Judul buku: PENGUKURAN TEKNIK Oleh Raldi Artono Koestoer
The author has more than 20 years of teaching and research experience in thermalfluid engineering sciences at University of Indonesia Faculty of Engineering.
ISBN 979-97726-1-3
Cover design oleh Ahmad Fauzan. Finishing gambar oleh Ahmad Fauzan. Pendorong semangat: Nandyputra, Harinaldi, Yulianto, Engkos, Imansyah dll.Sponsor: Laboratorium Perpindahan Kalor, Teknik Mesin FTUI.
Penerbit : Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Univ. Indonesia
Diperkenankan mengutip, mengcopy, menggandakan baik sebagian maupun seluruh isi buku ini.
HAK CIPTA DILINDUNGI OLEH UNDANG-UNDANG
KATA PENGANTAR Buku PENGUKURAN TEKNIK,
Rasanya sudah beberapa kali saya menerbitkan buku dan diktat mengenai Pengukuran Teknik. Akan saya coba urut seingat saya dari sejak tahun 1993 dalam bentuk kertas ketikan yang mungkin waktu itu halamannya hanya berjumlah 40 an. Tahun 1996 dibuat dalam bentuk yang lebih baik oleh Nandy Setiadi sehingga bisa disebut diktat Pengukuran Teknik. Tahun 1997, dalam bentuk penyelesaian soal-soal dari buku Holman (Engineering Measurement) yang kemudian terbit atau dipublikasi diluar oleh penerbit Andi Offset tahun 1998. Setelah mengalami perubahan yang cukup banyak dan masih saja tetap terasa kurang dan tak pernah sempurna, jadilah buku Pengukuran ini, yang boleh dibilang saya paksakan selesai karena akan digunakan untuk bahan kuliah bagi mahasiswa Fakultas Teknik UI, Departemen Teknik Mesin, program Internasional tahun 2005 dalam bentuk buku-elektronik. Beberapa perbaikan format dan disain telah dilakukan sehingga buku ini bisa terbit sebagai buku normal biasa pada tahun 2005 ini. Kritik dan saran dari pembaca akan diterima dengan lapang dada.
Jakarta, 01 Nov 2004.
Raldi Artono Koestoer
i
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ........................................................................................................ i BAB 1 PENGUKURAN TEKANAN .............................................................................. 1 1.1. Sistem Pengukuran................................................................................................ 1 1.1.1. Tahap Detektor – Transduser ...................................................................... 2 1.1.2. Tahap Intermediate...................................................................................... 2 1.1.3. Tahap Pembacaan........................................................................................ 2 1.2. Sistem Penginderaan Listrik ................................................................................. 3 1.2.1. Transduser Tahapan Variabel ...................................................................... 3 1.2.2. Transformator Diferensial........................................................................... 4 1.2.3. Transduser Kapasitif ..................................................................................... 5 1.2.4. Transduser Piezoelektrik............................................................................. 5 1.2.5. Transduser Fotoelektrik .............................................................................. 6 1.2.6. Transduser Regangan Tahanan ................................................................... 7 1.3. Sistem Pengukuran Tekanan ................................................................................. 9 1.3.1. Manometer Tabung ................................................................................... 10 1.3.2. Tabung Bourdon........................................................................................ 11 1.3.3. Pengukur Diafragma ................................................................................. 12 1.4. Transduser Tekanan ............................................................................................ 14 1.4.1. Konsep Kerja Umum ................................................................................ 15 1.4.2. Mekanisme Gerakan Transduser............................................................... 15 1.4.3. Elemen dari Transduser Tekanan Diferensial dan Gauge ......................... 16 1.4.4. Aplikasi-aplikasi Khusus Transduser Tekanan Diferensial dan Gauge .... 16 1.5. Industrial Pressure Switch................................................................................... 17 1.5.1. Cara Pengoperasian................................................................................... 19 1.5.2. Penyetelan Tekanan................................................................................... 19 1.5.3. Beberapa Jenis Media Operasi yang Sesuai Digunakan ........................... 22 1.5.4. Spesifikasi Teknis Industrial Pressure Switch........................................... 23 1.5.5. Transduser Tekanan Diferensial dengan Kristal Kuarsa Sebagai Sensor . 25 1.6. Jenis-Jenis Transduser Tekanan Diferensial Dan Gauge .................................... 26 1.6.1. Differensial Pressure Transduser Model WGT-420 .................................. 26 1.6.2. Modus Diferensial Pressure Transduser.................................................... 28 1.6.3. Seri PX80 Thick Film ............................................................................... 30 1.6.4. TO-8 PC Board Mount.............................................................................. 32 1.6.5. Micromachined Pressure Transducer for Noncorrosive Dry Gases.......... 32 1.6.6. Pressure Transducer P3 MB...................................................................... 33 1.6.7. Beberapa hbm Diferensial Pressure Transduser ....................................... 33 1.6.8. PX80-MV Wet/Wet Low Differential- Strain Gauge Pressure Transducer .. 34 1.6.9. PX82-MV Wet/Wet Low Differential – Strain Gauge Pressure Transducer. 34 1.6.10. PX81-MV Wet/Wet High Accuracy-Differential Strain Gauge Pressure Transducer................................................................................................. 35 ii
1.6.11. Model 264/C264 Very Low Differential................................................... 35 1.6.12. Model 239/C239 High Accuracy Low Range Differential Pressure ........ 36 1.6.13. Tank Level Differential............................................................................. 36 1.6.14. Differential Pressure Transducer Produk Megatron ................................. 38 1.6.15. Sable System International Transduser Tekanan PT-100P........................ 38 1.6.16. New Delta Plus Transduser Tekanan Diferensial Multiguna .................... 40 1.6.17. Transduser Tekanan Produk Sensotec Model Yang Tersedia.................... 41 1.6.18. SP 100 ....................................................................................................... 42 1.6.19. Psi-100 Milivolt Output Pressure Transducer........................................... 44 1.6.20. Semi-Conductor Pressure Transducer....................................................... 48 BAB 2 PENGUKURAN TEMPERATUR...................................................................... 49 2.1. Pengantar Termoelektrik ..................................................................................... 49 2.2. Fenomena Termoelektrik .................................................................................... 52 2.2.1. Perpindahan Kalor Konduksi.................................................................... 52 2.2.2. Rugi-rugi Joule.......................................................................................... 53 2.2.3. Efek Seebeck............................................................................................. 53 2.2.4. Efek Peltier................................................................................................ 54 2.2.5. Efek Thompson ......................................................................................... 55 2.2.6. Konstruksi Instrumen................................................................................ 