Transduser Getaran (Vibration Transducer)

Untuk mengukur suatu getaran mesin dibutuhkan suatu tranduser getaran yang berfungsi untuk mengolah sinyal getaran menjadi sinyal lain, dalam hal ini adalah sinyal listrik.

Tranduser getaran yang umum digunakan adalah velocity pickups, accelerometer dan non-contact pickups. Masing-masing tranduser tersebut mempunyai keuntungan dan kerugian dalam aplikasinya. Tidak ada satupun tranduser yang dapat memberikan semua kebutuhan pengukuran yang diperlukan, sehingga kita harus memilih tranduser yang paling cocok untuk pekerjaan yang akan kita lakukan.

A. Velocity Pickup.

Gambar 1.

A.1.  Prinsip Kerja.

Gambar 1 menunjukkan skematik dari velocity pickups dan bagian-bagiannya. Sistem tersebut terdiri dari massa yang dililit o1eh suatu kumparan yang dihubungkan dengan pegas dan damper, dan suatu magnet permanen yang memberikan medan magnet yang cukup kuat dipasang mengelilingi kumparan tersebut.

Prinsip kerja dari tranduser ini berdasarkan hukum fisika bahwa ” apabila suatu konduktor digerakkan melalui suatu medan magnet, atau jika suatu medan magnet digerakkan melalui suatu konduktor, maka akan timbul suatu tegangan induksi pada konduktor tersebut. Apabila transduser ini ditempatkan pada bagian mesin yang bergetar, maka tranduser inipun akan ikut bergetar, sehingga kumparan yang ada di dalamnya akan bergerak relatif terhadap medan magnet akan menghasilkan tegangan listrik pada ujung kawat kumparannya. Sinyal listrik yang dihasilkan sebanding dengan kecepatan getaran mesin tersebut. Dengan mengolah/ mengukur dan menganalisa sinyal listrik dari tranduser, maka getaran mesin dapat diukur / diketahui.

Velocity tranduser biasanya lebih umum digunakan untuk pengukuran maupun analisa vibrasi. Karena tranduser ini cukup kuat, mudah dalam pemakaiannya, dan tranduser ini juga mempunyai level output listrik yang relatif tinggi. Serta tidak membutuhkan daya listrik untuk mengaktifkannya. Seperti tranduser lainnya, velocity transduser mempunyai batas maksimum dan minimum untuk daerah yang dapat diukur, baik itu amplitude maupun frekuensi getaran. Gambar 2 adalah salah satu contoh daerah pengukuran untuk velocity pickup.

Gambar 2.

Tegangan output dari velocity pickup biasanya dinyatakan dalam bentuk millivolts per inch per second. sensitivitas dari velocity pickup akan konstan pada daerah frekuensi operasinya. pada daerah frekuensi getaran yang rendah sensitivitas dari tranduser ini akan menurun, karena pada frekuensi rendah gerakan coil cenderung mengikuti gerakan magnet. Untuk pengukuran amplitudo dengan frekuensi dibawah 600 CPM, biasanya harga pembacaan lebih rendah dari harga sebenarnya.

A .2.   Aplikasi.
Beberapa keuntungan yang didapatkan dengan menggunakan velocity tranduser untuk sistem pengukuran getaran adalah : - Dalam pengoperasiannya tranduser ini tidak memerlukan days dan mempunyai sinyal output yang cukup kuat. - Dapat dipasang langsung pada rumah bearing. - Dapat dipegang Langan untuk melakukan suatu pengukuran getaran suatu mesin. Disamping beberapa keuntungan yang didapatkan dengan menggunakan velocity tranduser, ada juga beberapa kekurangannya antara lain : - Respon frekuensinya terbatas. Biasanya digunakan hanya pada daerah frekuensi 600 CPM – 120.000 CPM. - Relatif berat dan besar, sehingga membutuhkan ruangan yang cukup untuk memasangnya. Jika dipasang pada rumah bearing yang kecil dapat meredam vibrasi. - Harus menggunakan faktor koreksi apabila digunakan pada frekwensi dibawah 600 CPM.


