TEORI DASAR LOAD CELL
1. Pendahuluan
Load cell adalah alat yang mengeluarkan signal listrik proporsional dengan gaya / beban yang diterimanya. Load cell banyak digunakan pada timbangan elektronik. Pembahasan disini meliputi :
- Teori sirkuit DC
- Teori kelistrikan Load cell
- Ketentuan / aturan dasar Load cell
- Troubleshooting
1.1. Teori Sirkuit DC Electron
Elektron adalahpartikel bermuatan negatif yangmerupakan bagian dari semua atom. Elektron membentuk orbit di sekitar atom. elektron berada di orbit paling dekat ke pusat atom, atau inti, berada didalam struktur atom lebih erat daripada elektron yang ada di orbit terluar. Konduktor seperti emas, tembaga dan perak memiliki satu elektron di orbit luar mereka, yang juga disebut shell valensi. Elektron valensi ini dapat dengan mudah keluar dari atom mereka dan bergerak secara acak ke atom lain. Elektron ini disebut elektron bebas. Elektron bebas jika bertemu elektron valensi lainnya,akan menimbulkan lebih banyak elektron bebas.
Konduktor memiliki elektron bebas yang lebih banyak, bergerak secara acak dari atom ke atom. Isolator adalah kebalikandari konduktor. Mereka mengandungbanyak elektron shell valensi yang erat untuk atom-atom mereka. Insulator memiliki elektron bebas sedikit dan sangat sedikit konduktor listrik
1.2. Tegangan dan Arus
Arus listrik adalah aliran teratur elektron. Arus satu ampere adalah ketika aliran elektron melewati suatu titik tertentu pada tingkat 6,24 x 1018 (6,240,000,000,000,000,000) elektron per detik. Angka 6,24 x 1018 disebut juga coulomb. Jadi bisa kita katakan satu ampere (Amp) adalah sama dengan satu coulomb yang melewati titik tertentu dalam satu detik. Simbol yang digunakan dalam elektronik u adalah A.
Untuk memindahkan elektron dalam konduktor sehingga menghasilkan aliran arus, force/gaya harus diberikan pada konduktor. Pada sirkuit listrik
gaya ini adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dan disebut tegangan. Jadi, arus adalah aliran aktual elektron dan tegangan adalah gaya yang menyebabkan elektron mengalir. Simbol yang digunakan dalam elektronik untuk arus adalah I, dan simbol untuk tegangan E.
1.3. Hambatan / Resistansi
Aliran arus melalui konduktor mendapatkan perlawaanan/hambatan dari konduktor. Perlawanan/hambatan ini disebut resistansi. Simbol yang digunakan untuk menunjukkan resistansi adalah R. Satuan ukuran untuk resistansi/hambatan/tahanan disebut ohm.Simbol yang digunakan adalah ohm (Ω).
1.4. Sirkuit Arus Lemah (DC)
Seorang fisikawan Jerman bernama GS Ohm mengembangkan hubungan Definite antara tegangan, arus dan resistansi dalam sirkuit tertutup. Sirkuit terdiri dari sebuah sumber tegangan dan rangkaian lengkap untuk aliran arus. Rangkaian harus mulai dari satu sisi sumber tegangan dan berakhir pada sisi lain. Rangkaian ini menghasilkan
beda potensial antara sisi satu dan sisi lain karena salah satu sisi sumber memiliki potensial positif dan yang lainnya memiliki potensial negatif. Mr Ohm menyatakan, "Keadaan ini berbanding lurus dengan tegangan dan berbanding terbalik
dengan resistensi ". Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Ohm.
Secara Rumus Hukum Ohm adalah:
Arus(dalam ampere) = Tegangan(dalam volt)
Hambatan(dalam ohm)
Jika menggunakan symbol untuk arus, tegangan dan hambatan, hubungan ini bisa dinyatakan I = E/R bisa juga dinyatakan dalam E = IR atau tegangan adalah arus dikali hambatan.
Dalam rangkaian DC kita menggunakan symbol ini untuk baterai atau sumber daya
Symbol ini dipakai untuk hambatan atau resistor.
Berikut adalah contoh rangkaian arus searah (DC) :
Perhatikan, disini ada baterai sebagai sumber tegangan, konduktor dan hambatan terhadap arus (resistan). Ini adalah rangkaian tertutup agar arus bisa mengalir.
Resistan adalah beban atau apa yang menjadi perlawanan untuk arus listrik. Resistan bisa berupa bola lampu, elemen pemanas atau tipikal beban resistif yang lain semisal Load cell.
Mari kita cermati. Pada hukum Ohm I = E/R; Jika kita naikkan tegangan baterai, maka arus juga akan meningkat karena secara langsung tegangan dan arus adalah proporsional. Demikian juga apabila kita menaikkan nilai resistan, maka arus juga akan mengalami peningkatan karena secara tidak langsung arus dan hambatan adalah proporsional.
1.5. Rangkaian Resistif Seri
Rangkaian seri terdiri atas sebuah sumber daya / baterai, satu atau lebih tahanan dan arus yang mengalir hanya satu arah.
Seperti terlihat pada rangkaian, sumber daya yang digunakan adalah 10V. Dengan dua resistan dan arus yang mengalir hanya satu path. Dapat dikatakan dalam rangkaian seri, arus yang mengalir adalah konstan/tetap. Arus yang kita ukur dimanapun didalam rangkaian adalah sama.
