BAB 1 INSTRUMENTASI. Instrumentasi dan Kalibrasi

Instrumentasi dan Kalibrasi

BAB 1 INSTRUMENTASI PENDAHULUAN Instrumentasi berasal dari istilah asing yaitu “instrumentation”. Instrumentasi yang dibahas di sini terkait dengan pengukuran (measurement) khususnya pengukuran secara elektronik. Ada beberapa definisi tentang instrumentasi di Internet antara lain : The installation and use of electronic, gyroscopic, and other instruments for the purpose of detecting, measuring, recording, telemetering, processing, or analyzing different values or quantities as encountered in the flight of a rocket or spacecraft. roland.lerc.nasa.gov/~dglover/dictionary/i.html

Any device used to monitor the performance of the structure during its construction and throughout its useful life. An arrangement of devices installed into or near dams (i.e., piezometers, inclinometer, strain gages, measurement points, etc.) and used to evaluate the structural behavior and performance parameters of the structure. Reclamation has utilized a variety of instrumentation, most often piezometers, to evaluate the situations and conditions of all four Horsetooth Dams. www.abouthorsetooth.com/html/glossary.asp

Berdasarkan definisi di atas, instrumentasi terkait dengan beberapa proses diantaranya pendeteksian, pengukuran, perekaman, telemetri, pengolahan atau analisa data yang dihasilkan. Dalam instrumentasi terdapat proses pengukuran. Sedangkan pengertian secara umum dari kata mengukur adalah membandingkan besaran yang diukur dengan besaran sejenis yang ditetapkan sebagai satuan. Sedangkan yang dimaksud dengan besaran adalah sesuatu yang dapat diukur dan dinyatakan dengan angka-angka. Definisi lain tentang pengukuran dapat dicermati dari definisi yang ada di web sebagai berikut: The process of using dimensions, quantity, or capacity by comparison with a standard in order to mark off, apportion, lay out, or establish dimensions. www.iteawww.org/TAA/Glossary.htm

Pengukuran dilakukan dengan alasan pengamatan gejala alam yang sifatnya fisik akan menjadi lebih lengkap dan komunikatif bila dinyatakan dengan angka-angka, misalnya panas sebuah benda sebesar 30 0 C, atau panjang benda sebesar 200 cm dan lain sebagainya.

1


Pengukuran dilakukan dengan menggunakan sebuah sistem yang disebut dengan sistem instrumentasi atau sistem pengukuran. Pengukuran yang dimaksud disini adalah pengukuran elektrik ataupun elektronik baik secara analog maupun dijital. Bahkan untuk saat ini, sistem pengukuran elektronik sudah melibatkan mikroprosesor atau mikrokontroler sehingga memberikan fleksibilitas dan tingkat akurasi yang lebih tinggi. Isu utama dari sebuah alat ukur yang digunakan dalam sistem instrumentasi adalah validitas dan reliabilitas. Validitas berarti ketepatan yang dimiliki alat ukur dalam menghasilkan nilai pengukuran atau alat ukur dapat mengukur sesuai dengan yang diukur, sedangkan realibilitas adalah keajegan alat ukur dalam menghasilkan nilai pengukuran. MODEL SISTEM INSTRUMENTASI Secara umum blok diagram sistem pengukuran dapat dilihat pada gambar adalah sebagai berikut :

Sensor/ Transduser

Pengondisi Sinyal

Pengolah Sinyal

Display

Gambar-1. Model Sistem Instrumentasi

Nampak bahwa sistem instrumentasi terdiri dari 4 (empat) bagian utama, dimulai dari sensor yang langsung menyentuh titik pengukuran, artinya bersentuhan langsung dengan besaran yang diukur, dan berakhir dengan display (tampilan) yang berfungsi sebagai interface bagi pengguna dalam melakukan instrumentasi. Sensor (pengindera) atau transduser merupakan ujung depan dari sistem pengukuran. Fungsi dari sensor dalam hal ini adalah mengubah besaran non listrik menjadi listrik, sehingga memungkinkan pengukuran besaran non listrik melalui sistem pengukuran secara listrik atau elektronik. Permasalahan utama dari sistem pengukuran secara elektrik maupun elektronik terletak pada sensor. Sebelum ada sensor atau transducer, maka pengukuran secara elektrik atau elektronik tidak dapat dilakukan. Misalnya, tidak akan termometer elektronik jika tidak ada sensor atau transduser yang dapat mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik. Pengkondisi sinyal berfungsi untuk menyiapkan sinyal yang dikeluarkan oleh sensor, sehingga dapat diproses pada rangkaian pengolah sinyal. Proses yang terjadi pada pengondisi 2