B.  Accelerometer Tranduser.

Gambar 3.

B.1.  Prinsip Kerja.

Gambar 3 adalah diagram sederhana dari tipe accelerometer dengan sebuah penguat didalamnya. Apabila tranduser ini ditempelkan pada bagian mesin yang bergetar, maka getaran mekanis tersebut diteruskan melalui Case insulator ke bahan piezoeletric, sehingga bahan tersebut mengalami tekanan sebanding dengan getarannya. Bahan piezoelectric tersebut mempunyai kemampuan untuk menimbulkan muatan listrik sebagai respon terhadap gaya mekanis yang bekerja terhadapnya. Getaran mekanis yang menghasilkan gaya akan mengenai bahan piezoeletric dan bahan tersebut akan menimbulkan muatan listrik yang sebanding dengan besarnya percepatan dari getaran tersebut. Muatan listrik yang ditimbulkan oleh bahan piezoelectric tersebut sangat kecil jika dibandingkan dengan output velocity tranduser. Karena muatan listrik yang ditimbulkan langsung oleh bahan piezoelectric begitu kecil, maka di dalam tranduser ini dibuat rangkaian penguat electronik untuk memperkuat muatan listrik yang dihasilkan oleh bahan piezoelectric, tersebut. Besarnya muatan yang dihasilkan langsung oleh bahan piezoelectric biasanya dalam picocoulombs per g. Sedangkan besarnya sinyal yang dihasilkan setelah melalui penguat, mempunyai sensitivitas 50 mv per g

B.2.  Karakteristik.

Tranduser accelerometer umumnya mempunyai bentuk yang cukup kecil dan ringan, serta range temperatur dan frekwensi kerjanya cukup lebar. Accelerometer adalah merupakan sensor yang dapat digunakan sebagai sistem monitor getaran maupun untuk  analisis getaran. Tranduser ini mempunyai sensitivitas yang tinggi terhadap getaran dengan frekuensi tinggi. Ukuran accelerometer cukup kecil dan ringan, sehingga accelorometer ini sangat cocok digunakan di lokasi yang mempunyai ruang yang sangat terbatas.

B.3.  Aplikasi. Beberapa keuntungan yang didapatkan dengan menggunakan tranduser accelerometer untuk sistem pengukuran getaran adalah :   - Mempunyai respon yang baik terhadap frekuensi tinggi. mempunyai range frekuensi kurang dari 2 Cycle/second sampai lebih dari 20 KHz.   - Dengan bentuk yang kecil dan ringan dapat digunakan pada posisi dengan ruang yang sangat terbatas.   - Dapat digunakan pada temperatur tinggi, yaitu sampai temperature kurang lebih 500 derajat C. Disamping beberapa keuntungan yang didapatkan dengan menggunakan accelerometer transducer, ada jugs beberapa kekurangannya antara lain : - Tranduser accelorometer membutuhkan sinyal penguat external untuk mendapatkan output yang cukup kuat. - Sensitiv terhadap dan sinyal noise dengan frekwensi tinggi. - Tidak cocok untuk pemakaian handhold, kecuali digunakan dengan low pass fiter.

C.  Non-Contact pickup (proximitor).

Gambar 4.

C.1.  Prinsip Kerja.

Tidak seperti tranduser velocity dan accelerometer, Tranduser non-contact tidak mempunyai element yang dapat menimbulkan suatu tegangan atau muatan listrik sebagai respon terhadap getaran. Sebagai ilustrasi pada gambar 4, sensor non-contact membutuhkan rangkaian elektronik, eksternal untuk membangkitkan suatu sinyal ac dengan frekuensi yang sangat tinggi dan sinyal ac ini yang digunakan untuk mendeteksi getaran. Pada mesin berputar, non-contact pickup digunakan untuk mengukur getaran poros tanpa menyentuh poros tersebut. Sinyal ac dengan frekuensi yang sangat tinggi (disebut carrier sinyal) dikirimkan pada koil. Suatu permukaan logam (dalam hal ini poros) yang dekat dengan koil akan menyerap energi dari medan magnet tersebut dan akan mengurangi amplitude sinyal carrier.