Pada rangkaian ini, total resistan (Rt) adalah jumlah dari semua resistan yang dipakai (RT = R1+R2….). Semua berjumlah 400Ω. Menggunakan Hukum Ohm, total arus yang mengalir dalam rangkaian adalah IT = ET:RT, IT = 10V:400Ω = 0.25 amper atau 25 miliampere(mA).Karena arus total sudah kita ketahui, maka arus yang mengalir pada R1 dan R2 (IR1,IR2). Arus yang mengalir dalam rangkaian adalah tetap sehingga IT = IR1 = IR2. Jumlah tegangan drop pada rangkaian sama dengan tegangan sumber yang dipakai. Berapa tegangan drop pada R1? Menggunakan Hukum Ohm, tegangan drop pada R1 (ER1) sama dengan arus yang mengalir di R1 (IR1) dikali resistan R1.
Pada rumus kita ketahui
ER1 = IR1 X R1
ER1 = 0.025A (100Ω) = 2.5 volts
ER2 = 0.025A (300Ω) = 7.5 volts
ET = ER1 + ER2
ET = 2.5V + 7.5V = 10V
Kita lihat pada contoh lain.
Barapakah ER1, ER2, ER3 ?
Pertama kita perlu menghitung arus total yang mengalir dalam rangkaian dengan Hukum Ohm, yang juga sama dengan arus yang mengalir pada setiap resistan:
IT = ET/RT
IT = 120V/6000Ω
IT = 20 mA
Telah diketahui juga bahwa RT = R1 + R2 + R3
Untuk mencari R3, bisa kita katakan R3 = RT – R1 – R2
R3 = 6KΩ - 2KΩ - 1KΩ
R3 = 3KΩ
Gunakan Hukum Ohm untuk mencari ER1, ER2, ER3…
ER1 = IR1 x R1
= 0.020A x 2000Ω
= 40V
ER2 = IR2 x R2
= 0.020A x 1000Ω
= 20V
ER3 = IR3 x R3
= 0.020A x 3000Ω
= 60V
4
1.5.1 Rangkaian Resistor Paralel
Rangkaian parallel terdiri atas satu sumber daya, lebih dari satu cabang aliran arus.
Teganga sumber pada rangkaian parallel sama di setiap cabang. Oleh sebab itu dapat dikatakan tegangan pada rangkaian parallel adalah konstan / tetap. Total arus pada rangkaian adalah penjumlahan arus disetiap cabang rangkaian.
Resistan total pada rangkaian parallel dihitung dengan mencari invert (1/x) dari invert setiap R.
Terlihat pada rumus sebagai berikut:
RT = 1
1/R1 + 1/R2...
Untuk rangkaian kita:
RT = 1
1/100 + 1/200
RT = 1
0.015
RT = 66.67Ω
Perhatikan bahwa total resistan lebih kecil dari pada nilai resistan terkecil. Untuk dua resistor parallel jumlah resistansinya dapat dihitung dengan rumus yang biasa disebut “Product Over the Sum.”
Terlihat sebagai berikut:
RT = (R1)(R2)
R1 + R2
RT = (100)(200)
100 + 200
RT = 20000
300
RT = 66.67Ω
Jika resistan parallel bernilai sama, nilai total resistan adalah nilai resistan dibagi jumlah resistan. Contohnya, jika ada 5, 100 ohm resistor parallel, total resistan nya adalah 100Ω/5 atau 20Ω.
Dengan Hukum Ohm, kita dapat menghitung arus total pada contoh rangkaian diatas.
IT = ET
RT
IT = 10V
66.67Ω
IT = 150 mA
Gunakan Hukum Ohm untuk mencari IR1 and IR2.
I R1 = E R1
R 1
= 10V
100Ω
= 100 mA
I R2 = E R2
R 2
= 10
200Ω
= 50 mA
Dengan menjumlahkan I R1 dan I R2 kita dapatkan total arus dalam rangkaian adalah 150 mA Sama seperti kita hitung memakai Hukum Ohm.
1.5.2. Rangkaian Seri-Paralel
Rangkaian seri-paralel setidaknya memiliki dua cabang paralel sebagai tambahan dari minimum satu resistor yang dilewati arus total.
Resistor yang dilalui arus total dinamakan resistor seri.
Berikut adalah contoh rangkaian seri-paralel.
Berapakah R T, I T, E R1, E R2, ER3 ?
Untuk mencari resistan total, carilah resistan equivalen terhadap R 2 dan R 3 yang di parallel
Req = 1
1/R2 + 1/R3
= 1
1/100 + 1/150
= 60Ω
Untuk mengetahui RT, tambahkan resistan seri. RT = R1 + Req
R T = 50Ω + 60Ω
R T = 110Ω
Untuk menghitung arus total dalam rangkaian, gunakan Hukum Ohm
I T = E T
R T
I T = 10V
110Ω
I T = 0.091A or 91mA
Karena arus total pada rangkaian melewati R1, bisa dikatakan IT =IR1. Dengan Hukum Ohm kita bisa hitung tegangan drop pada R1.
ER1` = I R1 x R 1
ER1 = 0.091A x (50Ω)
ER1 = 4.55 volts
Karena terjadi drop pada R 1 sebesar 4.55 Volt, sehingga tersisa 10V - 4.45V atau 5.45 volt yang mengalir melalui R2 dan R3. Dengan Hukum Ohm bisa diketahui arus yang mengalir melalui R2 dan R3 Arus total pada rangkaian akan terbagi dengan proporsional melalui R2 dan R3. Dengan kata lain total arus adalah jumlah dari tiap cabang arus IR2 and I R3.
