DASAR METODE PENGUKURAN

10/19/2013 01:10:00 PM

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 yang tetap    
-          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 kemungkinan bahwa pengukuran ini sangat rumit (complex) dan sangat tidak langsung.
-          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 m, arus i dan suhu T.
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 =  
→ [y] = [a] – [bx] → [b] = [yx-1]
→ [a] =  = [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 gesekan Fw tergantung r, v dan angka kental n . Mengandaikan :
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 elektron                               10-30 kg
massa proton                                 1800 * massa elektron
muatan elektron                            1,6 * 10-19 coulomb
kepekaan mikrometer                    0,01 mm
massa elektron                               0,5 Mev
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.



detektor
 

pengubah
 

penguat
 

output
 
 



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 dengan neraca berlengan dua.
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 dipaskan pada massa yang sedang ditentukan. Defleksi lengan dapat dipakai sebagai penunjuk interpolasi.
 - 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 → momen gaya → defleksi
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.
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 mendefinisikan kriterium bahwa untuk hal itu perlu maksimum garis yang pertama harus terletak diatas “titik nol” (minimum pertama untuk pola distribusi difraksi),cf gambar 12 (e). Kalau jarak terkecil diantara kedua garis disebut ∆λ, maka daya pisah adalah λ / ∆λ
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 dengan metoda dasar (misalnya neraca pegas) besaran referensi sama dengan nol ( tidak ada ), aehingga ditentukan selisih diantara massa yang belum diketahui dan nol. Ketepatan adalah tergantung peneraan, pembacaan skala, ketepatan peneraan, dsb. Neraca analistis berlengan dua didasarkan atas prinsip metoda selisih. Ditentukan selisihnya diantara massa yang belum diketahui dan referensi standar berupa anak timbangan.
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.
  1. 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.

Share This Story

Tags:

You Might Also Like

0 comments

jangan lupa komentarnya guys

Like us on Facebook

Flickr Images

Subscribe