Alat Ukur Besi Putar (Alat Ukur Listrik yang Bekerja Berdasarkan Prinsip Kerja Besi Putar)

Alat ukur besi putar adalah alat ukur yang sederhana dan konstruksi kuat. Alat ukur ini digunakan sebai alat ukur arus dan tegangan pada frekuensi yang dipakai pada jaringan distribusi. Instrumen ini pada dasarnya ada dua macam yaitu tarikan (attraction) dan tolakan (repulsion). Cara kerja tipe tarikan dipengaruhi oleh gerakan dari sebuah besi lunak di dalam medan magnet, sedangkan pada gaya tolak antara dua buah lembaran besi lunak yang telah termagnetisasi oleh medan magnet yang sama.

Apabila digunakan sebagai ampermeter, kumparan dibuat dari beberapa gulungan kawat tebal sehingga ampermeter mempunyai tahanan yang rendah terhubung seri dengan rangkaian. Jika digunakan sebagai voltmeter, maka kumparan harus mempunyai tahanan yang tinggi agar arus listrik yang melewatinya sekecil mungkin, dihubungkan paralel terhadap rangkaian. kalau arus yang mengalir pada kumparan harus banyak agar mendapatkan amper penggerak yang dibutuhkan.

Alat ukur dengan prinsip kerja besi putar berjenis tarikan akan bekerja apabila lempeng besi yang belum termagnetisasi digerakkan mendekati sisi kumparan yang dialiri arus, lempeng besi akan tertarik di  dalam kumparan. hal ini merupakan dasar dalam pembuatan suatu pelat dari besi lunak yang berbentuk bulat telur, bila dipasang pada batang yang berada diantara bearing dan dekat pada kumparan, maka pelat besi tersebut akan berputar ke dalam kumparan yang dialiri arus listrik. Kuat medan terbesar terdapat pada tengah-tengah kumparan, maka pelat besi bulat telur harus dipasang sedemikian rupa sehingga lebar gerakannya yang terbesar berada di tengah kumparan.

1. Alat ukur besi putar berjenis tarikan (Attraction)

Gambar prinsip kerja alat ukur besi putar berjenis tarikan

Bila sebuah jarum penunjuk dipasang kan pada batang yang membawa pelat tadi, maka arus yang mengalir dalam kumparan akan mengakibatkan jarum penunjuk menyimpang.

Gambar bagian-bagian dari alat ukur besi putar dengan tipe tarikan

Sesuai dengan gambar bagian dari instrumen tipe tarikan . besar simpangan akan lebih besar, jika arus yang mengalir pada kumparan besar. maka simpangan penunjuk yang bergerak diatas skala, sebelumnya skala harus sudah dikalibrasi. Besarnya momen gerak (deflecting torque)  sesuai dengan gambar dibawah.

Gambar besar momen gerak

Apabila pelat besi ditempatkan sedemikian rupa sehingga pada posisi nol membentuk sudut dengan arah medan magnet H yang dihasilkan oleh kumparan . Simpangan yang dihasilkan adalah dua akibat arus listrik melalui kumparan dengan demikian pelat besi yang termagnetasi tersebut mempunyai kemagnetan sebanding dengan besarnya H yang bekerja sepanjang sumbu nya, yaitu sebanding dengan H sin (∅ + 2). Gaya F yang menarik pelat ke dalam kumparan adalah sebanding terhadap H² sin(∅+2 ). Jika permeabilitas besi dianggap konstan maka H ∼ I, dengan demikian akan diperoleh persamaan berikut :

Permeabilitas Besi  Dianggap :

F ∼ I²sin (∅ + 2)

Jika gaya tersebut bekerja pada jarak I dari sumbu putar pelat, maka besarnya momen penyimpangan (Td) adalah :

Td = F . I . cos (∅ + 2)

Jika kedua persamaan diatas di gabungkan maka dapat diketahui persamaan berikut :

Td = I²sin (∅ + 2) . 1 . cos (∅ + 2)  

karena nilai I adalah konstan, maka :

Td = K . I²sin (∅ + 2) . cos (∅ + 2)  

Jika digunakan kontrol pegas (spring-control) maka nilai momen pegas dapat diketahui dengan persamaan berikut :

Tc = K' . 2

Pada keadaan tetap (steady), maka nilai Td = Tc :

K . I²sin (∅ + 2) . cos (∅ + 2)  = K' . 2

sehingga :                                                               2 - I²

dengan demikian sekala alat ukur besi putar adalah skala kuadratis. Jadi bila digunakan pada arus listrik bolak-balik, maka :

2 - I² rms

2. Alat ukur besi putar berjenis tolakan (Repolsion)

Gambar alat ukur besi putar berjenis tolakan

Bagian-bagian alat ukur dengan jenis tolakan memiliki kumparan tetap yang terletak pada dua buah batang besi lunak A dan B sejajar dengan sumbu kumparan. masing-masing kumparan tersebut dirangkai dengan kondisi yang berbeda. Besi A dipasang secara tetap, sedangkan besi B dipasang dapat bergerak sebagai pengerak jarum penunjuk pada papan skala yang telah dikalibrasi.

Apabila arus listrik yang akan diukur dilewatkan melalui kumparan, maka akan membangkitkan medan magnet yang memagnetisasi kedua batang besi. Pada titik yang berdekatan sepanjang batang besi mempunyai polaritas magnet yang sama. Dengan demikian akan terjadi gaya tolak menolak sehingga jarum penunjuk akan menyimpang melawan momen pengontrol yang diberikan oleh pegas. Gaya tolak ini hampir sebanding dengan kuadrat arus listrik yang melalui kumparan, kemampuan arus yang melalui kumparan, kedua batang besi tersebut akan selalu termagnetisasi secara bersamaan dan akan saling tolak-menolak.

Gambar dua buah lembaran besi yang berbentuk seperti lidah

Untuk mendapatkan skala uniform, digunakan 2 buah lembaran besi yang berbentuk seperti lidah. Pada gambar dua buah lembaran besi yang berbentuk seperti lidah. Terdapat besi tetap yang terdiri dari lempengan besi berbentuk lidah dililitkan dalam bentuk silinder, sedangkan besi yang bergerak terdiri dari lempengan besi dan dipasang sedemikian rupa sehingga dapat bergerak sejajar terhadap besi tetap. dengan adanya gaya tolak-menolak antara dua buah besi yang termagnetisasi secara bersamaan tersebut akan timbul momen. Besar momen tersebut akan sebanding dengan H². Karena nilai H berbanding lurus terhadap arus listrik yang mengalir melalui kumparan (permeabilitas dianggap sebagai konstanta), maka momen tersebut akan sebanding dengan I². Dengan demikian momen simpangan, sebagai momen utama sebanding I². Jika Instrumen ini digunakan untuk arus bolak-balik akan menunjukan nilai arus listrik rms (I_rms). Karena besi tersebut berlawanan secara serentak, maka instrumen ini dapat digunakan untuk AC maupun DC.