IR2 = ER2
R2
= 5.45V
100Ω
= 0.0545A atau 54.5 mA
IR3 = ER3
R3
= 5.45V
150Ω
= 0.0363A atau 36.3 mA
IT = IR2 + IR3
IT = 54.5 mA + 36.3 mA
= 90.8 mA
Dengan pembulatan dari 90.8mA, menjadi 91mA seperti pada perhitungan sebelumnya.
Perhatikan bahwa rangkaian seri-paralel harus memiliki minimum satu komponen yang akan dilewati oleh arus total rangkaian.
Rangkaian berikut sering ditafsirkan sebagai rangkaian seri-paralel, padahal bukan.
Melihat definisi rangkaian seri-paralel, dapat diketahui total arus rangkaian tidak melalui komponen manapun sebelum cabang . Rangkaian tersebut adalah murni rangkaian parallel.
Untuk mengetahui arus yang mengalir melalui R1 + R2 kita perlu menambahkannya dengan resistan total dari setiap cabang 6KΩ.
Dengan Hukum Ohm, diketahui arus yang mengalir pada cabang R1 + R2.
IR1+R2= E R1+R2
R1+R2
= 6V
6,000Ω
= 1 mA
Untuk mengetahui arus yang melewati R3 + R4 tambahkan resistannya sehingga total 12KΩ. Gunakan Hukum Ohm untuk menghitung arus total:
I R3 +R4 = E R3 + R4
R3 + R4
= 6V
12,000Ω
= 0.5 mA or 500 μA
Arus total rangkaian adalah jumlah arus pada tiap cabang atau IT = IR3 + R4 + IR1 + R2 atau 1 mA + 0.5 mA = 1.5 mA.
Untuk menghitung resistan total, gunakan Hukum Ohm
RT = E T
I T
= 6V
0.0015A
= 4,000Ω or 4KΩ
Bisa juga kita hitung resistan total menggunakan rumus “reciprocal of the sum of the reciprocals” atau rumus “product
over the sum”. Kita ketahui resistan cabang R1 + R2 adalah 6.0KΩ dan resistan cabang R2 + R4 sebesar 12KΩ.
Dengan Hukum Ohm kita bisa ketahui tegangan drop di tiap resistan. Misalnya pada R1. Kita ketahui arus yang melalui R1sama dengan arus yang melalui R2 dan cabang rangkaian terdiri atas R1 + R2, karena resistan tersambung seri satu dan lainnya. untuk menghitung ER1 (tegangan drop di R1) pakailah Hukum Ohm, kalikan resistan R1 dengan arus yang melalui R1 (IR1).
ER1 = R 1 x I R1
= 1,500Ω x (0.001A)
= 1.5V
Hukum Ohm dapat dipakai juga untuk mencari tegangan drop pada setiap bagian dari rangkaian
Rangkaian tersebut adalah dasar dari Jembatan Wheatstone (Wheatstone bridge) yang juga dipakai dalam rangkaian inti dari Load Cell.
1.6. Ukuran Penghantar (konduktor)
Penghantar atau kawat memiliki hambatan bergantung pada diameternya. Semakin besar diameternya, semakin kecil hambatannya. Jika kita menarik kawat, diameter atau cross media nya berkurang sehingga hambatannya meningkat. Demikian juga sebaliknya. Jika di press atau ditekan, diameternya membesar sehingga hambatannya berkurang. Upaya menarik dan menekan ini memerlukan gaya, sehingga kawat bisa digunakan untuk pengukuran gaya tersebut. Konfigurasi tarik ulur kawat ini dikenal sebagai strain gauge.
1.7. Strain Gauge
Starin Gauge tersusun dari kawat yang sangat halus, yang dianyam secara berulang menyerupai kotak dan ditempelkan pada plastic atau kertas sebagai medianya. Kawat yang dipakai dari jenis tembaga lapis nikel berdiameter sekitar seper seribu (0.001) inchi. Kawat itu disusun bolak-balik untuk meng-efektifkan panjang kawat sebagai raksi terhadap tekanan/gaya yang mengenainya. Pada ujungnya dipasang terminal. Strain Gauge bisa dibuat sangat kecil, sampai ukuran 1/64 inchi. Untuk membuat Load Cell, Strain Gauge dilekatkan pada logam yang kuat sebagai bagian dari penerima beban (load receptor). Strain Gauge ini disusun sedemikian rupa membentuk Jembatan Wheatstone.
1.8. Jembatan Wheatstone (Wheatstone Bridge)
Rangkaian resistif yang dipakai untuk membuat Load Cell adalah Jembatan Wheatstone.
Catatan: Nilai semua resistor adalah sama. A adalah symbol untuk Ampere Meter
Ketika tegangan sumber tersambung ke rangkaian, arus yang mengalir pada cabang R1/R3 sama dengan arus yang mengalir pada R2/R4. Hal ini terjadi karena nilai semua resistor sama. Arus yang terukur pada Ampermeter adalah 0 karena tidak ada beda potensial pada titik 1 dan 2.
Ubahlah nilai resistor R1 dan R4 menjadi 350.5 ohm dan kurangi nilai resistor R2 dan R3 menjadi 349.5 ohm.
Seperti terlihat pada gambar, rangkaian menjadi tidak seimbang (Unbalanced). Arus yang melalui rangkaian terbagi 3 bagian.
- Bag.1: Dari terminal negatif baterai mengalir melalui R2 dan R4 kembali ke terminal positif baterai.
- Bag.2: Dari terminal negatif baterai mengalir melalui R1 dan R3 kembali ke terminal positif baterai.
- Bag.3: Dari terminal negatif baterai mengalir melalui R2, Ampere Meter, R3 dan kembali ke terminal positif baterai.