55 2.2.7. Pengukuran Potensial................................................................................ 55 2.2.8. Material ..................................................................................................... 56 2.3. Pengukuran Temperatur ...................................................................................... 59 2.3.1. Termokopel ............................................................................................... 60 2.3.1.1. Prinsip Kerja Termokopel............................................................ 60 2.3.1.2. Kombinasi Logam Termokopel ................................................... 63 2.3.1.3. Metode Pengukuran Termokopel................................................. 67 2.3.1.4. Termokopel Praktis...................................................................... 69 2.3.1.5. Model Termokopel....................................................................... 70 2.3.2. Resistance Thermometer Derector (RTD’s).............................................. 74 2.3.2.1. Bahan RTD .................................................................................. 77 2.3.2.2. Efek Pemanasan Sendiri RTD ..................................................... 79 2.3.2.3. IEC 751 : Standar dan Toleransi RTD ......................................... 79 2.3.2.4. IEC 751 : Kode Warna................................................................. 80 BAB 3 PENGUKURAN KECEPATAN ALIRAN ......................................................... 82 3.1. Dasar Teori Flowmeter........................................................................................ 82 3.1.1. Bagian-bagian Fisik Flowmeter................................................................ 82 3.1.2. Unjuk Kerja Flowmeter ............................................................................ 82 3.1.3. Metoda Kalibrasi Flowmeter .................................................................... 84 3.2. Klasifikasi Flowmeter Berdasarkan Pendekatan Energi ..................................... 84 3.2.1. Pendekatan Energi Ekstraktif.................................................................... 85 3.2.2. Flowmeter Penghasil Diferensial Tekanan ............................................... 86 3.2.3. Flowmeter Penghasil Pulsa : Turbin Flowmeter....................................... 92 3.2.4. Flowmeter dengan Efek Seret : Rotameter ............................................... 92 3.2.5. Flowmeter Anjakan Positif : Rotating Disk Flowmeter............................ 93 3.3. Transduser Aliran................................................................................................ 93 3.3.1. Elemen-elemen Sensor Aliran Tekanan Diferensial ................................. 94 3.3.2. Elemen-elemen Sensor Aliran Mekanik ................................................... 94 iii
3.3.3. Sensor Aliran Oleh Karakteristik Fluida................................................... 96 3.4. Liquid Flowdual.................................................................................................. 96 BAB 4 SISTEM KENDALI ......................................................................................... 103 4.1. Sistem Akuisisi ................................................................................................. 105 4.1. Relay ................................................................................................................. 107 4.3. Penguat.............................................................................................................. 107 4.3.1. Karakteristik dan Parameter Penguat...................................................... 107 4.3.2. Rangkaian Penguat Dasar ....................................................................... 109 4.3.3. Rangkaian Penguat Yang Digunakan...................................................... 112 4.4. Multiplekser / Demultiplekser .......................................................................... 114 4.5. Konverter Analog – Digital............................................................................... 114 4.6. Pemakaian Sambungan Rujukan....................................................................... 115 Pemakaian Sambungan Rujukan............................................................................... 115 4.6.1. Karakteristik dan Parameter OP-AMP.................................................... 121 4.6.2. Persyaratan Catu Daya Untuk OP-AMP................................................. 126 4.6.2.1. Penerapan Stabilitas Rangkaian................................................. 127 4.6.2.2. Rangkaian Penyangga (Buffer) ................................................. 128 4.6.2.3. Sambungan Rujukan.................................................................. 128 4.6.2.4. Pemilihan Catu Daya ................................................................. 129 4.7. Level Control Relay.......................................................................................... 131 4.7.1. Komponen............................................................................................... 132 4.7.2. Prinsip Kerja ........................................................................................... 137 4.7.3. Perhitungan Matematis dari LCR ........................................................... 138 BAB 5 STRAIN GAUGE DAN LOADCELL ............................................................. 139 5.1. Sensor Gaya Elektrik dan Elektronik................................................................ 139 5.1.1. Komponen – Komponen Sistem ............................................................. 140 5.1.2. Cara Kerja Dasar dari Load Cell............................................................. 140 5.1.3. Strain Gage.............................................................................................. 142 5.1.4. Kompensasi Strain Gage......................................................................... 143 5.1.5. Strain Gage dan Pengukuran Perubahan Tahanan Yang Kecil................ 144 5.1.6. Pemakaian Strain Gage Data .................................................................. 145 5.1.7. Penempelan Strain Gage ......................................................................... 145 5.1.8. Perubahan Tahanan Pada Strain Gage .................................................... 146 5.1.9. Proses Peningkatan Tegangan Pada Strain Gage Amplifier.................... 146 5.2. Load Cell........................................................................................................... 147
iv
DAFTAR GAMBAR, TABEL & GRAFIK Gambar 1-1 Diagram Blok Sistem Pengukuran .............................................................1 Table 1-1 Berbagai Macam Peralatan Pengukuran ........................................................3 Gambar 1-2 Potensiometer Dengan Beban ...................................................................4 Gambar 1-3 Transformator Diferensial ..........................................................................4 Gambar 1-4 Skema Transduser Kapasitif ......................................................................5 Gambar 1-5 Efek Piezoelektrik........................................................................................6 Gambar 1-6 Efek Fotoelektrik .........................................................................................7 Gambar 1-7 Skema Jembatan Wheatstone ...................................................................8 Gambar 1-8 Rangkaian Jembatan Yang Dikompensasi Terhadap Temperatur ...........9 Gambar 1-9 Berbagai Macam Tekanan ........................................................................10 Gambar 1-10 Skema Manometer Tabung U ................................................................ 11 Gambar 1-11 Skema Tabung Bourdon .........................................................................12 Gambar 1-12 Skema Diafragma ...................................................................................13 Gambar 1-13 Diafragma yang Dilengkapi Pengukur Regangan Tahanan .................13 Gambar 1-14 Diafragma Bergelombang ......................................................................13 Gambar 1-15 Gambar Alat Industrial Pressure Switch ...............................................18 Gambar 1-16 Dimensi Industrial Pressure Switch ......................................................18 Gambar 1-17 Komponen (Stock No.317-134 Source : Terry Francis - RS International UK) ...............................................................................................19 Grafik 1-1 Histerisis Pegas Merah .................................................................................21 Grafik 1-2 Histerisis Pegas Putih (Standar Terpasang)...............................................21 Grafik 1-3 Histerisis Pegas Biru ....................................................................................22 Table 1-2 Beberapa Jenis Media Operasi .....................................................................23 Table 1-3 Data Teknis Pegas Biru (6702-OB), Putih (6702-OW) dan Merah (6702-