sinyal salah satunya menentukan besarnya arus, tegangan atau menghilangkan gangguan sehingga sinyal yang diproses pada pengolah sinyal benar-benar sesuai dengan karakteristik besaran yang akan diukur. Proses pengukuran terjadi pada pengolah sinyal. Pada bagian ini besarnya sinyal hasil dari pengondisi sinyal dibandingkan dengan besaran yang sejenis yang sudah ditetapkan. Agar proses pembandingan dapat sesuai dengan nilai besaran yang diukur, maka pada bagian ini dilakukan kalibrasi dari besaran yang telah ditetapkan. Akurasi pengukuran ini sering disebut juga dengan validitas sebuah alat ukur. Proses pengukuran dapat dilakukan secara analog maupun dijital. Ujung akhir sebuah sistem pengukuran adalah display atau tampilan. Fungsi bagian ini adalah menyajikan informasi hasil pengukuran kepada kita yang menggunakan alat ukur. Tampilan ini juga dapat disajikan dalam bentuk analog maupun dijital.

3


BAB 2 SENSOR/TRANSDUSER DAN AKTUATOR A. KARAKTERISTIK SENSOR/TRANSDUSER Secara umum, karakteristik sensor atau transduser dibagi menjadi dua yaitu: (1) Karakteristik Statis (Static Charasteristics); dan (2) Karakteristik Dinamis (Dynamic Characteristics). 1. Karakteristik Statis Karakteristik statis sebuah sensor/transduser sangat banyak yaitu: a. Akurasi (Accuracy) Sejauh mana sensor dapat menunjukkan hasil yang mendekati nilai sesungguhnya. b. Presisi (Precision) Presisi dapat diartikan dengan ketepatan dan sangat erat hubungannya dengan akurasi. Contoh pada saat kita mengukur panjang sebuah balok menggunakan mistar. Akurasi berkaitan dengan kesesuaian mistar menunjukkan ukuran sesuai dengan panjang sesungguhnya, sedangkan presisi menjamin ketelitian dalam membaca angka ukuran pada mistar tersebut. c. Resolusi (Resolution) Resolusi dapat diartikan dengan ketelitian, yaitu skala terkecil yang digunakan dalam pengukuran. d. Sensitifitas (Sensitivity) Sensitifitas dapat diartikan sebagai kepekaan, yaitu perbandingan kenaikan keluaran terhadap kenaikan masukan. e. Selektifitas/Spesifisitas (Selectivity/Specificity) Kemampuan sensor dalam memilih variabel yang akan ditampilkan nilaiarkan hasil pengukurannya. f.

Sinyal minimum yang terdeteksi (Minimum Detectable signal/MDS) Jika input transduser tidak tercampur dengan noise, kemampuan transduser menampilkan nilai terkecil yang reliabel tanpa tambahan noise darinya dinamakan sinyal minimum yang dapat dideteksi dari sebuah transduser. 1


Selain beberapa karakteristik statis di atas, ada beberapa karekteristik statis yang lain di antaranya :Threshold, Non linieritas (Nonlinearity), Distorsi (Distortion), Comformance (Conformity), Histerisis (Hysteresis), Repeatability, Span, Noise, Output Impedance, Grounding, Isolation, Instability and Drift, Overall Performance.

2. Karakteristik Dinamis Karakteristik dinamis sebuah sensor/transduser antara lain : Fungsi transfer, tanggapan frekuensi, Impulse Response, dan Step response.

SENSOR Seperti dijelaskan sebelumnya, bahwa ujung depan sistem instrumentasi adalah sensor. Pengertian sensor dapat dicermati dari beberapa definisi berikut ini. A device that responds to a physical stimulus, such as thermal energy, electromagnetic energy, acoustic energy, pressure, magnetism, or motion, by producing a signal, usually electrical. www.bandwidthmarket.com/resources/glossary/S2.html A device that responds to a physical stimulus (heat, light, sound, pressure, motion, flow, and so on), and produces a measurable corresponding electrical signal www.allaboutmems.com/glossary.html

2


Berdasarkan definisi-definisi tersebut jelas bahwa fungsi utama dari sensor adalah mengubah rangsangan fisik (energi non listrik) seperti energi termal, energi akustik, tekanan, gerakan dan lain-lain menjadi sinyal listrik (energi listrik). Ada beberapa jenis sensor dalam sistem elektronika, baik yang berupa komponen tunggal atau rangkaian terintegrasi. Besaran yang dihasilkan biasanya resistansi, induktansi, kapasitansi, arus atau tegangan. Suatu contoh, sensor cahaya LDR (Light Depending Resistor) akan mengubah perubahan energi cahaya menjadi perubahan resistansi, sensor suhu LM35 akan mengubah energi panas (suhu) menjadi besaran arus atau tegangan.