Perhatikan, ada arus yang mengalir melalui Ampere meter. Arus yang mengalir terjadi karena ada beda potensial antara titik 1 dan 2. Semakin besar beda potensial di titik tersebut, makin besar pula arus yang terukur di Ampere Meter.
1.9. Load Cell
Dari teori diatas, kita bisa menyusun load cell dengan metode Strain Gauge dan Jembatan Wheatstone. Dengan menggunakan sebuah kolom baja persegi, kita lekatkan Strain Gauge pada keempat sisinya. Panjang kolom akan berkurang ketika di sisi atas kolom diberikan beban. Kolom baja juga menjadi “gendut” atau gembung. Dua Strain Gauge yang terpasang berbalikan akan memberikan respon pada perubahan panjang kolom secara proporsional.
Dua Strain Gauge yang terletak di sisi yang lain merespon perubahan kolom saat mengalami keadaan “gendut/gembung”. Panjang pada sepasang Strain Gauge memendek, diameter kawatnya membesar dan hambatannya berkurang. Sementara sepasang yang lain jadi memanjang, diameter kawatnya mengecil dan hambatannya bertambah.
Jika posisi beban digantung pada bagian bawah kolom, kolom akan mengalami gaya tarik. Kolom dan Strain gauge akan merespon kebalikan dari respon diatas tetapi Strain Gauge tetap memanjang dan memendek dengan respon yang sama seperti respon diatas. Lihat gambar dibawah.
Strain Gauge kita sambung dengan konfigurasi Jembatan Wheatstone. Dan kita kalibrasi Amp Meter untuk membaca dalam “Kg” bukan dalam Ampere. Katakanlah kita buat seperti layaknya timbangan. Sebuah timbangan yang kasar dan tidak akurat. Percobaan ini dimaksudkan untuk mengetahui prinsip dasar Load Cell. Load Cell dibuat dalam berbagai bentuk dan konfigurasi. Strain Gauge dipakai untuk mendapatkan gambaran penuh.
2. Teori Kelistrikan Load Cell
Jembatan Wheatstone yang tersusun seperti gambar diatas merupakan diagram sederhana load cell. Resistor yang bertanda T1 dan T2 merupakan Strain Gauge yang menerima gaya tarik (Tension) saat load cell menerima beban. Sedangkan resistor yang bertanda C1 dan C2 adalah Strain Gauge yang menerima gaya tekan (Compression) ketika load cell dibebani.
Titik +In dan –In mengacu pada +Excitation(+Exc) dan –Excitation(-Exc). Melalui titik/terminal inilah tegangan sumber diberikan oleh Indikator timbangan digital. Pada umumnya, tegangan excitation bernilai 10VDC dan 15VDC bergantung pada indikator dan Load Cell yang dipakai. Titik +Out dan –Out mengacu pada +Signal(+Sig) dan –Signal(-Sig). Sinyal yang diperoleh Load Cell dikirim ke Indikator melalui signal input untuk selanjutnya diproses sebagai nilai berat dan ditampilkan di layar digital indikator.
Ketika Load Cell menerima beban, Strain Gauge C1 dan C2 mengalami gaya tekan. Kawatnya memendek dan diameternya membesar, sehingga nilai resistan C1 dan C2 membesar. Sebaliknya, Strain Gauge T1 dan T2 mengalami gaya tarik, kawatnya memanjang dan diameternya mengecil sehingga nilai resistan nya membesar. Perubahan nilai resistan ini menyebabkan arus yang melewati C1 dan C2 lebih besar dibanding arus yang lewat pada T1 dan T2. Dan terjadilah beda potensial pada titik output atau signal Load Cell.
Mari kita lihat arus yang mengalir pada Load Cell. Arus listrik di supply indicator melalui titik –In dan mengalir melalui C1, -Out dan kembali lagi ke Indikator. Dari indicator, arus mengalir melalui +Out, melewati C2 dan kembali ke Indikator dititik +In. Untuk mengetahui total arus yang mengalir, kita perlu mengukur arus internal pada rangkaian pembaca signal di Indikator. Tetapi karena Impedansi internal indicator sangatlah tinggi, arus yang mengalir menjadi sangat kecil dan kita bisa mengabaikannya.
Terdapat beda potensial antara –In dan +In, sehingga ada juga arus yang mengalir melewati –In, melalui T2 dan C2 kembali ke +In. Arus yang mengalir pada rangkaian sebagian besar berada pada sisi parallel ini. Resistor yang terpasang seri berfungsi sebagai kompensasi Load Cell terhadap temperatur, Zero dan linearitas.
Selanjutnya kita lihat dalam aturan matematis untuk membantu anda memahami kondisi Load Cell saat seimbang dan tidak seimbang.
Gantilah Ammeter dengan Voltmeter sebagai pengganti display Indikator, sambungkan pada titik +Sig dan –Sig, yang melambangkan signal positif dan negatif. Baterai bertegangan 10V melambangkan supply tegangan dari indicator yang akan membuat Load cell bekerja. Resistorr yang ada melambangkan Strain Gauge sebagai pengganti Load Cell.
Resistansi semua Strain Gauge tetap sama selama tidak ada beban yang diterima Load Cell.Tegangan drop pada titik 1 dan 2 bisa kita hitung menggunakan Hukum Ohm. Setiap cabang mempunyai resistan 350Ω + 350Ω = 700Ω. Arus yang mengalir tiap cabang adalah tegangan ditiap cabang dibagi resistan setiap cabang.