v
OR) .........................................................................................................24 Grafik 1-4 Kisaran Penyetelan Diferensial ...................................................................24 Gambar 1-18 Differential Pressure Transducer model WGT-420. (left) Enclosure Mounting, (right) Snap-In Mounting ...................................................27 Table 2-1 Limit Temperatur dan Karakteristik Beberapa Termoelektrik ...................58 Table 2-2 Titik Rujukan Untuk Kalibrasi .......................................................................59 Gambar 2-1 Prinsip Kerja Termokopel .........................................................................60 Gambar 2-2 Efek Peltier ................................................................................................60 Gambar 2-3 Efek Thompson .........................................................................................61 Gambar 2-4 Hukum Logam Perantara .........................................................................62 Gambar 2-5 Hukum Temperatur Perantara .................................................................62 Table 2-3 Logam-Logam yang Bisa Digunakan Dalam Pengukuran Temperatur Termoelektrik ..............................................................................................63 Table 2-4 Kabel Perluasan Termokopel ........................................................................64 Table 2-5 Gaya Gerak Listrik Yang Dihasilkan Termokopel Tipe-K (sambungan rujukan pada 0o) .........................................................................................65 Gambar 2-6 Contoh Gambar Produk Termokopel Yang Dikeluarkan Pabrik .............65 Gambar 2-7 Rangkaian Metoda Defleksi ......................................................................66 Gambar 2-8 Rangkaian Metode Potensiometer ...........................................................67 Gambar 2-9 Industrial Terrmokopel .............................................................................70 Gambar 2-10 Enclosed Thermocouple Probe and Heat ..............................................70 Gambar 2-11 Hand-held Probe and Pipe Probe ...........................................................71 Gambar 2-12 Duty Industrial Metal Sheated and High Temperature Ceramic Sheated Thermocouples With Terminal Head Assemblies ................................72 Gambar 2-13 Therrmocouple Connecctors ..................................................................73 Gambar 3-1 Pengukuran Aliran Dengan Elemen Sensor Tekanan Diferensial: (a) Orifis, (b) Venturi, (c) Pitot, (d) Persimpangan Sentrifugal (siku), (e) Persimpangan Sentrifugal (loop), (f) Nosel, (g) Pengukuran Tingkat Aliran.....93
vi
Gambar 3-2 Contoh Liquidflowdual ..............................................................................94 Gambar 3-3 Turbin Flowmeter ......................................................................................97 Gambar 4-1 Diagram Loop Terbuka ...........................................................................102 Gambar 4-2 Diagram Blok Loop Tertutup ..................................................................102 Gambar 4-3 Diagram Blok Sistem Akuisisi ................................................................104 Gambar 4-4 Lambang Penguat Dasar ........................................................................105 Gambar 4-5 Pembanding Tegangan ...........................................................................107 Gambar 4-6 Penguat Membalik ..................................................................................108 Gambar 4-7 Penguat Tak Membalik ...........................................................................109 Gambar 4-8 Penguat Pengikut Tegangan ..................................................................109 Gambar 4-9 Penguat Selisih Tegangan ...................................................................... 110 Gambar 4-10 Sistem Penguat Instrumentasi ............................................................ 111 Gambar 4-11 ADC 0804 Yang Dirangkai Untuk Operasi Kontinyu........................... 113 Gambar 4-12 Metode-metode Konvensional Untuk Menerapkan Suhu Rujukan Dalam Rangkaian Termokopel ....................................................................... 114 Gambar 4-13 Metode Kompensasi dengan Dua Kawat Logam ................................ 115 Gambar 4-14 Kompensasi dengan Prinsip Potensiometer ........................................ 115 Gambar 4-15 Kompensasi dengan Termostat ........................................................... 116 Gambar 4-16 Kompensasi Sambungan Rujukan dengan Bridge ............................. 117 Gambar 4-17 Diagram Blok OP-Amp ......................................................................... 118 Gambar 4-18 Gambar Simbol Skematis OP-Amp Standar ....................................... 119 Gambar 4-19 Penolakan Modus Sekutu .....................................................................122 Gambar 4-20 Penguat Selisih Tegangan ....................................................................124 Gambar 4-21 Gambar Rangkaian Penyangga ...........................................................126 Gambar 4-22 Gambar Rangkaian OP-Amp dan Sambungan Rujukan.....................128 Gambar 4-23 Isolation Probe and Voltage AC Probe ................................................134 Gambar 5-1 Contoh Load Cell .....................................................................................139 Gambar 5-2 Contoh Strain Gage ................................................................................140
vii
Gambar 5-3 Sirkui Kompensasi Strain Gage .............................................................141 Table 5-1 Perbandingan Gage Factor Berbagai Jenis Strain Gage ...........................142
..............................................................................................................145 Gambar 5-4 Contoh Load Cell .....................................................................................146
viii
BAB 1 PENGUKURAN TEKANAN 1.1. Sistem Pengukuran Mengukur adalah membandingkan parameter pada obyek yang diukur terhadap besaran yang telah distandarkan, sedangkan pengukuran merupakan suatu usaha untuk mendapatkan informasi deskriptif-kuantitatif dari variabel-variabel fisika dan kimia suatu zat atau benda yang diukur, misalnya panjang 1m atau massa 1 kg dan sebagainya. Secara umum sistem pengukuran dapat dibagi menjadi tiga tahap, yaitu (Beckwith, 1981) : •
Tahap detektor - transduser
•
Tahap intermediat, pengkondisian sinyal
•
Tahap pembacaan, untuk jelasnya dapat dilihat pada gambar 1.1 Tahap pertama data dari obyek dibaca oleh sensor, kemudian dikondisikan pada
tahap intermediat dan akhirnya data tersebut memasuki tahap akhir seperti tampilan hasil, kendali dan sebagainya.