TRANSDUSER Selain istilah sensor, dalam teknik instrumentasi elektronika juga dikenal istilah transduser yang memiliki fungsi hampir sama atau bahkan sama dengan sensor. Perbedaan pengertian antara sensor dan transduser sangatlah tipis sehingga definisi juga tidak jauh berbeda. Hal ini dapat dilihat pada definisi-definisi berikut ini. A device for converting mechanical energy into electrical energy. www.techfest.com/networking/cabling/cableglos.htm

A device for transforming mechanical energy to electrical energy, or for transforming electrical energy to mechanical energy, such as in microphones and loudspeakers, but not motors or generators. www.yung-li.com.tw/EN/info/Glossary_list.htm

device designed to convert energy from one form to another www.sleepnet.com/definition.html

A device which converts one form of energy into another. The diaphragm in the telephone and the carbon microphone in the transmitter are transducers. They change variations in sound pressure (your voice) to variations in electricity, and vice versa. www.marconi.com/html/glossary/glossaryt.htm

A device that converts energy from one form to another, such as optical energy to electrical energy. www.fiber-optics.info/glossary-t.htm

A mechanism which converts energy from one form to another. For example, a diaphragm converts soundwaves to mechanical vibrations, while a microphone converts them to electrical current, and a loudspeaker or earphone converts electrical energy into soundwaves. The diaphragm, microphone and loudspeaker are all transducers. www2.nlc-bnc.ca/gramophone/src/gloss.htm

a device that converts energy from one form to another, retaining the amplitude variations of the energy being converted. Examples include a microphone, which converts acoustical energy

3


into electrical energy; a loudspeaker, that does the reverse; a photocell that converts light energy to electrical energy. www.owlnet.rice.edu/~elec201/Book/glossary.html

Berdasarkan definisi di atas, transduser dapat diartikan sama dengan sensor yaitu mengubah besaran non listrik menjadi besaran listrik. Contoh transduser misalnya mikropon, loudspeaker dan lain sebagainya. Motor dan generator tidak termasuk sebagai transduser.

AKTUATOR Aktuator merupakan perangkat yang menghasilkan aksi mekanik berdasarkan sinyal inputnya, baik bersifat listrik maupun fluida (pneumatik dan hidrolik). Aktuator biasanya digunakan pada sistim kendali. Sehingga input aktuator berasal dari sistem kendali dan aksi mekanik yang dihasilkan aktuator digunakann untuk menggerakkan sistem yang dikendalikan. Ada beberapa pengertian yang dapat digunakan untuk memperjelas definisi dari aktuator. Misalnya : mechanical action in response to an input signal, which may be either electric or fluidic. www.siemensauto.com/glossaries/electronics_glossary.html

A mechanical, pneumatic, hydraulic or electric device in a control system that furnishes the power to change and/or maintain the position of an element (such as an end-effector) the performs a task. The actuator responds to a signal received from the control system. www.unt.edu/robotics/glossaryA-D.htm

A device which transforms an electric signal into a measured motion using hydraulic, pneumatic or pyrotechnic (explosive) action. www.spenvis.oma.be/spenvis/help/system/glossary.html

4


MACAM-MACAM SENSOR/TRANSDUSER 3. Temperatur Beberapa proses industri memerlukan pengukuran temperatur yang akurat, karena temperatur tidak dapat dikendalikan secara pasti tanpa pengukuran yang tepat. Temperatur merupakan kemampuan tubuh atau bodi dalam berkomunikasi atau melakukan transfer energi. Di sisi lain, kita dapat mendefinisikan temperatur sebagai potensial dari energi panas untuk merambat. Ingat bahwa panas mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Sensor atau transduser temperatur yang digunakan dalam instrumentasi elektronik antara lain : a. Termokopel (Thermocouple) Termokopel terdiri persambungan dua buah logam yang berbeda. Jika ujung sambungan dipanaskan, maka pada ujung lain dari masing-masing logam akan menghasilkan perbedaan tegangan. Semakin tinggi suhu titik

persambungan,

maka akan semakin tinggi perbedaan tegangan dari masing-masing ujung logam tersebut. Termokopel ini sangat luas digunakan dalam dunia industri dalam pengukuran panas.