IR1 + R2 = ER1 + R2 IR3 + R4= ER3 + R4
R1 + R2 R3 + R4
= 10V = 10V
700Ω 700Ω
= 14.3 mA = 14.3 mA
Untuk menghitung tegangan pada titik 1, gunakan Hukum Ohm
ER3 = IR3R3
= 14.3mA x 350Ohm
= 5V
Tegangan pada titik 2 juga 5Volt karena semua resistornya sama. Tidak ada beda potensial antara titik 1 dan 2, dan inilah kondisi dimana Indikator kita menunjukkan Nola tau Zero.
Sekarang, berikan beban pada load cell sehingga R1 dan R4 mengalami gaya tarik dan resistan nya membesar, sedangkan R2 dan R3 mengalami gaya tekan sehingga resistan nya mengecil, seperti terlihat pada gambar berikut.
Catatan: Resistan total setiap cabang tetap 700Ω sehingga arus yang mengalir disetiap cabang tetap 14.3mA
Dalam kondisi demikian, terjadi beda potensial antara titik 1 dan 2 dan tertampil pada voltmeter/indicator.
Mari kita hitung besarnya beda potensial tersebut. Untuk mengukur tegangan di titik1, ukurlah terlebih dahulu tegangan drop pada R3. Sebagaimana kita ketahui, arus yang melewati R3 adalah 14.3mA.
ER3 = IR3(R3)
= 0.0143A(349.5Ω)
= 4.9979V
Dan untuk mengetahui tegangan dititik 2, hitunglah dahulu tegangan drop pada R1. Ingat, arus yang melewati R1 adalah 14.3mA.
ER1 = IR1(R1)
= 0.0143A(350.5Ω)
= 5.0122V
Beda potensial pada titik 1 dan 2 adalah selisih ER3 dan ER1 yaitu 0.143V atau 14.3mV
Disini terlihat rangkaian menjadi tidak seimbang dan terjadi beda potensial pada rangkaian sebesar 14.3mV. Indikator dikalibrasi sedemikian rupa sehingga sedikit perubahan pada milivolt akan diterjemahkan perubahan pembacaan pada pengukuran berat.
Seperti yang pernah kita bahas, semestinya Indikator akan memakan arus, tetapi karena tingginya resistan internal Indikator, kita bisa mengabaikannya dan hal ini tidak mempengaruhi kinerja Load Cell.
3. Ketentuan/Aturan Dasar Loadcell
Dalam penentuan suatu loadcell sebaiknya diketuahui dahulu type, kapasitas serta support atau dudukan loadcell di lapangan. Berikut ini dapat dijadikan acuan dasar dan tambahan dalam memposisikan suatu loadcell dilapangan.
3.1. Sambungan/Pengawatan
Pada umumnya, kabel pada Load Cell berjumlah empat atau enam kabel. Untuk enam kabel Load Cell, disamping mempunyai – dan + Signal maupun – dan + Excitation juga memiliki jalur - dan + sense. Jalur sense ini tersambung pada jalur sense Indikator yang berfungsi memonitor tegangan actual pada Load Cell, dan mengirim balik ke Indikator untuk dianalisa apakah perlu menambah atau menguatkan signal yang dikirim balik sebagai kompensasi daya pada load cell.
Untuk membantu agar pemasangannya tepat, kabel Load Cell memiliki kode warna tertentu. Data sheet kalibrasi setiap Load Cell akan menyertakan juga kode warna untuk penyambungan Load Cell.
3.2. Data Kalibrasi
Setiap Load Cell dilengkapi dengan data kalibrasi atau sertifikat kalibrasi sebagai informasi tentang Load Cell yang bersangkutan. Setiap data sheet harus cocok dengan nomor seri, nomor model dan kapasitas. Informasi yang lain berupa karakteristik dalam mV/V, tegangan Excitasi, non-linearity, hysteresis, zero balance, input resistance, output resistance, efek temperature pada output dan zero balance, insulation resistance dan cable length. Kode warna untuk penyambungan juga disertakan.
3.3. Output
Hasil pengukuran load Cell selain ditentukan oleh besarnya beban, juga ditentukan oleh besarnya tegangan Eksitasi, dan karakteristik (mV/V) Load Cell itu sendiri. Salahsatu karakteristik load Cell yaitu 3mV/V. Yang berarti setiap satu volt tegangan Excitasi, pada saat Load Cell dibebani maksimal akan mengeluarkan signal sebesar 3mV. Jika beban 100Kg diberikan pada Load Cell kapasitas 100Kg dengan tegangan Excitasi 10V, maka signal yang terkirim dari Load Cell tersebut adalah sebesar 30mV. Demikian juga apabila dibebani 50Kg dengan tegangan Excitasi tetap 10V, karena 50 Kg adalah setengah dari 100Kg maka keluaran Load Cell menjadi 15mV.
Berikut salah satu contoh Sertifikat kalibrasi Load Cell buatan RICE LAKE WEIGHING SYSTEM-USA
3.4. Istilah didalam Loadcell Load Cell merupakan peralatan elektro-mekanik yang bisa disebut Transduser, dengan kemampuannya merubah gaya mekanik menjadi signal elektrik. Load cell memiliki bermacam-macam karakteristik yang bisa diukur, tergantng pada jenis logam yang dipakai, bentuk load Cell, dan ketahanan dari lingkungan sekitar. Untuk memilih Load Cell yang sesuai dengan kebutuhan Anda, berikut beberapa Terminologi / daftar istilah tentang Load Cell
CALIBRATION : Membandingkan output/signal Load Cell dengan beban standar
Combined Error : Penyimpangan maksimum –jika ditarik garis lurus- diukur pada saat tanpa beban sampai ketika diberikan beban maksimal dan sebaliknya saat beban maksimal sampai pada keadaan tanpa beban. pengukuran dinyatakan dalam persen terhadap kapasitas maksimal. Biasa disebut juga Nonlinearity dan hysteresis.
