6. ALAT UKUR DAN PENGUKURAN

 DASAR TEORI  PEMAHAMAN  

ALAT UKUR DAN PENGUKURAN

~~~~~~~~~~~~~

  KLASIFIKASI ALAT UKUR LISTRIK

   A. Klasifikasi Alat Ukur Listrik Berdasarkan Sistem Kerjanya

                   Berdasarkan sistem kerjanya alat ukur listrik dapat digolongkan menjadi tiga, yaitu alat ukur penunjuk (Indicating Instruments), alat ukur pencatat (Recording Instruments), dan alat ukur penjumlah (Integrating Instruments).

      1.Alat Ukur Penunjuk (Indicating Instruments)

                     Alat ukur penunjuk adalah alat ukur yang langsung menunjukkan besaran yang diukur, biasanya menggunakan jarum penunjuk. Tetapi sekarang ada pula yang tidak menggunakan jarum penunjuk yaitu alat ukur digital. Banyak alat ukur yang termasuk kategori ini, misalnya Voltmeter, Amperemeter.

      2.Alat Ukur Pencatat (Recording Instruments)

                     Alat Ukur Pencatat adalah alat ukur yang mencatat secara terus menerus besaran yang diukur selama periode waktu yang ditentukan. Pada alat ini terdapat pena dan gulungan kertas yang berputar. Pena tersebut akan bergerak sebanding dengan besaran listrik yang diukur sehingga perubahannya tercatat secara kontinyu. Sebagai contoh adalah recording voltmeter yang terdapat pada gardu induk yang mencatat fluktuasi tegangan yang terjadi. 

     
     3.Alat Ukur Penjumlah (Integrating Instruments)
                   Alat ukur penjumlah adalah alat ukur yang mengukur jumlah total energi listrik yang  dikonsumsi oleh suatu rangkaian dalam periode waktu tertentu. Energi yang diukur ini sebenarnya merupakan perkalian antara daya aktif dengan waktu. Kilo Watt Hour meter (kWh meter) merupakan contoh dari alat ukur jenis ini.

   B. Klasifikasi alat ukur listrik berdasarkan prinsip kerja

          Menurut prinsip kerja dan konstruksi dari pada alat ukur listrik dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
      1. Alat ukur kumparan putar magnet permanen (PMMC).
      2. Alat ukur besi putar.
      3. Alat ukur elektro dinamis.
      4. Alat ukur elektro statis.
      5. Alat ukur induksi.
      6. Alat ukur berdasarkan efek panas.

      1. Alat ukur kumparan putar

                       Alat ukur kumparan putar adalah alat pengukur yang bekerja atas dasar adanya suatu kumparan listrik, yang ditempatkan pada medan magnet, yang berasal dari suatu magnet pemanen. Alat ukur jenis ini tidak terpengaruh magnet luar, karena telah memiliki medan magnet yang kuat terbuat dari logam alnico yang berbentuk U. Arus yang dialirkan melalui kumparan akan menyebabakan kumparan tersebut berputar. Alat ukur kumparan putar adalah alat ukur yang dipakai untuk arus searah.

                                                                                                                                                                                                               

                                           Gambar. Prinsip Kerja Alat Ukur Kumparan Putar

                 
                   Alat ukur ini konstruksinya terdiri dari sebuah kumparan (coil) yang dapat bergerak atau berputar bebas yang ditempatkan dalam medan magnet permanen. Jarum penunjuk diletakkan pada kumparan putarnya. Konstruksi alat ukur kumparan putar terdiri dari permanen magnet, kumparan putar dengan inti besi bulat, jarum penunjuk terikat dengan poros dan inti besi putar, skala linear, dan pegas spiral rambut, serta pengatur posisi nol (Gambar 8.13). Torsi yang dihasilkan dari interaksi elektromagnetik sesuai persamaan :

                    Dari persamaan di atas, komponen B, A dan N adalah konstan, sehingga torsi berbanding lurus dengan arus mengalir ke kumparan putar. Data alat ukur kumparan putar dengan dimensi 31/2 in, arus 1 mA, simpangan skala penuh 100 derajat memiliki A : 1,72 cm2, B : 2.000 G(0,2 Wb/m2, N: 84 lilit, T : 2,92 × 10–6 Nm R kumparan putar: 88Ω, disipasi daya: 88 μW. 
