ditekan dengan rangkaian dalam gambar 11 (a).
Respons undak dan karakteristik frekuensi tertera dalam
gambar (b) dart (c).
Kita membandingkan
dua alat yang ke-dua-2nya dapat meregistrasikan tegangan listrik sebesar fungsi
dari waktu. Waktu respons recorder sangat ditentuan oleh kecepatan maksimal (typical 0,5 m/s) dan percepatan daripada
pena. Kalau lebar kertas adalah 25 cm harga-harga typical (yang pada umumnya dijumpai) tadi memberiikan waktu respons
seorde 0,5 detik.
Osilokop direncanakan untuk variasi
yang jauh lebih cepat. Batas frekuensi pada umumnya ditentukan oleh (bagian)
penguat.
Waktu tempuh elektron-elektron diantara lempeng-lempeng
defleksi (orde besarnya 1 ns pada tegangan percepat 1000 V dan panjang lempeng
1 cm) menentukan batas frekuensi tinggi yang prinsipiel.
8. Daya pisah (resolving power).
Daya pisah daripada suatu alat ada1ah perbandingan
diantara sinyal I yang akan diukur
dan variasi ∆ I yang terkecil yang
masih dapat diamati ( pada harga I
itu ). Pada nilai I yang tetap
terjadi distribusi nilai 0, mengakibatkan
adanya variasi ∆ I tadi. Fungsi 0 tidaklah menentu. Untuk a1at-alat linear daya pisah juga sama
dengan 0/∆ 0 (harga 0 rata-rata
dibagi lebarnya distribusi 0).
Kalau alatnya kurang linear dari ∆ 0 harus dihitung ∆ I
du1u.
Gambar 12 menunjukkan contoh-contoh yang ( khas )
karakteristik.
Di dalam bidang optik garis spektral dinyatakan tepat
terpisah kalau cekung ditengah distribusi hasil penjumlahan cukup dalam untuk
mengamati dua garis. Raleigh
Didalam bidang fisika nuklir daya pisah didefinisikan
sebagai ∆ E/E, dimana ∆ E adalah
lebar setengah puncak ( fullwidth at half
maximum = fωhm).
9. METODA
UKUR.
9.1. Metoda dasar.
Dalam metoda ukur yang lazim dipakai untuk percobaan sederhana,
yang akan disebut metoda dasar, harga besaran yang diukur dapat dibaca dari
kedudukan penunjuk pada suatu skala keluaran.
Contoh-2 metoda dasar:
- Multimeter untuk pengukuran tegangan arus atau tahanan
(cf. bab E)
- neraca pegas.
Seringkali metoda ukur ini mempunyai
ralat relatif yang tetap untuk seluruh daerah ukur. Makin besar harga yang akan
diukur makin besar ralat mutlak. Ketepatan pengukuran akan sangat lebih baik
kalau yang diukur bukan besaran sendiri tetapi selisihnya dengan suatu harga standar.
Ketepatan relatif dari alatnya sama sekali tidak penting lagi kalau alat ini
hanya dipakai untuk mendeteksi kesamaannya dari dua besaran tadi, yaitu dipakai
sebagai penunjuk nol saja. Prosedur ukur yang berliku-liku menimbulkan keberatan
terhadap metoda nol. Yang harus dicari adalah nilai besaran referensi untuk
mana detektor nol tidak menunjukkan defleksi lagi. Pencarian ini sering kali perlu
dilakukan secara bertahap untuk menghindari detektornya akan rusak ataukah
untuk mencapai daerah dimana defleksi detektornya dapat dibaca. Adalah mungkin
mengotomasikannya. Untuk metoda selisih keberatan tadi tidak begitu penting,
tetapi penetapan besaran referensi berarti tidak mengizinkan lagi variasi yang
besar untuk besaran yang akan diukur.
Jelaslah bahwa keuntungan dari kedua metoda adalah ketepatan
yang lebih baik.
9.2. Metoda selesih dan metoda nol
9.2.1. Malmstadt c.s. menjelaskan sistem ukur sebagai berikut
 |
Keluaran selisih Keluaran referensi
Qu-Qr Qr
Suatu detektor se1isih menentukan perbedaan diantara
besaran yang akan diukur dan suatu besaran standar referansi.
Harga besaran yang diukur adalah keluaran referensi Qr ditambah dengan keluaran
selisih Qu –Qr.
Qu = (Qu – Qr)
+ Qr = Qu
Semua alat pada prinsipnya memakai “detektor selisih”
dan “standar referensi".
