TEORI KELISTRIKAN LOAD CELL

[untuk artikel sebelumnya  silahkan anda lihat di sini atau disini]

7. 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 menglir 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.  

8. 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.

9. 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-linearityhysteresis, zero balance, input resistance, output resistance, efek temperature  pada output dan zero balance, insulation resistance dan cable length. Kode warna untuk penyambungan juga disertakan.

10. 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


    [Bersambung..]