Gambar 1-1 Diagram Blok Sistem Pengukuran
1
1.1.1. Tahap Detektor – Transduser Fungsi utama tahap ini adalah mendeteksi atau merasakan adanya perubahan besaran fisik pada obyek yang diukur. Tahap ini harus kebal terhadap pengaruh lain yang tidak dikehendaki, misalnya sensor gaya tidak boleh terpengaruh oleh percepatan atau sensor percepatan linier, tidak boleh berubah oleh perubahan percepatan sudut. Tetapi hal tersebut tidak pernah didapati secara ideal, perubahan-perubahan kecil oleh variabel lain tersebut masih dapat diterima selama masih berada dalam batasan-batasan yang diizinkan.
1.1.2. Tahap Intermediate Tahap ini adalah tahap penkondisian sinyal yang dihasilkan pada tahap pertama agar dapat dinyatakan ke tahap terakhir. Perlakuan yang dilakukan pada tahap ini biasanya penyaringan, penguatan dan transformasi sinyal. Fungsi umum tahap ini adalah meningkatkan kemampuan sinyal ke level yang mampu mengaktifkan tahap akhir. Peralatan pada tahap ini harus dirancang sedemikian rupa agar sesuai dengan kondisi antara tahap pertama dan tahap terakhir.
1.1.3. Tahap Pembacaan Tahap ini mengandung informasi dalam level yang dapat disensor oleh manusia dan/atau perangkat kendali. Jika keluaran diharapkan dapat dibaca oleh manusia, maka lebih sering berbentuk : •
gerakan relatif, misalnya jarum penunjuk skala atau gerakan gelombang pada osiloskop,
•
digital, bentuk ini mempresentasikan angka-angka, misalnya odometer mobil, termometer digital dan sebagainya. Berikut ini akan diberikan beberapa contoh peralatan menyangkut ketiga tahap
diatas.
2
Tahap I Sensor-Transduser
Tahap II Pengkondisian Sinyal
Tahap III Pembacaan
Mekanik : pegas, diafragma, tabung bourdon dsb.
Mekanik : rodagigi, peluncur, cam, dsb.
Indikator : skala, kolom likuid, dsb.
Hidrolik : orifice, venturi pelambung, dsb. Optik : Fotoelektrik fotovoltaik, dsb. Elektrik : Tahanan, kapasitif, dsb.
Hidrolik : pipa, katup, dsb.
Digital : layar numerik
Optik : Lensa, serat - optik dsb.
Rekorder : Pencetak, perekam, dsb.
Elektrik : Penguat, filter, dsb.
Kendali : relay, katup pengaman, dsb.
Table 1-1 Berbagai Macam Peralatan Pengukuran sumber (Beckwith, 1981)
1.2. Sistem Penginderaan Listrik Seperti diuraikan sebelumnya bahwa transduser dapat mengubah bentuk sinyal ke sinyal yang lain agar dapat dibaca pengamat, tetapi pengubahan sinyal kebentuk sinyal listrik akan menjadi lebih baik karena dalam bentuk ini besaran tersebut lebih mudah diukur. Pada bagian ini akan dibahas beberapa piranti yang dapat mentransformasikan suatu bentuk sinyal ke sinyal listrik (Holman, 1985).
1.2.1. Transduser Tahapan Variabel Transduser ini merupakan piranti yang sangat umum yang dapat dibuat dalam kontak geser pada kawat luncur, kontak geser pada kumparan kawat, atau yang dapat digerakkan menurut gerakan sudut. Piranti ini sering dikenal dengan potensiometer tahanan (resistance potentiometer). Transduser tahanan ini berguna untuk mengubah perpindahan linier atau perpindahan sudut menjadi sinyal listrik.
3
Gambar 1-2 Potensiometer Dengan Beban
1.2.2. Transformator Diferensial Prinsip kerjanya adalah tiga buah kumparan yang disusun secara linier dengan inti magnet yang dapat disusun secara linier dengan inti magnet yang dapat digerakkan dengan bebas didalam kumparan itu. Skemanya dapat dilihat pada gambar 1. 3
Gambar 1-3 Transformator Diferensial
Tegangan masukan arus bolak balik diberikan pada kumparan tengah. Tegangan keluaran dari kedua kumparan ujung, bergantung pada pasangan magnet antara inti dan kumparan, yang berubah menurut gerakan inti.
4
1.2.3. Transduser Kapasitif Seperti terlihat pada gambar 4 kapasitansi kapasitor tersebut ditentukan oleh :
Equation 1-1 dengan ε = konstanta dielektrik A = luas plat yang berimpit d = jarak antara plat Susunan plat ini dapat digunakan untuk mengukur perubahan dalam arah gerak d atau perubahan luas A melalui perubahan kapasitansi. Alat ini banyak digunakan untuk mengukur perubahan tinggi permukaan zat cair.
