BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengertian Alat Ukur Level Mengukur adalah suatu aktivitas atau tindakan membandingkan suatu besaran yang belum diketahui nilainya atau harganya terhadap besaran lain yang sudah diketahui nilainya, misalnya dengan besaran yang standar. Pekerjaan membandingkan tersebut tidak lain adalah pekerjaan pengukuran atau mengukur. Sedangkan pembandingnya yang disebut sebagai alat ukur level. Pengukuran banyak sekali dilakukan dalam bidang teknik atau industri. Sedangkan alat ukurnya sendiri banyak sekali jenisnya, tergantung dari banyak faktor, misalnya objek yang di ukur serta hasil yang diinginkan. Pengetahuan yang harus dimiliki adalah bagaimana menentukan besaran yang di ukur, bagaimana mengukurnya dan mengetahui dengan apa besaran tersebut harus di ukur. Ketiga hal tersebut mutlak harus dimiliki oleh orang yang akan melakukan pengukuran. Pengetahuan akan alat ukur level dan objek yang dihadapi adalah suatu syarat agar pengukuran yang benar dapat dilakukan. Ini juga berarti bahwa cara melakukan pengukuran yang benar akan diperoleh, jika objek yang dihadapi dapat diketahui disamping pengetahuan tentang cara kerja alat ukur level juga harus dikuasai. Bergantung dari alat ukurnya, pengukuran dapat dilakukan dengan cara langsung dan tidak langsung. Pengukuran dikatakan langsung bila alat ukurnya atau pembandingnya adalah standar, yaitu suatu pengukuran yang mempunyai nilai standar, misalnya ukuran panjang dan berat. Sedangkan pengukuran
Universitas Sumatera Utara
dikatakan tidak langsung bila pembandingnya adalah suatu yang telah dikalibrasikan terhadap besaran standar, misalnya termometer elektronik. Karena sulitnya untuk mendapatkan alat ukur standar, sedangkan besaran yang akan di ukur banyak sekali jenisnya, maka teknologi telah menghasilkan banyak cara untuk menghasilkan alat ukur tidak langsung. Dalam pengukuran digunakan sejumlah istilah sebagai berikut : 1. Ketelitian (Accuracy), yaitu
: Harga suatu pembacaan instrumen yang mendekati harga sebenarnya dari veriabel yang di ukur.
2. Ketepatan (Precision), yaitu
: Kemampuan
untuk
mendapatkan
hasil
pengukuran yang sama dengan memberikan harga tertentu bagi sebuah variabel. 3. Kesalahan (Error), yaitu
: Penyimpangan variabel yang di ukur dari harga yang sebenarnya.
4. Sensitivitas (Sensitivity), yaitu : Perbandingan
antara
sinyal
keluaran
terhadap perubahan masukan atau variabel yang di ukur. 5. Resolusi (Resolution), yaitu
: Perubahan nilai terkecil dalam nilai yang di ukur, dimana instrumen akan memberi respon.
Universitas Sumatera Utara
2.2 Metode-Metode Pengukuran Level Beberapa metode yang telah dikembangkan untuk pengukuran level yang kontiniunya secara otomatis antara lain adalah : 1. Float dan Cable Instrumen Float dan Cable yaitu mengukur ketinggian level dengan alat yang menggunakan metode naik dan jatuh dari pelampung pada permukaan level. Mekanisme ini digunakan untuk menghitung variasi level dengan range antara beberapa inci sampai ukuran feet. Float dan Cable biasanya digunakan pada tangki terbuka, karena perubahan ketinggian pelampung ini di desain untuk tangki yang bertekanan. Pelampung ini mempunyai keuntungan yaitu : sebagai simple dan sensitive terhadap perubahan densitas. Keuntungan terbesarnya yaitu pembatasannya untuk level material yang terisi pada tangki atau SILO. Turbulance juga dapat menimbulkan masalah pada pengukuran. Teknik float dan cable tidak memberi kemungkinan pada konsep transmitter yang dapat dilakukan oleh teknik lainnya. Float diklasifikasikan dengan tipe dari posisi sensor (reed switch, cable, pot, magnetostrictive and sonic atau radar). Keuntungan menggunakan float tidak ada batasan ketinggian tangki, akurasi yang bagus (tergantung dari tipe float) dan harganya relatif murah. Prinsip float dari pengukuran level ini adalah displacer. Teknologi displacer didasarkan pada hukum archimedes. Displacer secara berkala ditempatkan pada external cages, yang mana dapat mempengaruhi akurasi jika level pada vessel/cage tidak lurus.