CREEP : Perubahan signal keluaran Load cell selama pembebanan tidak berubah, dan tidak ada perubahan lingkungan sekitar.
CREEP RECOVERY : Perubahan pengukuran kondisi tanpa beban, setelah beberapa waktu diberikan beban dan kemudian beban dihilangkan.
DRIFT : Perubahan nilai pengukuran saat diberikan beban konsatan
ECCENTRIC LOAD : Pembebanan pada area timbangan tapi tidak tepat di titik antar load cell
ERROR : Perbedaan pengukuran dengan beban yang sesungguhnya.
EXCITATION : Tegangan input yang diberikan agar Load Cell bekerja. Pada umumnya Load cell membutuhkan tegangan excitation 10VDC, tetapi ada juga yang memerlukan 15, 20 dan 25VDC dan ada yang bisa bekerja pada arus AC dan DC.
HYSTERESIS : Penyimpangan maksimum hasil pengukuran dengan beban yang sama. Satu pengukuran dari nol sampai maksimum, pengukuran yang lain dari maksimum sampai nol. Pengukuran Histerisis dinyatakan dalam persen terhadap kapasitas maksimum (%FS). Biasanya Histeresis selalu bernilai 0.02%, 0.03%FS dan 0.05%FS
INPUT BRIDGE RESISTANCE : Resistansi Input daripada Load Cell. Diukur dengan Ohmmeter antara dua titik Input atau Excitasi. Biasanya selalu lebih besar dari resistansi Output/Signal karena adanya resistor kompensasi pada jalur Excitasi.
INSULATION RESISTANCE : Pengukuran resistan antara sirkuit load cell dengan strukturnya. Pengukuran dilakukan dengan tegangan DC.
NON-LINEARITY : Penyimpangan maksimum pada grafik hasil kalibrasi terhadap garis lurus (ideal) antara tanpa beban dan beban penuh. Dinyatakan dengan persentase terhadap pengukuran pada kapasitas maksimum, hanya diukur dari nol sampai maksimum. Umumnya Non-linearity sebesar 0.02%FS dan 0.03%FS.
OUTPUT : Signal hasil pengukuran Load cell yang secara langsung proporsional terhadap tegangan exsitasi dan beban yang diterima. Signal ini harus sesuai terminology/ketentuan umum misalnya dalam milivolt per volt(mV/V) atau volt ampere (V/A).
OUTPUT BRIDGE RESISTANCE : Resistansi output Load cell, diukur pada titik output atau signal, umumnya sebesar 350Ω, 480 Ω, 700 Ω, 750 Ω dan 1000 Ω.
RATED OUTPUT : interval pengukuran dari nol sampai kapasitas maksimum.
REPEATABILITY : Selisih pengukuran maksimum saat load Cell dibebani dengan beban yang sama secara berulang-ulang dengan kondisi lingkungan tetap.
RESOLUTION : Perubahan pengukuran terkecil yang terdeteksi karena perubahan secara mekanik akibat pembebanan.
SAFE OVERLOAD RATING : Pembebanan maksimum dalam persen terhadap kapasitas maksimal yang bisa diterapkan tanpa merubah performa dan karakteristik yang telah ditetapkan sebelumnya. Biasanya sebesar 150%FS.
SENSITIFITY : perbandingan perubahan pengukuran terhadap perubahan mekanik karena pembebanan.
SCHOCK LOAD : Pembebanan yang diterima secara tiba-tiba yang bisa merusak Load Cell.
SIDE LOAD : Pembebanan dari sisi samping yang seharusnya dari ata atau dari bawah load cell.
TEMPERATURE EFFECT ON RATED OUTPUT : Perubahan output maksimum karena perubahan temperatur sekitar. Umumya dinyatakan sebagai persentase output maksimum karena perubahan suhu setiap 100ºF.
TEMPERATURE EFFECT ON ZERO BALANCE : perubahan nilai nol/zero karena perubahan suhu sekitar setiap 100 ºF. Dinyatakan sebagai persentase Zero balance terhadap output maksimum.
COMPENSATED TEMPERATURE RANGE : Temperatur maksimum yang diperbolehkan dimana Load Cell masih bisa meng-kompensasi terhadap zero dan output maksimal dalam batas tertentu.
TOLERANCE : Kesalahan maksimum yang masih diperbolehkan pada pengukuran Load cell.
ULTIMATE OVERLOAD RATING : pembebanan maksimum yang diperbolehkan, dalam persen terhadap kapasitas maksimal tanpa menyebabkan kerusakan struktur Load Cell.
ZERO BALANCE : Signal output Load cell pada exitasi maksimal dengan kondisi tanpa beban, dinyatakan dalam persentase terhadap output maksimum.
4. Load Cell Troubleshooting
Kerusakan Load Cell terjadi dalam berbagai kondisi dan berbagai penyebab, seperti mekanikal, electrical, atau lingkungan sekitar. Pembahasan kita kali ini tentang penyebab, pengecekan fisik dan kelistrikan Load cell. Kebanyakan load Cell rusak karena kesalahan pemakaian dan hal yang sejenisnya.