Gambar 1-4 Skema Transduser Kapasitif
1.2.4. Transduser Piezoelektrik Gambar 1.5 memperlihatkan skema piezoelektrik. Kristal piezoelektrik (piezoelectric) ditempatkan diantara plat elektrode, bila kedua plat diberikan gaya maka kristal tersebut akan mengalami deformasi. Dengan kristal tersebut tertentu, deformasi ini akan mengakibatkan timbulnya beda potensial pada permukaan kristal, pengaruhnya disebut efek piezoelektrik.
5
Gambar 1-5 Efek Piezoelektrik
Muatan induksi kristal tersebut sebanding dengan gaya yang diberikan. Equation 1-2 dengan Q
= muatan (coulomb)
d
= konstanta piezoelektrik
F
= Gaya (N)
Tegangan keluar kristal adalah : Equation 1-3 dengan t
= tebal kristal (m)
p
= tekanan (Pa)
g
= kepekaan tegangan (V.m/N).
1.2.5. Transduser Fotoelektrik Transduser Fotoelektrik Transduser fotoelektrik
(photoelectric transducer) mengubah berkas cahaya
menjadi sinyal listrik, seperti tampak pada gambar 1. 6.
6
Gambar 1-6 Efek Fotoelektrik
Cahaya menimpa sebuah katoda fotoemisif dan membebaskan elektron, yang ditarik kearah anoda, dengan demikian arus listrik mengalir. Katoda dan anoda ditempatkan dalam sampul gelas atau kuarsa, yang dihampakan.
1.2.6. Transduser Regangan Tahanan Pengukur regangan tahanan (Resistance strain gage) merupakan piranti yang banyak dipakai untuk pengukuran regangan. Prinsip dasarnya sama dengan potensiometer tahanan, dimana konduktor akan berubah tahanannya jika mengalami suatu deformasi mekanis. Biasanya konduktor tersebut disatukan dengan spesimen yang akan diukur. Sebuah rangkaian jembatan dapat dipakai untuk memodifikasi piranti ini, seperti terlihat pada gambar 1. 7 berikut ini.
7
Gambar 1-7 Skema Jembatan Wheatstone
Tegangan listrik pada detektor diberikan oleh :
Equation 1-4 Jika jembatan itu dalam keadaan seimbang, maka ED = 0. Misalkan R1 adalah tahanan yang dapat berubah karena regangan. Andaikan jembatan seimbang pada waktu tidak ada regangan, dan
Equation 1-5 tahanan akan berubah sebesar ∆R1 pada regangan sebesar ε. Tegangan listrik karena regangan :
8
Gambar 1-8 Rangkaian Jembatan Yang Dikompensasi Terhadap Temperatur
∆ED yang dihasilkan akan sangat kecil sehingga perlu diperkuat. Keluaran yang dihasilkan akan berubah dengan berubahnya temperatur pada benda uji dengan meletakkan R2 berada pada temperatur yang sama dengan R1 maka pengaruh temperatur dapat dikompensasi, seperti terlihat pada gambar 1. 8.
1.3. Sistem Pengukuran Tekanan Tekanan (pressure) adalah gaya yang bekerja persatuan luas, dengan demikian satuan tekanan identik dengan satuan tegangan (stress). Dalam konsep ini tekanan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan oleh fluida pada tempat yang mewadahinya. Tekanan mutlak (absolute pressure) adalah nilai mutlak tekanan yang bekerja pada wadah tersebut. Tekanan relatif atau tekanan pengukuran (gage pressure) adalah selisih antara tekanan mutlak dan tekanan atmosfir. Tekanan vakum atau hampa (vacuum) menunjukkan seberapa lebih tekanan atmosfir dari tekanan mutlak ( Holman, 1985). Grafik dibawah ini menunjukkan perbedaan diantara ketiga tekanan diatas.
9
Gambar 1-9 Berbagai Macam Tekanan
Beberapa satuan tekanan yang umum dipakai : 1 atm (atmosfir)
= 14,696 psi = 1,01325 x 105 (Pa) = 760 mmHg
1 Pa (paskal)
= 1 (N/m2)
1 Torr
= 1 mmHg
1 Bar
= 105 Pa Pada bagian berikut ini akan diuraikan beberapa peralatan yang sering digunakan
untuk pengukuran tekanan (Holman, 1985)
1.3.1. Manometer Tabung Manometer sangat banyak digunakan untuk pengukuran tekanan fluida pada keadaan stedi. Gambar 1.10 memperlihatkan sebuah manometer tabung U. Perbedaaan tekanan yang tidak diketahui p dengan tekanan atmosfir, Pa , merupakan fungsi ketinggian h.
10
Gambar 1-10 Skema Manometer Tabung U
Pembacaan pada skala tersebut dinyatakan oleh : Equation 1-6 atau Equation 1-7 dengan
P : tekanan yang akan diukur pa : tekanan atmosfir ρm : densitas fluida manometer ρf : densitas fluida transmisi Manometer dapat pula dipasang dalam posisi miring agar mendapat skala yang
lebih teliti.
1.3.2. Tabung Bourdon Pengukur tabung Bourdon banyak digunakan untuk pengukuran tekanan statik, harganya relatif murah, tetapi cukup dapat diandalkan. Konstruksi tabung Bourdon dapat dilihat pada gambar 1. 11. Tabung Bourdon biasanya mempunyai penampang elips dan konfigurasi "C". Bila terdapat tekanan dalam tabung tersebut, akan terjadi deformasi elastik pada tabung, yang dalam keadaan ideal sebanding dengan tekanan. Ujung pengukur ini dihubungkan dengan suatu penghubung Berpegas yang memperbesar perpindahan dan mengubahnya menjadi gerakan putar pada jarum penunjuk. Penghubung 11
itu dibuat sedemikian rupa sehingga mekanisme tersebut dapat diukur untuk memberikan kelinieran yang optimum.