Universitas Sumatera Utara
2. Displacement (perpindahan) Perpindahan atau buoyancy tekniknya adalah sebuah transmitter gaya yang seimbang. Ini biasanya digunakan untuk mengukur ketinggian material antara permukaan atau densitas dengan menggunakan gaya buoyancy pada sebuah displacer di bawah permukaan level. Gaya buoyancy terkonversi dengan adanya gaya seimbang pneumatic atau mekanisme mekanik yang profesional 3 – 15 Psi, 20 – 100 Kpa, 4 – 20 mA/dc atau 10 – 50 mA/dc signal. Transmitter Buoyancy ini biasanya tidak dianjurkan untuk kondisi proses yang sangat turbulance, karena dapat menyebabkan displacernya berputar-putar atau pengukuran yang tidak terduga yang dapat menyebabkan kerusakan pada displacer, transmitter atau vessel. Dalam beberapa kasus bentuk displacer containment biasanya jarang digunakan. 3. Head or Pressure (kepala atau tekanan) Pengukuran dari kepala atau tekanan untuk menghitung ketinggian merupakan salah satu cara yang banyak digunakan, dimana ketinggian dihitung dengan mengukur tekanan yang banyak dan bervariasi yang merupakan satu dari berbagai teknik yang dipakai saat ini. 4. Capasitance (kapasitas) Jika sebuah alat penguji dimasukkan ke dalam sebuah tangki dan pengukur kapasitansi diletakkan diantara alat dan tangki perubahan ukuran dalam tangki akan terjadi kapasitansi dengan level material. Kejadian ini terlihat perbedaan yang jelas antara konstanta dielektrik udara dan material di dalam tangki. Teknik ini lebih baik diaplikasikan pada material non-konduktif, semenjak cara ini menjadi terbaik untuk menghindari masalah yang ditimbulkan oleh material.
Universitas Sumatera Utara
5. Conductancy (konduktansi) Sensor level konduktivitas terdiri dari dua elektroda yang dimasukkan ke dalam vessel atau tangki untuk di ukur. Ketika level meningkat cukup tinggi untuk memberikan sebuah garis konduksi dari satu elektroda ke elektroda yang lain secara berantai (padatan atau coil) yang berisi energi. Secara berantai dapat digunakan untuk alarm ataupun control, kemudian konduktivitas ada diantara poin kontrol atau alarm control. Material tersebut dapat menjadi konduktor dan tidak akan berbahaya jika terjadi percikan. Level dengan konduktivitas sekali-kali dapat ditemukan pada aplikasi proses di pabrik. 6. Nucleonic (radiasi) Pengukuran level dengan menggunakan radiasi secara umum tertdiri dari sebuah alat radioaktif pada salah satu sisi tangki dan sebuah detector pada bagian yang lain. Apabila radiasi itu melewati tangki, intensitasnya berubah dengan material yang ada di tangki yang berhubungan dengan levelnya. Salah satu keuntungannya yaitu tidak ada kontak dengan material dan salah satu kerugiannya yaitu harganya yang mahal dan sulit bersatu dengan material radioaktif. Cara radioaktif ini dapat menyelesaikan masalah-masalah yang rumit dalam pengukuran level. 7. Weight (berat) Terkadang pengukuran volume dari sebuah SILO menjadi sangat sulit karena tidak ada alat yang dapat bekerja. Ketika hal ini terjadi, maka akan sangat menguntungkan jika memakai sistem weighting (pemberat). Berat cell satu diantara hidrolik atau ukuran tegangan digunakan untuk pemberat vessel dan volumenya. Berat dari SILO sama dengan nol (o) yang biasa keluar dari
Universitas Sumatera Utara
pembacaan, dimana akan menghasilkan dalam sinyal yang akurat ke volume SILO. Salah satu keuntungan dari sistem pemberat ini yaitu tidak ada kontak langsung dengan volume SILO dan sensor, tetapi sistem ini tidak ekonomis dan variasi dari densitas dapat merusak hubungan antara sinyal dengan level yang sebenarnya. 8. Ultrasonic Censor Level Ultrasonic terdiri dari sebuah generator ultrasonic atau operasi dengan menggunakan oscillator pada frekuensi ± 20.000 Hz. Waktu yang dibutuhkan gelombang suara untuk masuk ke material balik kembali ke pesawat penerima yang telah di ukur, karena waktu tersebut menunjukkan level. Cara ini benar-benar sesuai dan akurasinya baik. Selanjutnya tidak ada kontak dengan cairan di dalam tangki, dimana dapat meminimilisasi korosi dan kontaminasi yang mana pada umumnya ekonomis. Instrument sonic mendeteksi level dengan mengukur berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk gelombang suara dan kembali ke piezoelectric transducer setelah mengenai material. Untuk akurasi yang maksimum transmitter harus diletakkan pada bagian atas vessel dan diposisikan sedemikian rupa, agar struktur dalam vessel tidak mengenai sinyal. Peralatan sonic ini tidak saling berhubungan. Debu, uap-uap pelarut, busa, turbulance pada permukaan dan bunyi ambient mempengaruhi tingkat akurasi. Perpanjangan temperatur proses dapat membatasi aplikasi.