   Untuk pengukuran listrik AC alat ukur kumparan putar ditambahkan komponen tambahan, yaitu diode bridge sebagai penyearah AC ke DC.

         Gambar. Meter kumparan putar dengan diode penyearah

                      Tahanan seri RV untuk mendrop tegangan sehingga batas ukur dan skala pukuran sesuai. Sehingga tahanan total RT = RV + R. Multimeter menggunakan kumparan putar sebagai penggerak jarum penunjuknya.

2. Alat ukur besi putar

               Alat ukur dengan prinsip kerja besi putar atau disebut juga sistem elektromagnet adalah sesuatu alat ukur yang mempunyai kumparan tetap dan besi yang berputar. Konstruksi dari alat ukur ini terdiri dari kumparan tetap dan sepasang besi lunak mudah mengalami demagnetisasi, besi lunak tersebut ditempatkan dalam ruang antara kumparan tetap dimana besi lunak yang satu ditempatkan menempel dengan kumparan tetap sedang besi lunak yang lain berhubungan dengan sumbu as dari jarum penunjuk sehingga dapat berputar/bergerak bebas.

Gambar. Prinsip kerja besi putar

     Cara kerja :
                    Bila ada arus yang mengalir pada kumparan maka ruangan tersebut akan ada medan magnet yang mengakibatkan kedua besi lunak tersebut demagnetisasi dan bersifat sebagai magnet permanen. Pasangan besi lunak tersebut mempunyai sepasang kutub yang sama sehingga kutubkutub yang sejenis akan tolak menolak dan besarnya penyimpangan tergantung dari besarnya arus yang lewat pada kumparan.

      Alat ukur jenis besi putar mempunyai karakteristik sebagai berikut:
      - Dapat digunakan untuk pengukuran arus searah maupun bolak balik.

      - Mempunyai ketelitian yang rendah.
- Untuk mengukur arus yang sedang dan besar.
- Sederhana dan kuat dalam konstruksi

      3. Alat ukur elektrodinamik
                Konstruksi terdiri dari kumparan putar dan kumparan tetap, medan magnet dibangkitkan oleh kumparan tetap yang mempunyai bagian dua gulungan yang dipasang pararel satu sama lain sedang rangkaian elektrisnya dari kedua kumparan tersebut terhubung seri atau pararel.

  Gambar Disamping. Prinsip kerja elektrodinamik

                     Alat ukur elektrode memiliki dua jenis belitan kawat, yaitu belitan kawat arus yang dipasang, dan belitan kawat tegangan sebagai kumparan putar terhubung dengan poros dan jarum penunjuk. Interaksi medan magnet belitan arus dan belitan tegangan menghasilkan sudut penyimpangan jarum penunjuk sebanding dengan daya yang dipakai beban:

       P = V · I · cos θ
      Alat ukur elektrodinamik memiliki karakterustik sebagai berikut:

      - Dapat digunakan pada pengukuran arus listrik bolak-balik maupun searah
- Mempunyai ketelitian yang tinggi
- Pemakaian dayanya tinggi
- Biasa digunakan pada Wattmeter

4. Alat ukur elektrostatis
             Alat ukur ini bekerja atas dasar gaya elektrostatis sebagai akibat interaksi antara dua elektroda yang mempunyai beda potensial.