Gambar 1-11 Skema Tabung Bourdon
1.3.3. Pengukur Diafragma Pengukur diafragma merupakan piranti deformasi elastis yang banyak digunakan dalam pengukuran tekanan. Dalam gambar 1. 12 diperlihatkan diafragma rata diberi perbedaan tekanan Ρ1 - Ρ2. Diafragma ini akan mengalami defleksi sesuai dengan perbedaan tekanan tersebut. Pada diafragma dipasang pengukur regangan tahanan untuk mengetahui deformasi, seperti terlihat pada gambar 1.13. Keluaran dari pengukur ini merupakan fungsi tegangan setempat, yang tentunya sangat berhubungan dengan defleksi diafragma dan beda tekanan tersebut. Defleksi pada umumnya linier dengan ∆Ρ jika defleksi tersebut kurang dari 1/3 tebal diafragma.
12
Gambar 1-12 Skema Diafragma
Gambar 1-13 Diafragma yang Dilengkapi Pengukur Regangan Tahanan
Untuk memudahkan respon linier dalam jangkauan defleksi yang lebih luas dan mengatasi kendala sepertiga tebal diafragma dapat dibuat dengan bentuk bergelombang seperti gambar 1.14.
Gambar 1-14 Diafragma Bergelombang
13
1.4. Transduser Tekanan Transduser tekanan digunakan pada industri saat-saat ini cenderung tampil khas. Badan dengan bentuk bulat, batang ber-stainless steel dengan sambungan pipa pada salah satu akhirnya dan sebuah kabel di akhir yang lain. Stainless steel digunakan dikarenakan ketangguhannya yang tinggi dan ketahanannya terhadap korosi. Dimulai dengan pipa yang berulir di bagian akhir, suatu port atau pembuka mempunyai diafragma stainless steel didalamnya guna melindungi elemen sensor dari media yang sedang diukur (berupa tekanan zat cair atau gas). Ujung lain dari diafragma terdapat satu sisi dari elemen sensor. Elemen aktual yang ada adalah strain gauge, yakni elemen resistif dimana resistansi berubah dengan sejumlah regangan yang diberlakukan padanya. Resistor geser ini membentuk satu kaki dari sirkuit jembatan. Sisi lain dari elemen regangan adalah port referensi dimana merupakan rujukan dari port pengukur. Semua transduser punya 2 sisi tersebut. Bila salah satu sisi mempunyai hubungan tekanannya sendiri (pressure connection) dan alat tersebut disebut transduser tekanan diferensial. Konvensinya disebut Pounds per Square Inch Differential (PSID). Sementara, menghubungkan salah satu port dengan tekanan atmosfir memungkinkan terukurnya tekanan gauge (PSI Gauge), dengan alatnya berupa transduser tekanan gauge. Ada 2 jenis konvensi tekanan gauge yang berbeda yakni: sealed gauge dan vented gauge. Pengukuran sealed gauge dilakukan dengan menghubungkan port tekanan pada wadah yang di-sealed yang bertekanan atmosfir (ditulis PSISG). Masalah yang timbul dengan skala PSISG ini adalah, nilai yang sama pada ‘ketinggian kaki air (feet air)’ akan terbaca berbeda tergantung pada tekanan barometrik lokal. Lebih jauh lagi, transduser ini didesain untuk mencegah media (zat) ambien memasuki badan transduser. Aplikasinya dibuat dengan atmosfir parsial dari Helium yang dikurung di dalam. Penggunaan PSI Vented Gauge (PSIVG) terlihat pada proses perbandingan tekanan dengan ventilasi lokal yang terbuka terhadap tekanan atmosfer sehingga mengeliminasi setiap perubahan dengan perubahan tekanan barometrik. Sementara itu, dikenal pula transduser dengan tekanan absolut, dimana acuannya 14
adalah ruang hampa udara. Biasanya, tampilan transduser ini rapat tertutup. Beberapa transduser absolut ini direferensikan dengan ubub atau kapsul. Konvensinya adalah PSI Absolute (PSIA).
1.4.1. Konsep Kerja Umum Dalam transduser tekanan terdapat unit yang disebut pressure force summing device. Alat ini mendeteksi dan mengkonversi tekanan menjadi anjakan positif, yang melahirkan transduksi listrik.Alat-alat ini misalnya berupa diafragma, convoluted / corrugated diaphragm, kapsul dan ubub serta tabung Bourdon. Entitas-entitas yang dilibatkan pada pressure force summing adalah massa, konstanta pegas dan frekuensi alami. Berikut ini adalah rumus frekuensi alami, yakni:
Equation 1-8 dimana : fn
= frekuensi alami
K
= konstanta pegas
M
= massa
Penambahan gaya dapat dikonversikan menjadi variasi dari alat listrik yang berbeda. Umumnya, jenis sensor transduksi dan alat penambah gaya tergantung pada jumlah mechanical travel, dalam konteks ini adalah bentuk diferensial dan tekanan gauge.
1.4.2. Mekanisme Gerakan Transduser Sejumlah besar transduser dilibatkan pada gerakan umum, anjakan dari titik yang pasti, atau paling tidak dalam bentuk posisi terhadap rujukan tertentu. Komponenkomponennya dalah potensiometer, synchro dan linear variable differential transformer (LVDT). Komponen-komponen ini memungkinkan timbulnya sinyal listrik dan mekanik, yakni: 1. Potensiometer terdiri dari dasar, elemen resistansi, kontak listrik (tap), slider, dan poros serta bantalan. Jenis-jenis potensiometer adalah : konduktif plastik 15
(putaran tunggal), wire-wound rotary trimmer, dan rectilinear. 2. Synchro menyediakan indikasi mekanis dari posisi poros sebagai hasil masukan atau keluaran listrik yang menggambarkan beberapa fungsi dari anjakan angular poros. Jenis-jenisnya adalah torsi, kontrol dan resolver (induksi). 3. LVDT adalah elemen induktif silang yang utama. LVDT menghasilkan sinyal listrik yang proporsional dengan anjakan linear dari badan transduser. Ada 2 elemennya yakni armature (penghasil tegangan listrik dari kumparan primer ke sekunder) dan transformer.