Universitas Sumatera Utara
9. Thermal (suhu) Salah satu cara yang sedang berkembang yaitu sebuah sensor thermal, dimana sensor thermal tersebut menghitung level berdasarkan pada perbedaan temperatur antara material dengan udara di atasnya, ketika material kontak dengan sensor maka perhitungan dari levelpun terjadi. Teknik thermal ini tidak terlalu mahal, tapi digunakan untuk popularitas dalam aplikasi proses. 10. Diffrential Pressure Transmitter Ada berbagai macam cara yang digunakan untuk mengukur ketinggian suatu material di dalam tempat-tempat penyimpanan dan proses vessel di sebuah industri. Salah satu cara yang biasa digunakan yaitu dengan menggunakan suatu peralatan yang disebut diffrential pressure transmitter (dp). Peralatan ini secara aktual mengukur ketinggian suatu material di dalam vessel beserta densitasnya. Dua variabel ini digandakan dengan hasil dari jumlah tekanan yang digunakan di dalam rongga, dimana alat ini dapat merubahnya ke dalam petunjuk level. Diffrential Pressure Transmitter ini relatif murah dan mudah untuk di install. Teknologi yang nyaman ini benar-benar akurat dan dapat diandalkan ketika digunakan untuk mengukur level dari material, karena perubahan densitas dibutuhkan untuk keakuratan pengukuran. 11. Radar Level Transmitter Peralatan ini berbasiskan radar sinar microwaves pada proses dipermukaan material. Bagian dari material yang direfleksikan balik dan di deteksi dengan sensor. Waktu yang dibutuhkan sinyal tersebut kembali dihitung sebagai level.
Universitas Sumatera Utara
Teknologi yang digunakan termasuk : 1. Frequency Modulated Continous Wave (FMCW), mengabaikan uap-uap dan bebas dari perubahan karakteristik fisik (kecuali dielektrik tetap) pada proses material. Aplikasi tersebut termasuk tetap, tetapi tidak turbulance. Harganya cukup mahal dibandingkan teknologi lainnya. 2. Pulsed Time Of Flight (PTOF), menggunakan material yang sedikit dan harganya relatif murah. Terlepas dari materialnya yang rendah, performancenya dapat dibatasi oleh hal-hal sebagai berikut : gangguangangguan vessel, agitasi, busa, tekanan tinggi dan rendahnya dielektrik material. 3. Time Domain Reflectometry (TDR), tidak seperti FMCW dan PTOF. Time Domain Reflectometry merupakan pengukuran yang menggunakan tangki atau kabel fleksibel untuk menghubungkan bunyi microwave. Alat ini dapat mengukur normal antara permukaan level di dalam material. Alat ini murah dan dapat mengukur jangkauan yang panjang dan bagus juga untuk material di dalam tangki yang dielektriknya rendah. 12. Radio Frequency (RF) Admitance Level Transmitter Radio frekuensi berdasarkan kapasitansi dan admitansi dapat mengatasi kondisi proses dengan range yang luas. Temperatur dan tekanan proses terbuka, hanya sistem material dengan sensor elemen yang dapat diproses. Transmitter level dari jenis ini dapat mengalami perubahan electrical yang terjadi dengan perubahan level pada sensor. Peralatan RF mengabaikan material yang mengembang pada sensor dan bekerja dengan seluruh tipe dari proses material.
