Abstract—  Analog  sensors  are  devices  used  in  the  process industry. These sensors can be used to measure the pressure, flow, temperature, and level of a fluid in a tank. A sensor is an important part  of  a  feedback  control  system  that  is  commonly  used  in  the process  industry.  In  this  research,  an  analog  sensor  was  used  to measure  water  pressure  on  a  couple  tank  kit,  which  was  SKU SEN0257. This pressure was converted to the  depth of the water in the tank. A problem occurred when the dimension of the tank was small, then the depth change of water could not be read by a controller that connected to the sensor. Therefore, a prototype of instrumentation  amplifier  using  IC  OP027  was  designed.  This amplifier was used to increase the output voltage from the sensor so  that  it  could  be  read  by  controller.  The  circuit  that  has  been designed, managed to produce voltage around the desirable value 0-5V. Problem  that arise  from this  research  is  the  fluctuation in the amplified voltage value that need further improvement on the circuit design.
Keyword:  Analog  sensor,  couple  tank  kit,  instrumentation amplifier

## I. P ENDAHULUAN
P ADA penelitian  ini,  sebuah  prototipe instrumentation amplifier didesain untuk menaikkan nilai tegangan output dari sensor tekanan air yang terpasang pada sebuah wadah di couple tank . Oleh karena ukuran  wadah penampungan air yang kecil maka  perubahan  tekanan  terlalu  kecil  untuk  dideteksi  oleh kontroler  baik  mikrokontroler  maupun  PLC.  Wadah  ini memiliki dimensi luas penampang 11 x 11 cm dan ketinggian 30 cm. Air dapat mengisi tangki sampai pada ketinggian 25 cm sebelum dicegah meluap oleh pipa pada tengah tangki.
Desain instrumentation  amplifier ini  juga  sudah  dilakukan oleh  beberapa  peneliti  lainnya.  Salah  satu  penelitian  tersebut mendesain instrumentation  amplifier dengan  menggunakan rangkaian current mode instrumentation amplifier menggunakan voltage buffer dengan mempertimbangkan faktor CMRR, output  impedance dan power  consumption [1]. Penelitian lain mengenai desain instrumentation amplifier pada bidang  medis  mempertimbangkan  faktor  CMRR,  konsumsi daya, noise  effect  factor ,  dan referred  to  input  noise [2]. Penelitian  desain instrumentation  amplifier selanjutnya mengenai compact  current  mode  instrumentation  amplifier ,
mempertimbangkan  faktor  presisi  pengukuran  dalam  rentang frekuensi kHz, CMRR, gain, output swing , konsumsi daya, dan PSSR  [3].  Terdapat  juga  penelitian instrumentation  amplifier untuk keperluan biomedis menganalisis sinyal EMG pada otot leher.  Penelitian  ini  menggunkan  sebuah  AD620  yang dikombinasikan dengan rangkaian filter [4]. Desain instrumentation  amplifier [5],  [6]  untuk differential  pressure flowmeter juga  sudah  dikembangkan  menggunakan  tiga  buah IC  AD8221.  Pada  penelitian  ini  juga  diinginkan  nilai  CMRR yang tinggi [7]. Penelitian pada instrumentation amplifier juga sudah mencapai pada desain CMOS yang menggunakan second generation  current  conveyer (CCIIs).  Pada  penelitian  ini diinginkan desain yang mencegah saturasi common mode yang mendekati  nilai rail [3].  Desain  CMOS  dan  CNTFET  untuk instrumentation  amplifier juga  sudah  dikembangkan  dengan mempertimbangkan  CMRR, sampling  frequency,  input impedance , dan komsumsi daya [7].
Sementara pada penelitian ini, faktor yang dipertimbangkan dalam desain adalah CMRR , open loop gain , low offset voltage dan input noise . Selain itu, pada penelitian ini desain amplifier masih menggunakan pendekatan voltage mode instrumentation amplifier dengan  3  buah  rangkaian  amplifier  khusus  untuk sensor tekanan SKU SEN0257 pada wadah couple tank . Pada penelitian ini akan di tes jika desain instrumentation amplifier sederhana sudah cukup atau tidak untuk memenuhi kebutuhan di  laboratorium  instrumentasi.  Variabel  pembeda  pada penelitian ini adalah ukuran wadah air dan sensor tekanan yang digunakan  yang  menghasilkan  tegangan  untuk  mengukur ketinggian air dalam wadah. Desain instrumentation amplifier untuk  amplifikasi  tegangan  sensor  pada case  study ini  belum pernah dilakukan sebelumnya.