Gambar. Prinsip kerja elektrostatis

      Cara kerja :
                  Bila tegangan yang akan diukur ditempatkan diantara elektroda tetap dan elektroda berputar maka pada elektroda putar akan mendapatkan momen putar yang sebanding dengan V2 elektroda ini dibuat sedemikian sehingga didapatkan skala rata. Momen yang menyebabkan elektroda putar bergerak didapat dari medan elektrostatis yang terjadi diantara kedua keping elektroda yang berttindak sebagai kondensator. Alat ukur ini untuk mengukur tegangan yang tinggi.

      5. Alat ukur Induksi
              Alat ukur ini terdiri dari piringan logam yang dapat berputar pada porosnya dan dua buah kumparan tetap. Alat ukur induksi memiliki sistem perputaran sederhana dan kokoh. Disamping itu,mudah untuk dibuat sebagai alat ukur sengan sudut penunjukkan yang lebar.

      Gambar Disamping. Prinsip kerja induksi.

     Cara Kerja :
Bila kumparan induksi dilalui arus maka akan timbul medan magnet bolak-balik sehingga menimbulkan arus putar pada piringan logam dan akan membangkitkan pula medan magnet sehingga interkasi kedua medan magnet ini akan menimbulkan momen putar/gerak pada piringan logam.

     Alat ukur jenis induksi mempunyai karakteristik sebagai berikut:
- Mempunyai konstruksi yang sederhana dan kokoh
- Mudah dibuat dengan skala pembacaan yang lebar
- Tidak terlalu berpengaruh oleh medan magnet luar
- Menyerap daya yang besar
- Hanya dapat digunakan pada pengukuran arus bolak-balik

6. Alat ukur kawat panas

      Alat ukur kawat panas ini terdiri dari sebuah kawat lurus yang panjang yang terdiri dari campuran logam platina dan iridium, yang bekerja dengan memanfaatkan konsep pemuaian.

      Cara kerja :

                    Jika sepotong kawat logam dialiri arus listrik yang cukup besar, kawat tersebut akan menjadi panas, oleh sebab itu akan memuai (menjadi lebih panjang). Pemuaian tersebut digunakan untuk mengerakkan jarum petunjuk.             Pada gambar berikut terlihat sepotong kawat logam campuran dari logam platina dan iridium yang direntangkan pada A-B, pada waktu tidak ada arus (i = 0) jarum petunjuk tepat di angka 0. 

                      Jika kita alirkan arus searah dari A ke B sehingga kawat A – B menjadi memuai dan lebih panjang, ternyata jarum tidak menunjuk 0, tetapi menyimpang kearah kanan. Hal ini disebabkan karena kawat A – B menjadi lebih panjang dan ditarik oleh pegas sehingga memutar poros jarum. Baik arus searah tersebut mengalir dari A – B maupun dari B ke A jarum tetap menyimpang kearah kanan.

C.Klasifikasi Alat Ukur Berdasarkan Sistem Pengukuran

      1. Alat Ukur Analog
                 Alat ukur listrik analog merupakan alat ukur generasi awal dan sampai saat ini masih digunakan. Bagiannya banyak komponen listrik dan mekanik yang saling berhubungan. Bagian listrik yang penting adalah, magnet permanen, tahanan meter, dan kumparan putar. Bagian mekanik meliputi jarum penunjuk, skala dan sekrup pengatur jarum penunjuk.

   Gambar Disamping. Komponen alat ukur listrik analog

           Mekanik pengatur jarum penunjuk merupakan dudukan poros kumparan putar yang diatur kekencangannya (Gambar 3.9). Jika terlalu kencang jarum akan terhambat, jika terlalu kendor jarum akan mudah goncang. Pengaturan jarum penunjuk sekaligus untuk memposisikan jarum pada skala nol meter.