Copper

Iron X1

Thermocouple junction

Vout X2 Constantan

Copper

Gambar-2. Termokopel

Termokopel biasanya digunakan untuk pengukuran suhu tinggi, karena termokopel

mampu

mengukur

panas

sampai

2500

derajat

Celcius.

5


Thermistor Thermistor merupakan salah sensor suhu, dimana perubahan panas diubah menjadi perubahan resistansi. Dengan kata lain thermistor merupakan sebuah resistor yang sangat peka terhadap suhu. Semakin tinggi suhu akan mengakibatkan nilai resistansi semakin rendah. Bahan yang digunakan biasanya : nikel oksida, mangan, kobalt, tembaga atau logam lain yang peka terhadap suhu.

Gambar-3. Karakteristik resistansi thermistor terhadap suhu

Jangkauan panas yang dapat diukur oleh thermistor lebih rendah dibanding termokopel. Ada dua macam thermistor berdasarkan karakteristik perubahan nilai resistansinya, yaitu PTC dimana semakin besar suhu mengakibatkan resistansi juga semakin besar, sedangkan NTC semakin besar suhu nilai resistansi akan semakin turun. b. RTD (Resistance Temperature Detector) Logam murni seperti platina, nikel, tungsten dan tembaga memiliki koefisien positif, artinya semakin tinggi suhu akan mengakibatkan meningkatnya resistansi. Jangkauan pengukuran suhu menggunakan RTD antara 0 s.d 266 0 C.

6


Gambar-3 RTD dan housing

Gambar-4. RTD beserta karakteristiknya

Gambar-5. Rangkaian pengukur suhu menggunakan RTD

7


c. IC LM35 Sensor temperatur seri LM35 merupakan sebuah sensor temperatur

berupa

rangkaian terintegrasi, dimana outputnya berupa tegangan yang secara linier sebanding dengan temperatur Celcius (Centigrade). Sehingga LM35 memiliki keistimewaan dibandingkan sensor temperatur linear yang bisanya dinyatakan dalam Kelvin, yaitu pengguna tidak perlu mengurangi hasil output sensor dengan bilangan konstan 273 0 . Selain itu LM35 tidak memerlukan kalibrasi eksternal, dengan tingkat akurasi

±¼°C pada suhu kamar, atau ±¾°C untuk jangkah

pengukuran -55 to +150°C. Karakteristik lain dari IC LM35 adalah, memiliki impedansi output yang rendah, output linier, mudah dioperasikan dan digabungkan dengan rangkaian berikutnya misalnya rangkaian kendali. LM35 dapat dioperasikan dengan power supply tunggal maupun power supply ganda (plus dan minus), dan hanya membutuhkan arus 60 µA, panas yang dihasilkan juga tidak terlalu tinggi (kurang dari 0.1°C) meskipun tanpa pendingin. LM35 mampu mengukur temperatur dengan jangkah -55° to +150°C, sedangkan untuk seri LM35C memiliki jangkah pengukuran -40° to +110°C. Kemasan seri LM35 dalam bentuk sama dengan kemasan transistor TO-46, sedangkan seri LM35C, LM35CA dan LM35D juga tersedia dalam bentuk kemasan TO-92, dan seri LM35D juga juga tersedia dalam kemasan TO-220.

Gambar-6. Penggunaan LM35

8


(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar-7. Kemasan LM35 model (a) TO-46; (b) SO-8; (c) TO-92 dan (d) TO-220

Contoh-contoh aplikasi LM35 dalam pengukuran temperatur dapat dilihat pada gambar-gambar berikut ini.

Gambar-8. Contoh aplikasi LM35

Gambar-9. Contoh aplikasi LM35 (Lanjutan)

Tabel-1 berikut ini menunjukkan perbandingan jenis-jenis sensor temperatur terhadap jangkauan suhu yang dapat diukur, linearitas, keuntungan dan kerugian masingmasing. 4. Cahaya Sensor cahaya merupakan pengembangan hasil penemuan Heinrich Hertz pada tahun 1887 tentang efek fotolistrik. Sensor cahaya ini banyak digunakan karena sensor

9


bersifat tidak memerlukan kontak/hubungan. Secara umum, sensor cahaya dikategorikan menjadi (3) tiga jenis perangkat yaitu photoconductive, photovoltaic dan photoemissive. a. Photoconductive Transduser photoconductive, adalah transduser yang mengubah perubahan intensitas cahaya menjadi perubahan konduktifitas. Ada jenis, yaitu : (1) bulk photoconductors, misalnya photoresistor, dan (2) PN junction photoconductor seperti photodioda, phototransistor dan photo Darlington. Photoresistor Beberapa tahun sebelum Hertz menemukan efek fotolistrik, Willoughby Smith mengemukakan bahwa resistansi sepotong selenium akan menurun jika diberi cahaya. Konsep ini sama dengan prinsip yang terjadi pada photoresistor. Bahan yang digunakan untuk photoresistor antara lain Cadmium Sulfit (CdS) atau Cadmium Selenide (CdSe). Photoresistor ini juga sering disebut dengan LDR (Light Depending Resistor).