Tekanan  yang  dihasilkan  oleh  air  di  dalam  sebuah  wadah dapat dirumuskan:
(1)
Dimana p adalah tekanan air dalam pascal, ρ adalah massa jenis air, dan h adalah ketinggian air [8].

## Desain Prototipe Instrumentation Amplifier untuk Sensor SKU SEN0257 pada Kit Couple Tank
Aditya Gautama D 1* , Asrizal Deri Futra 1 , Sumantri R. K 1 , K. Kamarudin 1 , M. Syafei G 1
1 Politeknik Negeri Batam, Batam, Indonesia
* Email: adityagautama@polibatam.ac.id
gh p  =
Sensor  tekanan  SKU  SEN0257  adalah  sensor  linier  yang mengukur  tekanan gage sehingga  tekanan  atmosfer  diabaikan dalam  perhitungan  rumus  1.  Sensor  ini  dapat  memiliki range tekanan  dari  0–1.6  MPa.  Untuk  berfungsi,  sensor  ini membutuhkan  input  5V  DC  dan  dapat  menghasilkan  output (0.5–4.5) V. Akurasi dari sensor ini adalah (0.5–1) % dari skala penuh.  Untuk  membuktikan  hubungan  antara  tegangan  dan tekanan pada sensor ini linier disusunlah Tabel I.
T ABEL I
H ASIL P ENGUKURAN S ENSOR D AN P ERHITUNGAN T EKANAN No Ketinggian Air pada Tangki (cm) Tegangan Output Sensor (V) Tekanan Air (Pa) 1 25 0,489 2450 2 20 0,486 1960 3 15 0,484 1470 4 10 0,483 980 5 5 0,480 490 6 0 0,479 0
Nilai  tekanan  pada  Tabel  I  diperoleh  dari  perhitungan menggunakan rumus 1.
𝑝 = 1000 × 9.8  × 25  ×   10 −2 = 2450 𝑃𝑎 = 2.45 𝑘𝑃𝑎 (2)
Data  pada  tabel  1  tersebut  kemudian  diolah  menggunakan Excel untuk menghasilkan persamaan regresi sebagai berikut :
𝑦 = (4𝑥10 −6 )𝑥 + 0.479 (3)
Berdasarkan perhitungan regresi menggunakan Excel diperoleh R 2 = 98%. Selain itu pada tingkat kepercayaan 95% diperoleh P- value untuk gradient sebesar 4.3x10 -12 dan untuk titik potong sebesar 0,0002, yang jauh lebih kecil dari 0.05. Sehingga rumus regresi di atas valid untuk digunakan [9][10].
Grafik  persamaan  regresi  dengan  tegangan  pada  sumbu  Y dan tekanan pada sumbu X dapat dilihat pada Gambar 1.

## Gambar. 1. Grafik Tegangan Terhadap Tekanan
Tekanan atmosfer dapat diabaikan karena sensor mengukur tekanan gauge . Nilai tekanan ini cukup kecil. Jika dimasukkan ke dalam rumus (3) maka akan menghasilkan tegangan:
𝑝 = (4𝑥10 −6 ) × (2450) + 0.479 = 0.489 𝑉 (4)
Hal ini dapat dilihat dari hasil  pengukuran tegangan output dari  sensor  menggunakan  multimeter  pada  ketinggian  air tertentu pada tabel 1. Oleh karena hasil pengukuran mendekati batas bawah dari selang sensor maka perlu dilakukan penguatan menggunakan instrumentation  amplifier .  Hal  ini  dilakukan untuk  memastikan  nilai  pengukuran  merupakan  nilai  tekanan sebenarnya  bukan  hanya  fluktuasi  data  output  saja  dan  untuk disesuaikan dengan tegangan pada pin input PLC.