4.1. Permasalahan Mekanik
Kerusakan load cell bisa secara fisik atau mekanik. Jika pemilihan load cell pada timbangan terlalu kecil, beban yang berlebihan membuat load cell melewati batas elastisnya dan tidak kembali ke kondisi awalnya, sehingga strain gauge seolah terkunci pada kondisi tension atau compression. Perlu diperhatikan, total berat struktur timbangan (platform, hopper, vessel) dan material yang akan ditimbang. Demikian juga jumlah support mempunyai peran penting dalam distribusi beban. Umumnya, total berat struktur timbangan terbagi merata melalui tiap supportnya.
Beban kejut juga merupakan penyebab kerusakan load cell. Beban kejut ialah sewaktu beban dengan tiba-tiba menimpa timbangan, sehingga menyebabkan load cell terdistorsi secara permanen. Amatilah saat operator memuati timbangan. Jika ugal-ugalan sehingga terjadi beban kejut, operator membutuhkan training operasi timbangan yang benar, atau kapasitas timbangan perlu diperbesar. Tetapi perlu diperhatikan, pemilihan kapasitas load cell yang terlalu besar juga berpengaruh pada kepekaannya, dan bisa jadi dibawah nilai minimum pembacaan indicator. Selain itu, pembebanan sisi/samping juga berpengaruh pada keakuratan timbangan disamping bisa merusak timbangan itu sendiri.
4.2. Kondisi Lingkungan
Pada umumnya Load Cell memiliki kemampuan kompensasi untuk bekerja pada temperatur tertentu, biasanya 0º sampai 150ºF. Walaupun Load Cell masih bisa bekerja diluat batasan ini, tetapi sertifikat kalibrasi yang dimiliki load cell menjadi tidak valid.
Musuh utama Load Cell adalah kelembaban. Bisa mengakibatkan load cell mati, terlihat overload bahkan drifting terus-menerus sehingga timbangan error. Kelembaban masuk ke load cell bisa melalui tekanan ekstrim atau kabel yang terkelupas. Jika load cell ber isolasi kurang bagus dipakai pada lingkungan basah, air bisa masuk kedalam Load Cell.
Load cell bisa mengalami korosi/karat jika terkena bahan kimia. Korosi bisa merusak strain gauge jika material pelindungnya kurang baik. Load cell stain less steel bisa menghindari korosi, tapi tidak menjamin kelembaban tidak masuk kedalam. Tetapi beberapa bahan kimia semacam klorin tetap bisa membuat stainless steel korosi.
4.3. Pengecekan Fisik
Langkah awal dalam truble shooting load cell adalah pemeriksaan body load cell terhadap kemungkinan distorsi, retak atau bergelombang. Hasil pengelasan harus bebas dari pecah, atau bercelah. Amati kabel Load cell pada kemungkinan lecet, terkelupas atau terjepit. Kelembaban amat rawan pada kabel yang terkelupas danbisa membuat pembacaan load Cell tidak stabil.
4.4. Zero Balance
Seperti kita ketahui, Zero Balance adalah kondisi output Load cell pada exsitasi maximum load cell tanpa beban, yang dinyatakan dalam persentase terhadap output maksimum. Perbahan Zero balance terjadi jika Load Cell pernah mengalami overload.
Pada load cell tanpa beban dan terhubung ke indicator, gunakan milivoltmeter untuk mengukur tegangan output load cell. Dengan 10V exsitasi, load cell berkarakteristik 3mV/V akan mengeluarkan signal output sebesar 30mV pada kapasitas maksimum. Tanpa dibebani, dengan toleransi 1% load cell akan mengeluarkan tegangan 0.3mV atau 300µV (0.01 x 3 mV = 0.3 mV). Load cell menjadi afkir jika zero toleran sudah melewati batas 1%.
Cara lain untuk pengecekan dengan membandingkan pengukuran separuh bridge dengan separuh yang lain. Gunakan cara berikut dengan load cell yang tidak tersambung ke indicator.
Satukan kedua ujung kabel signal, seperti gambar dibawah
- Ukur dan catatlah besar tahanan antara ujung signal dengan ujung –Exc (pengukuran resistor parallel R1/R3 seri dengan resistor kompensasi di -Exc)
- Ukur dan catatlah besar tahanan antara ujung signal dengan ujung +Exc (pengukuran resistor parallel R2/R4 seri dengan resistor kompensasi di +Exc)
- Perbedaan pada kedua pengukuran diatas harus 0 ohm.
4.5. Bridge Resistance
Tahanan input load cell bisa diukur dengan Ohmmeter antara ujung –Exc dan ujung +Exc. Tahanan output load cell diukur dengan ohmmeter antara ujung –Sig dan ujung +Sig. Hasil pengukuran harus sesuai dengan data sheet load cell atau dalam toleransi 1%.
Lakukan juga pengukuran pada poin-poin berikut:
+Exc to +Sig +Exc to –Sig
-Exc to +Sig -Exc to –Sig
Pengukuran disemua titik diatas haruslah sama. Jika ada yang beda berarti load cell rusak. Berikut beberapa pengukuran tahanan load cell dan bisa terlihat perbedaan mana yang masih berfungsi dan mana yang sudah rusak.
Pada contoh A, tahanan input (-Exc to +Exc) sebesar 410Ω, yaitu penjumlahan atara resistor 350 Ω dan resistor ekivalen di jalur exsitasi. Tahanan output 350 Ω dan semua sama dan inilah load cell yang masih berfungsi. Dari mana angka 292 Ω didapat? Kita tahu keempat resistor bernilai 350 Ω, berikut gambaran rangkaian saat kita mengukur ujung –Exc ke ujung –Sig
Sederhanakan rangkaian tersebut, R2,R3 dan R4 terhubung seri begitu juga antara R7 dan kombinasi R ekivalen R5/R6. Mari jumlahkan dan sederhanakan rangkaian seperti gambar dibawah
Resistor 350 Ω dan 1050 Ω terhubung parallel. Untuk menghitung ekivalen nya, gunakan rumus berikut
RT = R1R2
R1 + R2
= 350 (1050)
350 + 1050
= 367500
1400
= 262 Ω
Kemudian tambahkan resistor 30 Ω (yang tersambung seri) sehingga totalnya menjadi 292 Ω. Resistor yang lain dihitung dengan cara yang sama.