    

      Gambar. Dudukan poros jarum penunjuk

Alat ukur analog memiliki komponen putar yang akan bereaksi begitu mendapat sinyal listrik. Cara bereaksi jarum penunjuk ada yang menyimpang dulu baru menunjukkan angka pengukuran. Atau jarum penunjuk bergerak ke angka penunjukan perlahan-lahan tanpa ada penyimpangan. Untuk itu digunakan peredam mekanik berupa pegas yang terpasang pada poros jarum atau bilah sebagai penahan gerakan jarum berupa bilah dalam ruang udara (Gambar3.10). Pada meter dengan kelas industri baik dari jenis kumparan putar maupun jenis besi putar seperti meter yang dipasang pada panel meter banyak dipakai peredam jenis pegas.

    Gambar Disamping. Pola penyimpangan jarum meter analog

     Bentuk skala memanjang saat kini jarang ditemukan. Bentuk skala melingkar dan skala kuadran banyak dipakai untuk alat ukur voltmeter dan ampermeter pada panel meter.

     

       

Gambar. Jenis skala meter analog

      2. Alat Ukur Digital
Alat ukur digital saat sekarang banyak dipakai dengan berbagai kelebihannya, murah, mudah dioperaikan, dan praktis. Multimeter digital mampu menampilkan beberapa pengukuran untuk arus miliamper, temperatur °C, tegangan milivolt, resistansi ohm, frekuensi Hz, daya listrik mW sampai kapasitansi nF.

      Gambar. Tampilan penunjukan digital

                Pada dasarnya data /informasi yang akan diukur bersifat analog. Blok diagram alat ukur digital terdiri komponen sensor, penguat sinyal analog, analog to digital converter, mikroprosesor, alat cetak, dan display digital (Gambar. Tampilan Penunjuk DIgital). Sensor mengubah besaran listrik dan non elektrik menjadi tegangan, karena tegangan masih dalam orde mV perlu diperkuat oleh penguat input.

      Sinyal input analog yang sudah diperkuat, dari sinyal analog diubah menjadi sinyal digital dengan (ADC) analog to digital akan diolah oleh perangkat PC atau mikroprosessor dengan program tertentu dan hasil pengolahan disimpan dalam sistem memori digital. Informasi digital ditampilkan dalam display atau dihubungkan dicetak dengan mesin cetak. Display digital akan menampilkan angka diskrit dari 0 sampai angka 9 ada tiga jenis, yaitu 7-segmen, 14-segmen dan dot matrik 5 x 7 (Gambar disamping). Sinyal digital terdiri atas 0 dan 1, ketika sinyal 0 tidak bertegangan atau OFF, ketika sinyal 1 bertegangan atau ON.

______________________________________

_________________________________

____________________________

____________________

____________

   Cara Kerja Multitester

Alat ukur multitester merupakan suatu alat yang didalam pengoperasian alat tersebut terdapat multi atau lebih dari satu besaran yang dapat diukur. Adapun besaran yang biasa terdapat dalam alat ukur multitester adalah Voltmeter, Ampermeter, Ohm meter, dan besaran lainya yang bisa diintegrasikan kedalam alat tersebut. Multitester memiliki dua jenis tampilan pembacaan, multitester Analog dan multitester Digital. Pada multitester analog display pembacaan menggunakan jarum sedangkan untuk multitester digital pada display pembacaan menggunakan angka yang langsung dapat dibaca. 

Voltmeter memiliki dua jenis pengukuran, voltmeter untuk arus listrik searah dan voltmeter listrik arus bolak – balik. Prinsip dasar penggunaanya mudah dilakukan hanya saja yang perlu diperhatikan adalah penggunaan voltmeter untuk mengukur arus searah. Polaritas probe harus diperhatikan, pada probe warna merah mewakili kutub positif sedangkan probe warna hitam untuk kutub negatif.