Gambar. 2. Gambar Wadah yang Digunakan dan Posisi Sensor
Pada  Gambar 2 di atas dapat dilihat bentuk wadah dan posisi sensor  yang  dipasang.  Pemilihan  posisi  pada  bagian  bawah wadah  bertujuan  agar  tekanan  air  dalam  wadah  dapat  diukur dengan akurat.

## II. M ETODE
A. Instrumentation Amplifier
Instrumentation amplifier yang digunakan pada penelitian ini tersusun dari 3 buah precision amplifier OP27. Rangkaian yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar. 3. Rangkaian Instrumentation Amplifier
Pada rangkaian ini resistor R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = 10 kΩ. Sementara variabel resistor R1 = 40 Ω. Variabel resistor
digunakan agar gain dari amplifier ini bisa disesuaikan dengan kebutuhan  pengguna.  Untuk  penelitian  ini  diinginkan gain sebesar  5  kali.  Oleh  karena  tegangan  input dari  sensor  ada di kisaran  (0.479–0.489)  V  maka  dengan  perbesaran  501  kali tegangan  yang  dihasilkan  ada  pada  kisaran  ±  5  Volt.  Hal  ini dilakukan  untuk  menyesuaikan  dengan  range  ADC  yang  ada pada  mikrokontroler  ataupun  PLC.  Untuk  sementara  waktu komponen masih dirangkai pada breadboard , rangkaian dapat dilihat pada Gambar 4.
Dari Gambar 3 gain yang dihasilkan dapat dihitung dengan rumus [8].
( )             + − = 4 6 1 2 2 1 R R R R V V V reff in out
(5)
Rumus ini berlaku dalam kondisi R2 = R3, R4 = R5, dan R6 = R7.  Tujuan  rangkaian  ini  adalah  untuk  mengurangi common mode voltage .
Pada  penelitian  ini  digunakan precision  amplifier OP27. Amplifier tipe ini jika dibandingkan dengan OP07 dan LM 741 dapat  dilihat  pada  Tabel  II.  Parameter  pada  tabel  II  diperoleh dari datasheet masing-masing produk.
Dari  Tabel  II,  OP27  dipilih  pada  penelitian  ini  karena memiliki input noise voltage yang rendah dan open loop gain yang  tinggi.  Sementara  OP07  memiliki  CMRR  yang  sama dengan  OP27,  tetapi  karena input  noise yag  lebih  tinggi  dan open  loop  gain yang  rendah  maka  OP27  dipilih  dalam penelitian ini [11], [12].
T ABEL II
P ERBANDINGAN J ENIS IC A MPLIFIER OP27 OP07 LM741 CMRR (dB) 120 120 95 Input Offset Voltage (µV) 30 30 1000 Input Noise Voltage (μV  p- p) 0.09 0.35 - Open loop gain 1x10 6 2x10 5 2x10 5
Pada  Gambar  4  di  bawah  dapat  dilihat  bentuk  rangkaian sementara yang masih di susun pada project board .
Gambar. 4. Rangkaian Instrumentation Amplifier pada Bread Board

## B. Offset Nulling Circuit
Langkah  pertama  yang  dilakukan  adalah  dengan  membuat sebuah offset nulling circuit seperti pada  Gambar 5 di bawah. Rangkain  ini  berguna  untuk  mengurangi offset  voltage pada amplifier .
Gambar. 5. Offset Nulling Circuit
Dengan menggunakan rangkaian ini offset voltage berusaha di  nol-kan  dengan  mengubah  hambatan  pada  potensiometer. Jika offset  voltage mendekati  nol  maka  akan  menghasilkan pengukuran  yang  lebih  presisi.  Setelah  tegangan  yang  diukur mendekati  nol  maka  potensiometer  tidak  diubah  lagi hambatannya.  Sehingga  ketika  merangkai  komponen  pada rangkaian instrument amplifier potentiometers harus dipasangkan  dengan  amplifiernya  masing-masing  sesuai dengan proses nulling yang dilakukan.