Pada contoh B, pembacan +Exc to +Sig dan +Exc to –Sig sama dengan pembacaan pada –Exc to +Sig dan –Exc to –Sig. Walaupun ada sedikit beda pembacaan, tetapi dikedua sisi resistor tetap seimbang. Load cell ini normal dan masih berfungsi dengan baik.
Pada contoh C, pembacaan +Exc to +Sig dan +Exc to –Sig ada perbedaan demikian pula pada pembacaan –Exc to +Sig dan –Exc to –Sig. Load cell ini rusak, mungkin karena ada pembebanan lebih sehingga tidak bisa kembali seperti semula.
Pada contoh D, didapat pengukuran terbuka/takterhingga setiap kali diukur pada ujung –Sig. Bisa dikatakan ujung –Sig putus atau tidak terhubung ke rangkaian. Kemungkinan masih bisa diperbaiki, walaupun dengan ongkos yang teramat mahal.
Pada contoh E, terdapat pengukuran resistan yang amat besar. Permasalahan ada pada salah satu gauge yang tak terhubung dalam hal ini R2.
Pengukuran –Sig to +Sig terlihat seperti gambar berikut(dengan R2 tak terhubung)
Resistansi total 700 Ω(R1+R3)
Pengukuran –Exc to +Ext :
Karena R2 terbuka, bagian ini tidak bisa kita ukur. Pembacaan 760 Ω adalah total semua resistor kecuali R1 dan R2
Pengukuran +Exc to +Sig:
Karena R2 terbuka/tak terhubung,
RT=R10 + R8/R9 + R4
RT=10 Ω + 20 Ω + 350 Ω
RT=380 Ω
Pengukuran –Exc to +Sig:
Karena R2 terbuka/tak terhubung,
RT=R7 + R5/R6 + R3
RT=10 Ω + 20 Ω + 350 Ω
RT=380 Ω
Pengukuran –Exc to –Sig
Karena R2 terbuka/tak terhubung,
RT=R7 + R5/R6 + R1
RT=10 Ω + 20 Ω + 350 Ω
RT=380 Ω
Pengukuran +Exc to –Sig:
Karena R2 terbuka/tak terhubung,
RT=R10 + R8/R9 + R4 + R3 + R1
RT=10 Ω + 20 Ω + 350 Ω +350 Ω + 350 Ω
RT=1080 Ω
Kapanpun Anda melakukan pengukuran resistor, buatlah gambar skema untuk mengetahui resistor manakah yang sedang diukur.
Kita boleh tidak tahu nilai kompensasi resistor, tapi bukan halangan untuk memeriksa kondisi Load Cell. Perlu diingat:
- Pembacaan +Sig to –Sig adalah output resistan bridge dan selalu tidak lebih dari 1% resistansi maksimum (biasanya 350 Ω, 700 Ω atau 1000 Ω)
- Pembacaan +Exc to –Exc bisa dipastikan lebih besar dari pembacaan output resistan karena adanya resistor kompensasi yang terpasang seri di titik exitasi. Lihat data sheet untuk nilai resistan yang semestinya.
- Pembacaan pada –Exc to –Sig dan –Exc to +Sig harus sama dengan pembacaan pada +Exc to +Sig dan +Exc to –Sig
4.6. Resistance to Ground
Tahanan bodi atau kebocoran listrik selalu disebabkan load cell atau kabelnya terkontaminasi air. Ciri-ciri termudah yaitu pembacaan yang tidak stabil. Pembacaan resistan antara semua ujung kabel yang disatukan dengan body/badan load cell minimum 1000 megaohm atau lebih dan hanya bisa diukur menggunakan megaohmmeter atau megger. Agar load cell tidak rusak saat diukur, tegangan dari megger tidak boleh lebih dari 50Volt. Jika pengetesan ini tidak berhasil, lepaskan kabel ground dari kabel load cell yang disatukan. Jika hal ini menunjukkan hasil bagus, maka ada permasalahan pada isolasi terhadap bodi load cell.
Konfigurasi Jembatan Wheatstone pada Load cell mampu merasakan kebocoran antara ujung signal ke ground. Kebocoran sebesar satu megaohm saja bisa mengakibatkan gangguan pada nilai zero. Kebocoran tahanan bodi ini tidak mempengaruhi kalibrasi indicator, hanya saja pembacaan indicator menjadi tidak stabil karena kebocoran tahanan bodi selalu berubah-ubah.
5. Kesimpulan
Jangan pernah memotong kabel load cell yang sudah ada. Data sheet Load cell diambil dengan panjang kabel tertentu. Jika panjang kabel berkurang dikhawatirkan akan mempengaruhi keabsahan data sheet.
Semoga bermanfaat...
QUISIONER
1. Sebutkan pengertian dari loadcell.
2. Jelaskan yang dimaksud dengan Staingauge sebagai dasar pembuatan loadcell.
3. Dalam ketentuan atau aturan dasar loadcell ada 3 hal dasar yaitu sambungan pengawatan, data kalibrasi dan output. Jelaaskan 3 hal diatas dengan singkat.