Gambar-10. Potongan penampang Photoresistor

10


Gambar-11. Contoh penggunaan photoresistor untuk rangkaian pembagi tegangan

Photodiode Intensitas cahaya juga dapat dideteksi oleh junction PN dalam semikonduktor seperti photodiode dan phototransistor. Arus yang dihasilkan oleh photodiode biasanya relatif kecil, sehingga perlu rangkaian penguat agar hasil keluarannya dapat terbaca. Kadang-kadang rangkaian penguat ini sudah dijadikan satu dengan sensor photodiode dalam satu kemasan, sehingga keluaran yang dihasilkan sudah layak untuk proses berikutnya. Gambaran lengkap dari photodiode beserta contoh aplikasinya dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar-11. Photodiode

11


Gambar-12. Aplikasi Photodiode

Phototransistor Phototransistor hampir sama dengan photodiode yaitu termasuk bersifat photosesnsitive. Perbedaannya, phototransistor memiliki arus yang besar dan memiliki penguatan, sehingga penginderaan menjadi lebih peka dan mudah terbaca. Keterangan lengkap beserta contoh aplikasi phototransistor dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar-13. Phototransistor

b.

Photovoltaic Photovoltaic adalah sensor cahaya yang menghasilkan tegangan. Besarnya tegangan yang dihasilkan tergantung intensitas cahaya yang mengenainya.

12


Contoh aplikasi photovoltaic dengan menggunakan penguat operasional dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar-14. Aplikasi photovoltaic

c. Photoemissive Photoemissive transducer pada prinsipnya mengeluarkan elektron pada saat terkena cahaya, misalnya tabung hampa. Meskipun tabung hampa sudah digantikan dengan semikonduktor, tetapi masih ada dua jenis sensor tabung hampa yang digunakan di industri sebagai sensor cahaya yaitu phototube dan photomultiplier. Gambaran lengkap dari sensor cahaya photoemission dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar-15. Phototube

13


Gambar-16. Photomultiplier

14


BAB 3 INSTRUMENTASI dan VARIABEL CONTROL

3.1 PRESSURE / TEKANAN Tekanan dalah gaya tiap satuan luas. Dalam industri, tekanan biasa dinyatakan dengan head, yaitu tekanan yang diberikan oleh tinggi cairan tertentu. Dalam pengukuran, tekanan dibedakan menjadi tekanan mutlak (absolut) dan tekanan relatif (gauge).

Berikut contoh dan prinsip kerja instrumentasinya dengan variabel pressure/tekanan: a. Bellows (tipe elastisitas) Bellows adalah berbentuk pipa yang sisinya berlekuk-lekuk sehingga dapat memanjang atau memendek. Jika tekanan dikenakan pada bagian luar bellows, ujung bebas akan tertekan dan secara keseluruhan pipa akan memendek. Besar gerak pemendekan pipa sebanding dengan besar tekanan yang dikenakan. Bellows ini dipakai pada PIC untuk control valve

15


b. Tipe Sensor Regangan (Strain-gauge) Defleksi diafragma akibat tekanan akan meregangkan kawat yang direkatkan padanya, sehingga resistansi kawat berubah sebanding dengan tekanan

c. Tipe Piezo-electric Sensor tekanan tipe ini bekerja berdasar efek piezo-elektrik, yaitu listrik yang dihasilkan sebanding dengan besar gaya yang menekan

Strain Gauges Strain gauges digunakan untuk mengukur tekanan atau tarikan. Jika sebuah konduktor ditarik atau ditekan maka diameter akan berubah. Perubahan diameter ini akan mempengaruhi nilai resistansi. Dengan demikian sensor strain gauge ini akan mengubah besaran tekanan menjadi resistansi. Bahan yang digunakan untuk strain gauge adalah nikel, mangan, nikrom, constantan dan besi. Adapun jenis strain gauge adalah : (1) Wire wound strain gauges; (2)

16


Foil type strain gauges dan (3) Semiconductor strain gauges. Berikut ini macam-macam strain gauge resistansi.