Pengujian selanjutnya adalah dengan memasang amplifier ke sensor dan mengujinya untuk membaca tegangan yang keluar dari  output  sensor.  Hasil  simulasi  pada  piranti  lunak dibandingkan  dengan  hasil  nyata  dan  akan  dicoba  apakah output  dari  amplifier  sudah  sesuai  dengan  target.  Penguatan tegangan yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebesar 501 kali  sehingga  akan  dihasilkan  tegangan  output  sekitar  0-5  V yang disesuaikan dengan ADC pada PLC dan mikrokontroler.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Pada penelitian karena keterbatasan ketelitian resistor maka nilai  output  dari  amplifier  tidak  dapat  sesuai  dengan  nilai teoritis  yang  dihasilkan  oleh  simulasi.  Hasil  pengukuran menggunakan instrumentation amplifier dan multimeter dapat dilihat pada Tabel III dibawah.
T ABEL III H ASIL P ENGUKURAN M ENGGUNAKAN A MPLIFIER No Ketinggian Air pada Tangki (cm) Tegangan Output Sensor (V) 1 25 5.03 2 20 3.2 – 4 3 15 2.3 – 3 4 10 2 – 2.8 5 5 1.1 6 0 0 Penggunaan instrumentation amplifier ini sudah menunjukkan bahwa hasil pengukuran sudah mendekati dengan nilai yang diinginkan, yaitu output pada saat ketinggian 25 cm adalah  5  V  dan  pada  saat  ketinggian  0  sama  dengan  0  Volt,
namun  tegangan  masih  mengalami  fluktuasi  pada  beberapa hasil pengukuran.

## IV. K ESIMPULAN
Hasil  dari  penelitian  ini  menunjukkan  variasi  nilai  resistor yang  cukup  berpengaruh  pada  nilai  akhir  dari  penguatan walaupun nilai penguatan 501 kali sudah dapat menghasilkan output  tegangan  yang  mendekati  nilai  yang  diinginkan.  Oleh karena  nilai  yang  diinginkan  membutuhkan  kepresisian  yang sangat  tinggi  pemilihan  nilai  resistor  dengan  toleransi  yang kecil perlu dipertimbangkan. Tujuan pemilihan resistor dengan toleransi  kecil  agar  nilai  hambatan  yang  sama  lebih  mudah diperoleh  [13].  Oleh  karena  pada instrumentation  amplifier resistor dengan nilai yang sama dibutuhkan agar  memperoleh nilai CMRR tinggi sehingga dapat mengurangi fluktuasi pada tegangan  output.  Solusi  lain  bisa  juga  dengan  menggunakan desain current-mode  instrumentation  amplifier (CMIA)  [1], [3],[14],[15].  Hasil  data  dari  penelitian  ini  mendukung  teori pada  penelitian  sebelumnya  [1],[3],[13]–[15]  dimana  dalam membuat  desain  rangkaian  untuk instrumentation  amplifier diperlukan rangkaian tambahan berupa current-mode instrumentation amplifier serta nilai resistor yang identik untuk menghasilkan nilai tegangan amplifikasi yang tidak berfluktuasi.  Pendekatan  ini  dapat  dicoba  pada  penelitian selanjutnya.

## R EFERENSI
[1]  LLleila  Sssafari,  Shahram  Minaei,  Giuseppe  Ferri,  and  Vincenzo Stornelli,  “Current-Mode  Instrumentation  Amplifier  Based  on  Supply Current  Sensing  Technique,” International  Journal  of  Electronics  and Communications, vol. 91, 2018.
[2]  Y.  Liu,  Z. Zhou,  Y.  Zhou,  W.  Li,  and  Z.  Wang, “A  low-noise chopper amplifier  with  offset  and  low-frequency  noise  compensation  dc  servo loop,” Electronics (Switzerland) , vol. 9, no. 11, pp. 1–13, Nov. 2020, doi: 10.3390/ELECTRONICS9111797.
[3]  S. del Cesta, A. Ria, M. Piotto, R. Simmarano, and P. Bruschi, “A compact current-mode  instrumentation  amplifier  for  general-purpose  sensor interfaces,” AEU  -  International  Journal  of  Electronics  and Communications , vol. 92, pp. 8–14, Aug. 2018, doi: 10.1016/J.AEUE.2018.05.013.