 

 Gambar 5. 

Apabila jarak antara poros dengan ujung koil berubah-ubah, maka amplitude sinyal carrier juga akan berubah-ubah sebanding dengan jarak antara poros dengan koil tersebut. Tranduser non-contact dipasang pada suatu mesin dengan jarak tertentu, jarak antara ujung tranduser dengan poros dari mesin disebut gap. Gap ini diatur sesuai dengan karakteristik tranduser dan mesin yang akan digunakan. Tranduser ini sangat baik untuk memantau getaran poros pada mesin yang berputar dengan kecepatan tinggi dan menggunakan sleeve bearing.
    

C.2. Aplikasi.   
Beberapa keuntungan yang didapatkan dengan menggunakan non-contact pickup untuk sistem pengukuran getaran adalah : - Dengan menggunakan tranduser non-contact dapat dilakukan pengukuran gerakan poros mesin dari kedua arah radial maupun gerakan pada arah axial. - Dengan menggunakan dua tranduser non-contact yang dipasang dengan sudut 90, maka dapat dilihat bentuk orbit dari gerakan poros. - Dapat digunakan sebagai “keyphasor” untuk pengukuran sudut phase dan kecepatan mesin. - Respon frekuensi sampai dengan 5 KHz ( 0-300.000 CPM). - Dapat digunakan untuk cek hot alignment mesin. Disamping beberapa keuntungan yang didapatkan dengan menggunakan non-contact pikup, ada juga beberapa kekurangannya antara lain : - Sangat sensitiv terhadap kondukiivitas permukaan logam yang dideteksi. Getaran output sangat terpengaruh oleh mechanical.dan electrical runouts. - Pemasangan tranduser pada bearing housing harus benar- benar kuat. Tidak cocok untuk pemakaian handhold. - Output dari tranduser dapat terpengaruh bila ujung  probe sensor terkena oleh kotoran serbuk logam yang terkandung dalam oil. Tranduser tidak dapat menghasilkan sinyal output tanpa bantuan rangkaian elektronik dan catu daya dari luar.         

Teknik Pemilihan Transduser. Seperti yang telah kita ketahui bahwa tidak ada satupun tranduser yang cocok digunakan untuk semua pemakaian, sehingga kita perlu memilih tranduser mans yang paling cocok yang akan kita gunakan untuk keperluan kita. Ada beberapa hal penting yang perlu dipertimbangkan dalam proses pemilihan transduser ini. Pemilihan transduser ini adalah langkah yang paling penting dalam proses mendapatkan data vibrasi yang benar dan akurat Tiap-tiap mesin mempunyai karakteristik getaran yang berbeda-beda dan spesifik, sebagai contoh : sebuah gearbox dengan ball bearing akan mempunyai karakteristik getaran pada frekuensi tinggi, hal tersebut jarang terjadi pada motor yang menggerakkan fan dengan kecepatan rendah. Contoh lain adalah sebuah pompa besar atau kompresor dengan sleeve bearing dimana kita menginginkan meneliti gerakan shaft mesin tersebut.

Dari dua contoh diatas terdapat perbedaan parameter yang harus diukur, sehingga dibutuhkan tranduser yang berbeda untuk mendapatkan informasi yang diinginkan. Jadi pemilihan tranduser bergantung pads beberapa hal yaitu : 

- Karakteristik mekanik mesin Parameter yang akan diukur. 

- Daerah ftekwensi getaran yang akan diukur. 

- Pertimbangan pemasangan. Kondisi lingkungan dll.     