Gambar-17. Macam-macam strain gauge resistif

3.1.1 Instalasi Piranti Ukur Tekanan A. Pengukuran Tekanan Fluida Viskositas Tinggi 9 Remote-seal type pressure transmitter. Fluida terukur dari seal liquid dipisahkan oleh diafragma. Pipa kapiler yang dipakai untuk hubungan ke transmitter maksimum 5 m. 9 Reguler type pressure transmitter. Disini dipakai seal pot (tangki pemi- sah cairan) yang dipasang antara transmitter dan fluida terukur.

17


B. Pengukuran Tekanan Fluida Korosif 9 Remote-seal type pressure transmitter. Diafragma dibuat dari bahan ta-han korosi, misal monel, tantalum, dll. Demikian pula flange dibuat dari bahan baja tahan karat (stainless steel) yang dilapisi monel, tantalum, atau bahan lain yang tahan korosi. 9 Purging. Saluran penghubung antara pipa fluida dan transmitter dialiri udara atau gas nitrogen pada laju alir rendah agar pengaruh pada hasil pengukuran tidak besar.

18


3.1.3 KALIBRASI TEKANAN Kalibrasi tekanan dilakukan dengan piranti ukur standar seperti mano-meter pipa-U atau dead weight gauge calibrator. Gambar berikut variasi pipa-U untuk keperluan dan pengukuran.

Dalam pemakaian di industri proses, manometer pipa-U kurang praktis. Gambar berikut menyajikan jenis dead weight calibrator.

19


3.2 TEMPERATURE Suhu adalah ukuran derajat aktivitas termal partikel dalam material. Jika dua benda berbeda suhunya, panas akan ditransmisikan dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin sampai kedua benda memiliki suhu yang sama (disebut keseimbangan termal).

3.2.1 Sistem Termal Isian Sistem termal isian bekerja berdasarkan prinsip pemuaian fluida. Piranti ini dibedakan menjadi dua jenis, yaitu berdasar perubahan volume dan tekanan. A. Pada jenis pertama, sistem berisi cairan.

20


B. Sistem berisi Uap

C. Sistem Isian Gas

Tabel Klasifikasi SAMA untuk sistem isian adalah sebagai berikut : Klasifikasi

Uraian Liquid –filled volume –change (selain merkuri)

I

IA – Full compensation IB – Case compensation

21


Vapor-filled pressure-change IIA – Dirancang untuk suhu di atas suhu lingkungan II

IIB – dirancang untuk suhu dibawah suhu lingkungan IIC – Dirancang u/ suhu diatas dan bawah suhu lingkungan IID – Dirancang untuk seluruh suhu Gas-Filled pressure-change

III

IIIA – full compensation IIIB – case compensation Mercury-filled volume change

V

VA – full compensation VB – case compensation

3.2.2 Thermometer Bimetal Bekerja dengan prinsip bahwa logam akan memuai jika dikenai panas dan koefisien pemuaiannya untuk setiap jenis logam akan berbeda. Elemen yang sensitif terhadap suhu adalah campuran antara dua jenis logam yang dikeraskan menjadi lempengan berbentuk pita.

22


3.2.3 Termometer Resistansi (RTD) Metode pengukuran suhu yang teliti yaitu dengan menggunakan termometer resistansi listrik. Piranti ini terdiri atas resistor yang harga resistansinya bergantung pada suhu.

3.2.4 Termokopel Berisi pasangan konduktor yang terdiri atas dua logam atau paduan berbeda yang ujungnya saling dihubungkan. Cara kerjanya didasarkan atas kombinasi efek termoelektrik. Ketika dua titik hubung dua jenis logam yang berbeda (T1 dan T2), akan timbul tegangan listrik antara titik M dan N. Hubungan antara suhu dan tegangan adalah sebagai berikut.

v0 = C1 (T1 − T2 ) + C2 (T1 − T2 ) 2 Dengan, C1 dan C2

= konstanta termoelektrik material

T1 dan T2

= Suhu titik hubung 23


d. Rangkaian Termokopel hubungan Tunggal

e. Rangkaian Termokopel hubungan ganda

f.