Dapat dibedakan
tiga metoda ukur, yaitu metoda dasar, metoda selisih den metoda nol. Dalam
daftar dibawah ini ketiganya dibandingkan untuk pengukuran tegangan listrik V.
|
Metoda
|
Besaran yang diukur
|
Detektor selisih
|
Standar referensi
|
|
|
|
 alat
penunjukkan
Qu - Qr
|
alat penunjukkan
Qr
|
|
Metoda
dasar
( zero adjustment )
|
V
|
meter V
|
- -
|
|
Metoda
selisi
( off-set )
|
V
|
meter V - Vref
( lebih
peka )
|
sumber
tegangan
variabel
|
|
Metoda
nol
(null-comparisson )
|
V
|
meter
( lebih 0
peka
lagi )
|
sumber
tegangan
variable
( penga-
turan
lebih
peka )
|
Pada metoda dasar kesaksamaan dan ketepatan tergantung
meter yang dipakai ( fungsi
pindah meter tegangan).
Pada metoda se1isih ketepatan tergantung meter yang
dipakai dan juga tergantung ketetapan (mempengaruhi kesaksamaan) dan ketepatan
dari standar referensi. Sumbangan dari meter pada umumnya 1ebih kecil ka1au
dibandingkan dengan sumbangan meter pada metoda dasar.
Pada metoda nol sumbangan dari meter boleh diabaikan.
Ketepatan hanya tergantung ketepatan standar referensi. Pada metoda ini
detektor seringkali disebut detektor nol. Pada prinsipnya detektor ini tidak
perlu tepat ( tertera ). Detektor hanya harus dapat menunjukkan selisih (positif
atau negatif) diantara besaran yang belum diketahui dan besaran referensi. Oleh
sebab itu juga kerapkali dipakai istilah komparator (pembanding).
Contoh-contoh metoda selisih (nol).
1. Neraca
analitis
Dalam pengukuran massa massa massa
Makin peka neraca makin seksama pengukuran. Tetapi
ketepatan bukan saja tergantung kepekaan tetapi juga tergantung ketidaksamaan
lengan dan ketepatan atandar referensi (anak timbangan).
Untuk penjelasan lebih lanjut cf. bab M.
- Jembatan Wheatstone
Pengukuran tahanan dapat dilakukan langsung dengan
pengukuran arus (metoda dasar ). Skala yang alinear membatasi ketepatan
pembacaan ( cf.hal.12 ). Kalau baterai dibebani dengan tahanan, tegangan akan
turun oleh mana ketepatan ukur dirugikan juga. Orde besar ketepatan
multitimeter pada umumnya 3 – 5%. Dalam metoda jembatan Wheatstone tahanan Rx yang belum dikenal
besarnya dkombinasikan dengan 3 tahanan lain yang dikenal. ( gambar 15 ) .
Kalau detektor nol tidak menunjukkan defleksi maka Rx = RoR1/R2.
Pada hal dipakai bangku tahanan maka makin besar jumlah
tingkat yang dipakai makin besar ketepatan atur. Disekitar titik nol arus
detektor berbanding lurus dengan Rx-RoR1/R2,
dimana faktor perbandingan tergantung V,
Ro, R1, dan Rdetektor.
Gambar 15
Jembatan untuk kapasitans dan induktans: cf. bab. Z.
3. heterodyne frequency meter: cf. bab. Z.
9.2.2. Detektor nol, komparator.
Sebagai detektor nol dapat dipakai meter arus dengan
tahanan dalam kecil ataukah meter tegangan dengan tahanan dalam besar.
Komparator adalah suatu penguat dengan dua gerbang masuk
selisih yang seimbang, faktor penguat yang besar dan keluaran yang terbatas.
Seringkali dipakai operational amplifier
(cf. bab Op Amp). .
Padahal komparator bekerja secara ideal keluaran adalah
sebesar batas positif kalau kalau Vu
< Vr dan sebesar batas negatif kalau Vu < Vr .
(Maka komparator dapat dipakai sebagai penunjuk
polaritas sinyal juga).
Gambar 18 menunjukkan bagaimana komparotornya dapat
dipakai dalam suatu pengukuran tegangan. Dalam gambar 19 tertera rangkaian tara
(equivalent circuit) yang melihatkan adanya selisih Vd dan sumber common mode ( keadaan bersama ) Vcm . Pada kcmparator ideal
tegangan Vcm tidak ada
pengaruh. Dalam praktek ada, dan kualiitas komparator dispesifikasikan dengan
common mode rejection ratio (
perbandingan tolak keadaan bersama ) CMRR, yaitu respons teradap selisih dibagi
respons terhadap tegangan common.