 Adapun bagian – bagian multitester adalah sebagai berikut :

1.    Display berfungsi untuk menunjukan hasil pengukuran.

2.    Range Selector berfungsi untuk memilih jenis besaran yang akan diukur.

3. Probe berfungsi untuk menghantarkan nilai beban ke alat ukur.

Cara Kerja Wattmeter

                     Daya listrik diukur dengan menggunakan alat wattmeter. Ala ini adalah jenis elektrodynamik. Terdiri atas sepasang kumparan tetap, yang dikenal dengan sebutan kumparan arus, dan sebuah kumparan yang dapat bergerak disebut dengan kumparan potensial. Kumparan tetap dibuat oleh beberapa lilitan secara komparatif konduktor yang besar. Kumparan potensial terdiri atas banyak lilitan kawat. Lilitan ini dipasangkan pada sebuah shaft, dibawa didalam bearing, jadi dapat dililitkan diluar kumparan stasioneri. Kumparan yang dapat bergerak membawa sebuah jarum yang bergerak diatas skala pembacaan yang tepat. Pir kumparan spiral memegang jarum pada posisi nol. Kumparan arus (kumparan stasionary) pada wattmeter dihubungkan seri dengan sebuah rangkaian (beban), dan kumparan potensial (kumparan yang bergerak) dihubungkan lurus segaris. Pada saat garis arus mengalir melalui kumparan arus pada wattmeter, medan diatur mengelilingi kumparan. 

                    Kekuatan medan ini proporsional pada garis arus dan didalam phasa yang bersamanya. Kumparan potensial wattmeter pada umumnya memiliki resistor dengan nilai resistansi yang tinggi dihubungkan secara seri. Hal ini bertujuan untuk membuat rangkaian kumparan potensial, arus adalah proporsional dan didalam phasa dengan tegangan jala – jala.

                  Gaya penggerak wattmeter berasal dari medan kumparan arus dan medan kumparan potensial. Gaya bereaksi di kumparan bergerak pada beberapa saat (tergantung pada putaran) proporsional mempunyai nilai saat itu juga pada arus jala – jala dan tegangan.

          Wattmeter terdiri atas dua rangkaian, salah satu akan menyebabkan kerusakan jika arus terlalu banyak melaluinya. Kenyataan ini akan diutamakan menekankan didalam permasalahan wattmeter, karena pembacaan alat tidak menyediakan informasi ke pengguna bahwa kumparan telah menjadi sangat panas. Jika sebuah ampermeter atau voltmeter kelebihan beban, pointer akan menunjukan melebihi batas atas dari skala.

                   Didalam wattmeter, kedua arus dan rangkaian potensial dapat membawa seperti sebuah kelebihan beban yang isolasinya terbakar, dan masih pointer mungkin hanya bagian dari skala. Hal ini dikarenakan posisi pointer tergantung pada factor daya rangkaian sebaik pada tegangan dan arus. Jadi, sebuah factor daya yang rendah pada rangkaian akan memberikan pembacaan yang sangat rendah pada wattmeter walaupun ketika arus dan rangkaian potensial diberikan batas keamanan maksimum. Nilai keamanan ini pada umumnya diberikan pada alat. Sebuah wattmeter selalu dengan jelas dinilai, tidak dalam watt tetapi dalam volt dan amper.

CARA PEMERIKSAAN

1. Pemeriksaan Tegangan Listrik Arus DC dan Arus AC

    a. Alat  : Digital Voltmeter DC / AC

    b. Langkah Kerja Voltmeter DC :          

      1) On-kan 

          alat ukur.

      2) Arahkan 

          selector 

          ke posisi 

          Volt DC.

      3)Gunakan 

          probe 

          warna 

          merah 

          untuk 

         

          

          memeriksa bagian rangkaian yang memiliki polaritas positif (+).

      4)Gunakan probe warna hitam untuk memeriksa bagian rangkaian 

          yang memiliki polaritas negative (-).

     5) Jika polaritas terbalik maka pembacaan akan berharga negative (-).

      6) Baca hasil pengukuran dan catat.

      7) Untuk lebih jelas perhatikan pada gambar dibawah. 

 Pada gambar diatas diberikan contoh pengukuran tegangan 

           bateray 9 Volt DC.