Pengukuran GGL langsung

g. Pengukuran GGL dengan titik reverensi nol

3.2.4.1 TIPE TERMOKOPEL Tabel Tipe termokopel Menurut Standard Instrument Society Of America (ISA)

24


Tipe

Bahan

Rentang Suhu (C)

GGL (V)

B

Platina, 6% Rodium (+) dan Platina, 30% Rodium (-)

0… 1820

0… 13,814

R

Platina (+) dan platina, 13% Rodium (-)

-50… 1768

-0,226… 21,108

S

Platina (+) dan platina, 10% Rodium (-)

-50… 1768

-0,236… 18,698

J

Besi (+) dan Konstantan (-)

-210… 760

-8,096… 42,922

K

Khromel (+) dan Alumel (-)

-270… 1372

-6,458… 54,875

T

Tembaga (+) dan Konstantan (-)

-270… 400

-6,258… 20,869

E

Khromel (+) dan Konstantan (-)

-270… 1000

-9,835… 76,358

3.2.5 PYROMETER Pirometer digunakan untuk mengukur suhu berdasar prinsip radiasi termal yang dipancarkan benda. Kelebihan pirometer adalah, tidak menyentuh objek terukur. Dengan demikian pengukuran hampir tidak mempengaruhi suhu benda. Pirometer banyak digunakan untuk mengukur lelehan besi dan suhu tanur pembakaran

25


3.3 FLOW / ALIRAN Alat ukur flow disebut dengan Flowmeter. Flowmeter dibedakan menjadi beberapa jenis : •

Beda Tekanan (differential pressure atau head meter) orifice plate, venturi tube, flow nozzle, pitot tube, elbow dan rotameter.

•

Perpindahan positif (positive displacement) : piston, oval-gear, nutatingdisk dan rotary vane types.

•

Velocity Meter : Turbine Flowmeter

•

Mass Flowmeter : Coriolis

•

Magnetic Flowmeter

3.3.1 BEDA TEKANAN Hubungan antara kecepatan dan tekanan dalam pipa antara titik 1 dan 2 dengan meniadakan pengaruh gesekan, diberikan oleh persamaan Bernoulli (1700 – 1782). p1V + ½ mv12 + mgz1 = p2V + ½ mv22 + mgz2 karena, v = m/ρ dan Q = v A, maka laju alir volume, Q, untuk kondisi ideal ialah, Q=

A2

1 − ( A2 / A1 )

2

⎛ p − p2 ⎞ 2 g ⎜⎜ 1 + z1 − z 2 ⎟⎟ ⎝ ρ ⎠

*** Prinsip Pengukuran •

Kompensasi kehilangan energi dilakukan dengan memasukkan faktor koefisien kecepatan (Cv) ke dalam persamaan tersebut

•

Faktor-faktor yang mempengaruhi laju alir fluida adalah viskositas, densitas, dan gesekan fluida

dalam pipa

26


3.3.2 ORIFICE METER Jarak minimum dari pelat orifice

27


3.3.3 TABUNG VENTURI Ukuran tabung venturi menurut ASME

Laju alir fluida yang melalui pipa dirumuskan sebagai Q=

Cv A2

1 − ( A2 / A1 )

2

⎛ p − p2 ⎞ 2 g ⎜⎜ 1 + z1 − z 2 ⎟⎟ ⎝ ρ ⎠

28


3.3.4 FLOW NOZZLE Flow nozzle serta ukuran yang dianjurkan oleh ASME

Dall flow tubes

3.3.5 ELBOW METER Penempatan sensor tekanan pada elbow meter

Laju alir volume, Q, diperoleh dengan persamaan 3.9. Nilai koefisien elbow meter (C) berkisar antara 0,56 dan 0,88 29


3.3.6 CORIOLIS Coriolis mass flowmeter terdiri dari unit sensor dan unit transmiter elektronik. Unit sensor dapat berupa satu atau dua flow tube. Unit sensor menggunakan mekanisme magnetic coil untuk menggetarkan flow tube, yang bergetar dengan frekuensi atau harmoni alami seperti garputala. Aplitudo puncak getaran umumnya kurang dari 1/10 inch.

Fluida yang melewati tube akan menghasilkan gaya coriolis, yang selalu melawan arah aliran dan menyimpangkannya. Fulida yang makin cepat sisi inlet dan lambat di sisi outlet akanmenyebabkan tube memuntir. Jumlah puntiran berbanding lurus dengan laju alir massa yang melewati tube. Dua detektor ditempatkan di masing-masing sisi dari flow tube, mengirimkan informasi ini (sebagai suatu shift perbedaan fasa) kepada unit transmiter elektronik, untuk kemudian diproses dan di-display. a. Efek Coriolis Vibration

(a) Kondisi Tanpa aliran

(b) Kondisi ada alian

30


b. Efek Coriolis Rotation

(a) Kondisi Tanpa aliran

(b) Kondisi ada alian

3.3.7 TURBINE FLOW METER Digunakan untuk cairan/gas dengan flow rendah Terdiri dari 3 komponen dasar: rumah rotor dan magnetic pick-up coil Rotor mempunyai sudu banyak (multi-bladed) yang dipasang pada aliran fluida dengan bantalan yang bergerak bebas. Sumbu rotasi rotor tegak lurus terhadap arah aliran

Rotor berputar akibat aliran fluida yang mengenainya

Kecepatan rotasi menunjukkan kecepatan flow Kecepatan rotasi dideteksi oleh electromagnetic pick-up coil, yang bekerja berdasarkan prinsip medan magnetik yang bergerak melalui sebuah coil.