1. Karakteristik Mekanik Mesin.

Untuk mengukur clearances bearing, posisi rotor atau getaran shaft dibutuhkan pengukuran displacement dengan menggunakan tranduser non-contact. Tranduser non-contact mengukur getaran relatif shaft terhadap rumah bearing. Tranduser ini bisa dikombinasi dengan tranduser velocity yang mengukur getaran relatif shaft dengan casing. Untuk mesin-mesin yang besar dan berat dengan rotor yang relatif lebih ringan dan bekerja pads RPM tinggi tranduser non-contact, adalah yang paling cocok untuk pengukuran displacement/getaran porosnya.

2.Parameter Pengukuran. 

Pertama yang harus dipertimbangkan dalam proses pemilihan tranduser yang akan digunakan adalah parameter apa yang kita inginkan untuk diukur. Biasanya parameter-parameter tersebut adalah displacement (perpindahan), Velocity (kecepatan) dan acceleration (percepatan). 

a. Displacement: Displacement dapat diukur dengan tranduser velocity dan tranduser acceleration. Hal ini dilakukan dengan cara mengintegralkan hasil pengukuran dari kedua tranduser tersebut dengan rangkaian inte¬grator yang biasanya sudah ada pada alat pengukur getaran. Tranduser jenis non-contact mengukur langsung displacement getaran tanpa memerlukan proses integrasi.

Tranduser velocity, dapat digunakan untuk mengukur displacement dengan rangkaian single integrator, tetapi apabila kita akan bekerja pada frekuensi rendah, kita harus mempertimbangkan bahwa tranduser velocity akan kurang sensitif apabila digunakan pada frekuensi dibawah 600 CPM. Akibat adanya proses integrasi akan menimbulkan juga noise elektronik pada pengukuran frekuensi rendah tersebut.

Tranduser accelerometer, dapat digunakan untuk mengukur diplacement getaran dengan rangkaian double integrator. Seperti halnya tranduser velocity, menggunakan tranduser accelorometer untuk mengukur displacement getaran akan memberikan attenuasi dan noise pada pengukuran frekuensi rendah.

b. Velocity : Velocity dapat juga diukur dengan transducer velocity dan accelerometer. Sensor velocity dapat mengukur langsung kecepatan getaran tanpa proses integrasi. Sensor accelerometer untuk mendapatkan kecepatan getaran membutuhkan rangkain single integrator, dan dapat mengukur frekuensi getaran sampai dengan kira-kira 3 Hz, atau 180 CPM.

c. Acceleration : Acceleration sebaiknya diukur hanya dengan accelerometer. Secara teoritis memungkinkan untuk mengukur acceleration menggunakan tranduser velocity dengan menambah rangkain difrensiator yang biasanya juga sudah ada di dalam alas pengukuran getaran. Yang paling baik dalam pemilihan tranduser adalah tranduser yang akan mengukur secara langsung.  Tranduser displacement untuk mengukur displacement, tranduser velocity untuk mengukur kecepatan getaran dan accelorometer untuk mengukur percepatan getaran.           

3. Daerah Frekuensi. Daerah frekuensi getaran yang ditimbulkan oleh suatu mesin akan berpengaruh pada pemilihan tranduser. Secara umum petunjuk untuk pemilihan tranduser berdasar daerah frekuensi adalah :

(a) Penggunaan sensor displacement : 1.    Frekuensi rendah, dibawah 600 CPM 2.    Untuk pengukuran getaran shaft pada mesin berat dengan rotor yang relatif ringan. (b) Penggunaan sensor velocity 1.    Daerah frekwensi adalah 600 – 100.000 cpm 2.    Pengukuran over all level getaran Mesin 3.    Untuk melakukan prosedur analisa secara umum (c) Penggunaan sensor accelerometer 1.    Daerah frekuensi pengukuran 600 – 600.000 CPM atau lebih. 2.    Untuk pengukuran pada frekuensi tinggi/ultrasonic 3.    Untuk pengukuran spike energy pada roll bearing, ball bearing, gear, dan sumber getaran aerodinamis dengan frekuensi tinggi.