CMRR = 
Bacalah Malmstadt I untuk penjelasan lebih lanjut.
9.2.3. Tanah ( ground ) dan referensi bersama (common). (cf.13.6)
Dalam alat elektronis pada umumnya terdapat suatu
penghantar listrik yang berupa kawat tembaga yang tebal atau keping ( lapisan ).
Salah satu ujung dari sumber-sumber tegangan, sumber-sumber sinyal, dsb
disambung padanya. Penghantar ini merupakan "titik" potensial bersama
dan oleh sebab itu seringkali disebut referensi bersama rangkaian ( circuit
common ). Lambangnya adalah
atau ┴ .
Tegangan-tegangan
diukur terhadap referensi bersama ini. Kalau beberpa alat dihubungkan kerapkali
referensi-referensi bersama dihubungkan juga dan kemudian dapat dihubungkan
dengan tanah bumi ( referensi bersama
universal ), misalnya dengan memakai
pipa air, tanah jaringan listrik. Kalau hubungan yang terakhir tidak ada (maka
kalau peralatan tidak ditanahkan ) alat-alat tadi disebut melayang (floating).
N.B. 1) . Pemakaian lambang atau ┴
belum begitu umum sehingga pada alat-alat masih sering dipakai lambang untuk ujung sambung referensi bersama (common).
2) . Berhubung hal ini perlu
dipelihatikan bahwa adanya sambungan dengan tanah jaringan listrik lewat steker
alat belum pasti berarti alat itu ditanahkan, sehingga mungkin masih dapat dipakai
untuk pengukuran layang ( floating
measurements ). Pelajarilah petunjuk alat untuk mengetahui hubungan tanah. .
Tanah atau referensi bersama yang maya (virtual ).
“Titik” referensi
bersama maya adalah suatu titik rangkaian yang tegangannya sama dengan tegangan
referensi bersama, meskipun tidak ada hubungan dengan referensi bersama (cf. bab OpAmp) .
9.2.4
Contoh perbandingan ketepatan
untuk metoda dasar, metoda selisih dan
metoda
nol.
Harus diukur tegangan searah Vu sebesar kira-kira 0,9 volt.
I.
metoda biasa
II. metoda selisih
N.B. : a) ralat lebih keeil daripada ralat metoda I (sumbangan meter kecil ) .
b) ralat tegangan referensi Vr dianggap kecil sekali
sehingga boleh diabaikan. Kalau
ketepatan Vr kurang baik,
maka pada ralat hasil ukur masih harus ditambahkan ralat akibat kekurangan
ketepatan Vr.
c) meter lebih peka daripada meter dalam metoda
I.
III. Metoda nol
Dalam hal ini dipakai tegangan referensi Vr yang variabel dan tepat sekali.
Misalnya dipakai sel Cd Weston dan potentiometer.
Gambar 22
Perhatikanlah bahwa sel Weston tidak boleh dibebani
sehingga harus dipilih potensiometer yang tahanan ohmnya besar.
Tegangan dari sel Weston adalah 1,0183 volt. Diperlukan
potensiometer yang pengaturannya sangat halus, misalnya 1 : 104.
Maka tegangan dapat diatur dengan teliti. Perubahan yang
tefkecil kira-kira 0,1 mV.
Kalau penunjukan potensiometer 9621, maka
hasil ukur
Vu = 0,9621 +
0,0001 volt.
N.B.
a) ralat lebih kecil daripada ralat metoda II. Tetapi ralat ( ketepatan )
Vr belum diperhitungkan (10 µV/ oC).
Kalau suhu cukup stabil maka ra1at ini boleh diabaikan. Sisa ralat Vr akibat sel Weston
dibebani. Oleh karena arus sel tidak boleh melebihi 10 µA, berarti R >> 100 k Ω
b) meter
yang dipakai harus lebih peka daripada meter dalam metoda II. Oleh karena arus
akibat perubahan 0,1 mV harus dapat diamati, maka satu pembagian skala meter
arus < 
dimana RM adalah tahanan dalam
meter. Ketepatsn meter tidak mempengaruhi ralat hasi1 ukur.
c) Dari sumber Vu te1ah diukur ggl bukan tegangan jepit, karena kalau M
menunjuk nol berarti sumber tidak
dibebani. dimana RM adalah tahanan dalam
meter. Ketepatsn meter tidak mempengaruhi ralat hasi1 ukur.
JAKARTA