31


3.4 LEVEL CAIRAN 3.4.1 Prinsip Pengukuran Pengukuran tinggi permukaan atau berat material yang disimpan dalam bejana dapat dilakukan secara langsung atau tak langsung. Termasuk metode langsung adalah gelas duga (sight glass). Sedangkan dalam metode tak langsung memakai prinsip pengukuran tekanan hidrostatik pada titik tertentu, menurut persamaan dibawah ini.

p = ρgh dengan, p = tekanan hidrostatik (Pa) ρ = densitas cairan (kg m-3) h = tinggi cairan diatas titik pengukuran (m) g = percepatan gravitasi (9,81 m s-2) Pelaksanaan pengukuran tinggi cairan dapat menggunakan beberapa metode berikut : ► Metode apungan (float method) ► Metode anjakan (displacement method) ► Metode tekanan ► Metode kapasitansi ► Metode radiasi (sinar gamma dan ultrasonik) ► Metode termal 3.4.2 Metode Apungan - Prinsip Metode apungan mengukur tinggi permukaan berdasar prinsip gaya apung yang diberikan oleh cairan adalah sebanding dengan tinggi permukaan cairan disekitarnya

32


- Penerapan Metode apungan diterapkan untuk tangki terbuka dengan rentang pengukuran antara 75 mm dan 15 m. Suhu operasi maksimum adalah 260 oC dengan ketidaktelitian 1% skala penuh. 3.4.3 Metode Anjakan - Prinsip Metode anjakan mengukur tinggi permukaan cairan didasarkan atas kenyataan bahwa gaya apung pada batang apung sebanding dengan tinggi permukaan cairan di sekitarnya

Gaya yang bekerja pada batang apung adalah sama dengan berat batang dikurangi gaya apung oleh cairan di sekitarnya. Gaya neto sebesar

f = mg − ρgAh Dengan: -

f

= gaya neto (N)

-

m

= massa batang (kg)

-

g

= gravitasi (9,81 m s-2)

-

ρ

= densitas cairan (kg m-3) 33


-

-

A

= luas penampang batang (m2)

-

h

= panjang batang yang berada di dalam cairan

Penerapan Metode anjakan dapat digunakan untuk tangki terbuka atau tertutup dengan rentang pengukuran berkisar antara 0,15 dan 3,6 meter. Suhu operasi hingga 450 oC dengan ketidaktelitian 0,5% skala penuh. Dengan pemilihan yang tepat, tipe ini dapat dipakai untuk semua jenis cairan. Fluktuasi densitas atau tekanan dapat ditangani dengan baik. Dapat digunakan untuk pengukuran suhu tinggi dan tinggi bidang batas dua cairan.

3.4.4 METODE RADIASI 3.4.4.1 Metode Radiasi Sinar Gamma Metode ini di dasarkan atas kenyataan intensitas sinar gamma yang menembus cairan tergantung pada ketebalan atau tinggi permukaan cairan. Hampir semua kondisi cairan (jernih, kental, mengandung padatan, bidang batas) bahkan padatan, dapat diukur dengan baik kecuali cairan berbusa. Kelemahannya perlu biaya tinggi dan harus ada lisensi khusus pemakaian sinar radioaktif. Penerapannya baik pada tangki terbuka atau tertutup dalam rentang pengukuran yang luas 3.4.4.2 Metode Radiasi Sinar Ultrasonic

34


Metode radiasi ultrasonik didasrkan atas efek gema yang dipantulkan oleh permukaan cairan. Metode ini sangat handal, akurasinya baik, dan efek korosi dan efek korosidan kontaminasinya dapat minimum. Kelemahannya adalah terganggu oleh adanya debu, busa, pengembunan uap, dan relatif mahal. Metode ini dapat diterapkan dengan baik pada tangki terbuka atau tertutup dalam rentang pengukuran yang luas. Suhu operasi hingga 150 0C dengan ketidaktelitian 1% skala penuh.

35

BAB 1 INSTRUMENTASI. Instrumentasi dan Kalibrasi

Recommend Documents