[4]  N. Ashriyah, N. Ashriyah, T. A. Sardjono, and M. Nuh, “Pengembangan Instrumentasi dan Analisis Sinyal EMG pada Otot Leher,” Jurnal Teknik ITS , vol. 9, no. 1, pp. F9–F16, Jul. 2020, doi: 10.12962/j23373539.v9i1.44787.
[5]  A.  C.  Fischer-Cripps,  “Instrumentation  amplifier,” Newnes  Interfacing Companion , pp. 246–260, 2002, doi: 10.1016/B978-075065720-4/50119- 4.
[6]  N.  Srivastava,  A.  Shadab,  and  G.  Shukla,  “Yokto  (10-24V) instrumentation  amplifier,” Proceedings  of  the  2012  3rd  International Conference on Computer and Communication Technology, ICCCT 2012 , pp. 116–121, 2012, doi: 10.1109/ICCCT.2012.31.
[7]  A. W. Wardhana and M. I. Zulfa, “The Use of Instrumentation Amplifiers and  Voltage-to-Current Converter in a  Process Control:  Simulation  and Implementation,” JURNAL  NASIONAL TEKNIK  ELEKTRO ,  vol. 8, no. 3, pp. 104 – 118–104 – 118, Nov. 2019, doi: 10.25077/JNTE.V8N3.664.2019.
[8]  S.  C.  Her  and  S.  Z.  Weng,  “Fiber  Bragg  Grating  Pressure  Sensor Integrated with Epoxy Diaphragm,” Sensors (Basel) , vol. 21, no. 9, May 2021, doi: 10.3390/S21093199.
[9]  P. Ji-jun, M. R. Mahmoudi, D. Baleanu, and M. Maleki, “On Comparing and Classifying Several Independent Linear and Non-Linear Regression Models with Symmetric Errors,” Symmetry 2019, Vol. 11, Page 820 , vol.
11, no. 6, p. 820, Jun. 2019, doi: 10.3390/SYM11060820.
[10]  K. Bazdaric, D. Sverko, I. Salaric, A. Martinović, and M. Lucijanic, “The abc  of  linear  regression  analysis:  What  every  author  and  editor  should know,” European  Science  Editing ,  vol.  47,  2021,  doi:  10.3897/ESE. 2021.E63780.
[11]  P. Z. Wieczorek, T. Starecki, and F. K. Tittel, “Improving the signal to noise  ratio  of  QTF  preamplifiers  dedicated  for  QEPAS  applications,” Applied Sciences (Switzerland) , vol. 10, no. 12, p. 4105, Jun. 2020, doi: 10.3390/APP10124105.
[12]  S.  Pettinato,  A.  Orsini,  and  S.  Salvatori,  “Compact  Current  Reference Circuits  with  Low  Temperature  Drift  and  High  Compliance  Voltage,” Sensors 2020, Vol. 20, Page 4180 , vol. 20, no. 15, p. 4180, Jul. 2020, doi: 10.3390/S20154180.
[13]  D. L. Shen and Y. Y. Hsu, “A low-mismatched instrumentation amplifier for  ECG  front-end  readout  circuit,” Analog  Integr  Circuits  Signal Process , vol. 111, no. 2, pp. 215–221, May 2022, doi: 10.1007/S10470- 022-02018-X.
[14]  I.  Sabiri,  H.  Bouyghf,  A.  Raihani,  and  B.  Ouacha,  “Optimal  design  of CMOS current mode instrumentation amplifier using bio-inspired method for  biomedical  applications,” Indonesian  Journal  of  Electrical Engineering  and  Computer  Science ,  vol.  25,  no.  1,  pp.  120–129,  Jan. 2022, doi: 10.11591/IJEECS.V25. I1. PP120-129.
[15]  L. Safari, S. Minaei, G. Ferri, and V. Stornelli, “Analysis and design of a new  COA-based  current-mode  instrumentation  amplifier  with  robust performance  against  mismatches,” AEU  -  International  Journal  of Electronics and Communications , vol. 89, pp. 105–109, May 2018, doi: 10.1016/J.AEUE.2018.03.021.