Universitas Sumatera Utara
13. Microimpulse Levelflex FMP 232 E / 332 E Pengukuran yang aman walaupun selama pengisian secara pneumatic juga dapat dipakai untuk beberapa produk yang sering berganti-ganti, seperti serbuk dan butiran halus, tetapi tidak bergantung pada sifat produk seperti kelembaban, densitas, konstanta dielektrik dan ain-lain. Levelflex menggunakan frekuensi microimpulse yang tinggi, dimana dikendalikan dengan sebuah penghubung dari baja. Permukaan produk memantulkan sinyal kemudian dianalisis oleh sebuah alat instrumen. Prinsip pengukuran baru ini tidak bisa dipungkiri, bahwa di dalam dunia pemasaran alat ini mempunyai jangka waktu yang pendek setelah diluncurkan. Lebih dari 10.000 peralatan-peralatan pengukuran dilengkapi Endress + Hauser dengan range yang luas pada pengalamannya di dalam aplikasi. Pengalaman tersebut memberikan perlindungan level dalam material (bulk solid) dengan menggunakan levelflex yang aman, mudah dan cara yang tepat. 14. Electromechanical Sistem mekanik dengan tali pengukur yang tegak lurus dapat diaplikasikan di dalam vessel yang tinggi (sampai 70 m) yang tidak berpengaruh dengan awan, kabut dan debu.
Pengukuran Ketinggian Dengan Kapasitansi Listrik Level (ketinggian) serbuk padat atau alumina bisa di ukur dengan memakai pengaruh kapasitansi listrik. Kapasitansi dari elemen pengamatan kapasitansi listrik yang sesuai berbeda dengan tingkat material dan pengukuran listrik kapasitansi memberikan sebuah bacaan tingkat langsung. Sebagian besar pengukuran menggunakan energi frekuensi radio yang bertingkat rendah pada
Universitas Sumatera Utara
pengamatan. Sejenis peralatan pengukuran elektronis dapat dipakai. Sistem osilator tunggal dapat dipakai untuk unit penelitian spot-check titik tunggal, sedangkan untuk pengukuran yang terus-menerus sejenis instrumen disediakan untuk mendapatkan output arus kontrol 4-20 mA. Kelebihan dan Keterbatasan Elemen pengamatan utama bisa sangat sederhana tanpa memiliki bagian yang bergerak. Kemampuan tekanan, suhu dan resistansi korosi mudah saja diperoleh. Elemen pengamatan mudah dibersihkan dan standar sanitari mudah ditemukan. Secara umum keamanan dari elemen dengan instrumentasi probe bisa diperoleh dengan mudah. Biaya sistem kapasitansi sedikit lebih tinggi dari sistem mekanis sederhana ataupun unit pneumatik, tetapi bila kondisi operasi membuat sistem terakhir tidak bisa diterima, sistem kapasitansi memberikan performan yang paling baik pada biaya rendah. Sistem kapasitansi memiliki keterbatasan-keterbatasan, yaitu : 1. Jika konstanta dielektrik medium yang di ukur berubah dengan suhu, kesalahan suhu akan terjadi. 2. Kepadatan material atau liquid konduksi (pada zat cair) yang melapisi elemen pengamatan mengakibatkan kesalahan ataupun sama sekali menyalahi bacaan. 3. Tingkat interface antara dua material konduksi tidak bisa di ukur.
Sistem Ketinggian Zat Padat yang Berupa Serbuk Industri yang memakai atau memproduksi serbuk padat dalam bentuk serpihan-serpihan
dan
butiran-butiran
serta
gumpalan-gumpalan,
proses
penyimpanannya secara normal dibungkus dan menggunakan tangki-tangki atau SILO sebagai tempat penyimpanan. Sistem mekanik untuk pengisian tangki-
Universitas Sumatera Utara
tangki tersebut adalah untuk mengetahui ketinggian serbuk padat. Prinsip objektif dari sistem ini untuk mencegah terjadinya kelebihan pengisian. Secara otomatis serbuk padat mempunyai sistem yang signalnya berubah untuk tiap-tiap ketinggian. Secara umum ada signal-signal listrik yang dapat di dengar dan dapat dilihat. Memulainya dan berhentinya motor atau menjalankan katup solenoid. Beberapa mekanik listrik, elektronik dan dapat digunakan beberapa kontrol ketinggian nucleonic. Kemudian secara umum komponen mendekati harga tertinggi dalam penerapannya (aplikasi). Selanjutnya harga terendah dan menengah dari komponen akan segera seimbang. Yang paling sesuai untuk kontrol ketinggian akan diatur dari faktor-faktor berikut ini : 1. Perubahan temperatur. 2. Perubahan tekanan gas dan udara. 3. Getaran. 4. Muatan air untuk kepadatan serbuk. 5. Penggabungan komponen kontrol dengan material serbuk. 6. Peralatan dari material serbuk, termasuk density, aliran, bentuk partikel dan karakteristik dielektrik.
Universitas Sumatera Utara