1.4.3. Elemen dari Transduser Tekanan Diferensial dan Gauge Transduser tekanan diferensial dan gauge dikategorikan ke dalam transduser pasif. Transduser pasif merespon dengan bergerak secara mekanis guna menghasilkan suatu perubahan listrik. Dalam konteks ini, elemen yang terdapat pada transduser tekanan diferensial dan gauge adalah elemen strain-gage, yang akan dijelaskan lebih lanjut pada bab berikut.
1.4.4. Aplikasi-aplikasi Khusus Transduser Tekanan Diferensial dan Gauge Aplikasi khusus berarti penggunaan konsep dasar transduser tekanan diferensial dan tekanan gauge pada kasus-kasus tertentu yang khas dimana kekhasan ini bertitik tolak pada kondisi pemakaian, sensor khusus dan komponen-komponen spesifik. Berikut ini adalah aplikasi-aplikasi khusus dari transduser tekanan diferensial dan tekanan gauge, yakni: •
Transduser Aliran (Flow Transducers)
•
Compact Differential-Pressure Transducer
•
Transduser Tekanan Diferensial dengan Kristal Kuarsa Sebagai Sensor
•
Pengukuran tekanan rendah
•
Diaphragm meter
16
1.5. Industrial Pressure Switch Industrial Pressure Switch adalah suatu alat berupa saklar tekanan yang banyak digunakan di bidang industri dalam kondisi pengukuran yang bersifat heavy-duty. Dalam pengukuran tekanan, saklar ini terletak pada tahap awal pengukuran, yaitu tahap sensortransduser. Pressure switch ini memungkinkan pengguna mengatur dan menyesuaikan tekanan dalam kisaran yang diinginkan serta menset ulang (preset) hysteresis pada tekanan yang meningkat dan menurun. Bentuk luar saklar ini berupa rumah saklar dengan tutup yang terisolasi ganda dengan kode IP65. Kerja saklar ini dilakukan oleh dua buah saklar mikro (microswitches) tipe RS V3 yang disetel untuk menunjukkan perubahan sebesar ± 2 psi (pada 50 psi) pada tekanan yang meningkat. Pressure switch ini disertai tiga buah pegas dengan kode warna yang berbeda-beda yang masing-masing mewakili kisaran-kisaran tekanan sehingga total ketiganya berkisar antara 20 psi hingga 200 psi. Pegas untuk kisaran tengah, yaitu pegas berwarna putih dipasang sebagai standar. Keadaan tekanan secara pendekatan dapat dilihat melalui suatu bukaan kecil pada tutup (rumah saklar) dan posisi sekrup pengatur tekanannya dapat dikunci pada posisi yang diinginkan dengan menggunakan kunci segienam 1,5 mm A/F. Pemasangan kabel dilakukan melalui lubang tap M20 yang sesuai untuk kabel listrik yaitu RS Cable Glands atau RS Flexible Conduit. Input tekanan masuk melalui penghubung kuningan dengan standar 1⁄4inci BSP dan diafragma disegel pada posisinya agar aman. Bahan yang mengalami kontak dengan sistem tekanan adalah brass & nitrile rubber sehingga saklar tersebut sesuai untuk digunakan bersama fluida apapun yang berfungsi sebagai media operasi.
17
Spesifikasi Teknis Umum : Kisaran Tekanan : 20 – 200 psi (tiga pegas) Overpressure maksimum : 500 psi Keakuratan : ± 1% (pada temperatur konstan) Kisaran Temperatur operasi : -50C - +700C Penyetelan Histeresis : 4 setelan Umur mekanis : 106 operasi Kerja saklar dgn. 2 saklar mikro V3SPDT terpisah Rating : 250V – 1A Penghubungan tekanan : Penghubung BSP 1⁄4 inci Material kontak dgn. fluida : brass nitrile rubber Material rumah saklar : Flame retardent Glass nylon Material pegas : High Tensile Steel Material Diafragma : Reinforced nitrile rubber
Gambar 1-15 Gambar Alat Industrial Pressure Switch
Gambar 1-16 Dimensi Industrial Pressure Switch
18
Keterangan Gambar :
A – Adjusting Screws B – Locking Screws C – Knob D – Locking Screw (M3) E – Retaining Clip F – Springs (Red/White/Blue) G – Fulcrum Point 1 – Common Electrical Connection 2 – Electrical Connection (opens on pressure rise) 3 – Electrical Connection (closes on pressure rise)
Gambar 1-17 Komponen (Stock No.317-134 Source : Terry Francis - RS International UK)
1.5.1. Cara Pengoperasian Saklar ini di set untuk beroperasi antara ± 2 psi (pada 50 psi) untuk tekanan yang meningkat. Titik trip relatif antara dua saklar bisa diatur sampai batas tertentu dengan melonggarkan sekrup pengunci B dan memutar sekrup pengatur A. Hal ini menyebabkan saklar bisa beroperasi pada dua tekanan yang berbeda atau melakukan operasi secara bersamaan pada tekanan naik dan turun.