    

    c. Langkah Kerja Voltmeter AC:

    1) On-kan alat ukur.

    2) Arahkan selector ke posisi Volt AC.

    3) Posisi probe tidak perlu memperhatikan kutub polaritas, boleh 

        terbalik posisinya.

    4) Baca hasil pengukuran dan catat

    5) Untuk lebih jelas perhatikan pada gambar disamping.

Pada gambar diatas diberikan contoh pengukuran stop kontak tegangan listrik PLN sebesar 220 volt AC.

           
Pada multitester terdapat besaran Amper, pada besaran ini memungkinkan multitester dapat digunakan untuk melakukan pengukuran arus listrik pada beban. Ada dua jenis arus listrik yaitu arus listrik bolak – balik atau AC dan arus listrik searah atau DC. Ada dua metode yang digunakan pada pemeriksaan arus listrik. Metode pertama multitester digunakan sebagai jembatan sehingga arus listrik mengalir melalui satu rangkaian tertutup. 

Arus yang mengalir pada beban  keluar masuk melalui perantara alat ukur tersebut. Pada metode kedua menggunakan clamp atau penjepit. Rangkaian listrik yang tertutup cukup dijepitkan clamp meter tersebut pada bagian yang akan diukur arus listriknya, biasanya pada kabel yang menuju beban. 

Pada clamp meter pada alat penjepitnya merupakan trafo CT (Current Transformator). Trafo ini biasa digunakan sebagai pengukuran arus listrik pada panel – panel listrik. pembacaan dapat langsung dilakukan pada panel tanpa harus membawa alat ukur terpisah. 

d.   Langkah Kerja Ampermeter DC: 
Metoda Pertama Menggunakan Clamp Meter Amper Meter DC

1) On-kan alat ukur.

2) Arahkan posisi selector ke Ampermeter DC.

3) Kalungkan clam ke posisi kabel yang akan diukur arus listriknya.

4) Baca hasil pengukuran dan catat.

5) Untuk lebih jelas perhatikan pada gambar dibawah. Pada gambar dibawah diberikan contoh pengukuran arus listrik DC pada mesin DC.

Metoda Kedua Menggunakan Multitester Amper Meter DC

1)On-kan alat ukur.

2) Arahkan posisi selector ke Ampermeter DC.

3) Posisikan probe positif (+) ke beban.

4)Dari beban arahkan konektor atau kabel menuju sumber listrik pada kutub positif (+).

5) Pada sumber listrik negative (-) pasang probe negative (-).

6) Baca hasil pengukuran dan catat.

7)Untuk lebih jelas perhatikan pada gambar dibawah. Pada gambar diberikan contoh pengukuran arus listrik DC pada lampu pijar. 

e.   Langkah Kerja Ampermeter AC

1)On-kan alat ukur.

2) Arahkan posisi selector ke Ampermeter AC.

3) Kalungkan clam ke posisi kabel yang akan diukur arus listriknya.

4) Baca hasil pengukuran dan catat.

5)Untuk lebih jelas perhatikan pada gambar dibawah. Pada gambar dibawah diberikan contoh pengukuran arus listrik AC pada mesin AC 3 fasa.

Contoh Penggunaan Tang Ampermeter AC

f. Langkah Kerja Wattmeter

1) Masukan kabel fasa input 380 Vac pada masing – masing fasa R, S, T diterminal wattmeter.
2) Hubungkan terminal fasa output 380 Vac menuju beban fasa R, S, T. Sebagai contoh beban yang digunakan adalah motor AC 3 fasa.
3) Untuk lebih jelasnya perhatikan ilustrasi pada gambar.

Referensi :
1. Teknik Kerja Bangku Dan Alat Ukur. Silabus Diknas 2016. Oleh Robiansyah.
2. www.wikipedia.com
3. Artikel Jurnal Teknik Fisika oleh Irnin Agustina Dewi