PLATOGEOSAINS | Desain Sensor Kapasitif 1

DESAIN SENSOR KAPASITIF©

© Zainal Abidin

Divisi Sistem Mikrokontroler, PLATOGEOSAINS

Meteorologi, FITB – ITB Indonesia

Sabtu, 5 Desember 2009

Banyak alat ukur yang menggunakan teknologi kapasitif 1. Salah satunya adalah sensor

tinggi muka air. Prinsip kerja sensor ini berdasarkan atas perbedaan konstanta dielektrik air

dengan gas (diatasnya). Sensor tinggi muka air kapasitif tersusun atas sebuah logam pejal dan

sebuah pipa logam sebagai pelingkupnya yang membentuk suatu celah. Logam pejal berfungsi

sebagai kutub positif kapasitor, sedangkan pipa dihubungkan dengan ground. Peningkatan harga

kapasitansi Ch sensor sebanding dengan tinggi muka air h. Variasi kapasitansi sensor mengikuti

persamaan berikut ini:

∆C = [24(єd – 1) log(A/B)].h

h adalah tinggi muka air (cm), єd adalah konstanta dielektrik air, A adalah diameter dalam pipa

logam dan B adalah diameter logam pejal. Resistansi dielektrik (dalam hal ini air) harus

memiliki orde lebih tinggi dibandingkan reaktansi sensor kapasitif pada frekuensi kerja yang

dirumuskan dengan persamaan berikut ini:

XC = 1/[2π.fkerja.C]

Orde resistansi air suling mencapai MΩ. Dua eksperimen sebelumnya2 menunjukkan bahwa

sistem mikroprosesor 8 bit berkecepatan 4 MHz menggunakan mikrokontroler ATMEGA32

memperlihatkan performa bagus dalam mengukur frekuensi (dengan kesalahan maksimum

+1 Hz) pada rentang 2 – 540 Hz. Walaupun informasi kapasitansi air suling belum penulis

dapatkan, tetapi air suling termasuk bahan non-konduktif. Dengan demikian air suling memenuhi

persyaratan sebagai dielektrik sensor kapasitif.

1 Abidin, Zainal. 2009. Sensor Kapasitif. PLATOGEOSAINS: Bandung

2 Abidin, Zainal. 2009. Membuat Sendiri Kapasitansi Meter Digital. PLATOGEOSAINS: Bandung dan

Abidin, Zainal. 2009. Konverter Kapasitansi ke Frekuensi. PLATOGEOSAINS: Bandung

PLATOGEOSAINS | Desain Sensor Kapasitif 2

Penulis juga memperoleh informasi dari eksperimen sebelum ini bahwa dengan

penyimpangan frekuensi yang sama (+1 Hz) ternyata akan mengakibatkan penyimpangan

kapasitansi berbeda. Penyimpangan kapasitansi tersebut akan berkurang sebanding dengan

kapasitansi kapasitor (walaupun sama-sama menyimpang +1 Hz). Oleh karena itu perlu

dilakukan simulasi penyimpangan kapasitansi pada frekuensi yang diinginkan (2 – 540 Hz).

Gambar 1 Grafik penyimpangan kapasitansi pada frekuensi 2 – 540 Hz

Penulis menginginkan sensor tinggi muka air yang akan dibuat mempunyai ketelitian 1 cm saja

dengan jangkauan hingga 40 cm. Walaupun tinggi muka air akan ditampilkan dalam dua desimal

(di belakang koma), tetapi nilai yang dapat dipertanggungjawabkan akurasinya adalah angka di

depan koma atau nol desimal. Kenyataannya air yang digunakan untuk mengisi tandon atau

kolam air di laboratorium tidak benar-benar bersih dari berbagai partikel (kotor) yang dapat

mempengaruhi kapasitansi sensor (bahkan ketika tinggi muka airnya sama).

Sensor kapasitif ini menggunakan damar sintetis atau resin untuk menyatukan dua kutub

kapasitor. Dengan menganggap kontribusi dielektrik resin terhadap frekuensi cukup besar

0

100

200

300

400

500

600

0

100

200

300

400

500

600

-30

00

0

-25

00

0

-20

00

0

-15

00

0

-10

00

0

-50

00 0

Fre

ku

en

si (

Hz)

Penyimpangan Kapasitansi (nF)

PLATOGEOSAINS | Desain Sensor Kapasitif 3

(~20 Hz), maka penulis menentukan skala frekuensi (∆f/h) sebesar 10 Hz. Variasi kapasitansi

terhadap tinggi muka air yang diharapkan penulis ditunjukkan oleh Tabel 1.

Tabel 1 Variasi kapasitansi terhadap tinggi muka air

Seperti terlihat pada Tabel 1 bahwa variasi kapasitansi tidak linier terhadap variasi frekuensi.

Desain sensor kapasitif disesuaikan dengan ketersediaan material di pasar. Penulis menggunakan

aluminium pejal berdiameter 8/16 inchi dan pipa aluminium berdiameter dalam 13/16 inchi.

Secara teori, dengan єd = 78.54 (Tair = 25 oC) akan diperoleh skala kapasitansi (∆C/h) sebesar

~392 Farad. Skala kapasitansi sebesar itu sudah sangat cukup untuk mengkompensasi kesalahan

pengukuran akibat masuknya berbagai partikel asing ke dalam air yang sedang diamati.

PLATOGEOSAINS | Desain Sensor Kapasitif 4