1.5.2. Penyetelan Tekanan Terdapat tiga pegas dengan kode warna yang bekerja pada jangkauan berikut : -
Merah : 20 – 50 psi (1,4 – 3,5 bar)
-
Putih : 40 – 100 psi (2,7 – 6,9 bar) dipasang sebagai standar
-
Biru : 80 – 200 psi (5,5 – 13,8 bar) 19
Sekrup penyetelan tekanan bisa diatur tanpa melepas tutup dengan memutar kenop C. Jika diperlukan kenop ini bisa dikunci dengan menggunakan sekrup M3 D yang mempunyai 1,5 mm /AF lubang segienam. Perkiraan penyetelan tekanan bisa dilihat melalui bukaan kecil pada tutup . Apabila saklar diperlukan untuk beroperasi pada kisaran tekanan tertentu maka pegas dapat diganti sesuai kisaran tekanan yang diperlukan .Untuk mengganti pegas, putar sekrup penyetel hingga nilai terendah dan lepaskan penahan E. Buka sekrup pengunci D, teruskan membuka sekrup penyetel tekanan dan lepaskan dari rumah saklar .Setelah itu pegas dapat dilepas dan diganti .Pemasangan pegas pengganti harus benarbenar terpasang dengan baik kembali .Untuk pemasangan kembali perhatikan urutan pemasangan. Histeresis pada saklar , yaitu perbedaan tekanan yang terjadi pada saat saklar bekerja pada tekanan meningkat dan pada saat tekanan menurun, dapat diatur dengan menggerakkan titik fulcrum G pada actuator lever .Hal ini dapat dilakukan dengan memindahkan sekrup pengunci pada dudukan titik fulcrum .Dudukan dilepas dari tempatnya dan dipindahkan ke posisi yang diinginkan. Actuator lever harus ditahan selama titik fulcrum dipindahkan untuk memudahkan pemasangan dan untuk mencegah pegas lever terlepas dari tempatnya. Diafragma tekanan disegel pada posisinya dan tidak dapat dipindahkan atau diganti serta tidak mudah dirusak. Selain itu, untuk alasan keamanan, tidak diperkenankan mengoperasikan saklar dengan tutup terbuka. Karakteristik operasi saklar tekanan dengan penggunaan ketiga pegas di atas dan pengaturan histeresis yang berbeda-beda ditunjukkan pada ketiga grafik di bawah.
20
Grafik 1-1 Histerisis Pegas Merah
Grafik 1-2 Histerisis Pegas Putih (Standar Terpasang)
21
Grafik 1-3 Histerisis Pegas Biru
1.5.3. Beberapa Jenis Media Operasi yang Sesuai Digunakan Berikut ini terdapat beberapa jenis media operasi yang dapat digunakan beserta taraf kesesuaiannya masing-masing : Pressure / Vacuum Medium
6702 (No. Kode Produk) S
Aseton Amonia (cair)
S
Amil Alkohol - 200C
S
Cairan rem otomotif
S
Bir
S
Butan
R
Karbon dioksida kering
R
Asam sitrat
R
Tembaga sulfat (larutan)
S
Udara mampat
R
Cutting oil
R
Diesel Oil
R 22
Larutan deterjen
R
Bensin
R
Glikol
R
Hydraulic oil
R
Hidrogen
R
Minyak pelumas
R
Susu
S
Mineral oil
R
Gas alam
R
Oksigen hingga 700C
R
Minyak tanah
R
Larutan plat (krom)
S
Air garam
S
Air Limbah
R
Terpentin
R
Cuka
S
Air
R Table 1-2 Beberapa Jenis Media Operasi
Ket. : R = Recommended ; S = Suitable with modification
1.5.4. Spesifikasi Teknis Industrial Pressure Switch Spesifikasi teknis alat Industrial Pressure Switch baik menggunakan pegas biru (6702-OB), putih (6702-OW) atau merah (6702-OR) secara umum sama. Perbedaan antara ketiganya hanya terletak pada kisaran tekanan yang dapat diukurnya dan kisaran penyetelan diferensial pada masing-masing jenis pegas. Data-data teknis dengan masing-masing jenis pegas dapat dilihat pada tabel berikut : Parameter
6702-OR
6702-OW
6702-OB
Kisaran tekanan (psi)
20-40
40-100
80-200
Kisaran tekanan (bar)
1,4-3,5
2,76-6,84
5,52-13,74
Penghubung tekanan
Brass 1⁄4”BSP
Brass 1⁄4”BSP
Brass 1⁄4”BSP
Kode warna pegas
Merah
Putih
Biru
23
Kisaran penyetelan diferensial
Lihat grafik
Lihat grafik
Lihat grafik
Ketahanan thd. Tekanan
500 psi
500 psi
500 psi
Keakuratan penyetelan
± 10%
± 10%
± 10%
Kisaran temperatur
-50C - +700C
-50C - +700C
-50C - +700C
Electrical Data Switch
2 pole change over
2 pole change over
2 pole change over
Contact rating nominal
21(8)A250V
21(8)A250V
21(8)A250V
Enclosure rating to IEC 144
IP65 ; Class II isolasi ganda
IP65 ; Class II isolasi ganda
IP65 ; Class isolasi ganda
Masukan kabel
Kawat kabel listrik M20
Kawat kabel listrik M20
Kawat kabel listrik M20
Rumah saklar
Glass loaded nylon
Glass loaded nylon
Glass loaded nylon
Pegas
Baja pegas
Baja pegas
Baja pegas
Diafragma
Reinforced nitrile
Reinforced nitrile
Reinforced nitrile
Kontak dengan medium
Brass/nitrile
Brass/nitrile
Brass/nitrile
Bobot (dalam gram)
300
300
300
Table 1-3 Data Teknis Pegas Biru (6702-OB), Putih (6702-OW) dan Merah (6702OR)
Grafik 1-4 Kisaran Penyetelan Diferensial
24
Industrial Pressure Switch merupakan alat berupa saklar tekanan yang digunakan untuk keperluan industri. Saklar ini berfungsi sebagai tahap awal pengukuran, yaitu tahap sensor-transduser. Pressure switch ini disertai tiga buah pegas dengan kode warna yang berbeda yang mewakili kisaran tekanan mulai 20 psi hingga 200 psi. Input tekanan masuk melalui penghubung kuningan kemudian menuju diafragma. Karakteristik operasi saklar tekanan yang menggunakan satu dari ketiga pegas di atas memberikan histeresis yang berbeda-beda.
1.5.5. Transduser Tekanan Diferensial dengan Kristal Kuarsa Sebagai Sensor Tipe instrumen ini dapat digunakan untuk memonitor tekanan diferensial, atau tekanan absolut. Sebagai contoh, unit tipe ini dapat digunakan dalam penghubung dengan pelat orifis, venturi, atau elemen aliran utama lainnya untuk mengukur aliran; dan untuk meneruskan signal pneumatik. Unit-unit ini dapat juga digunakan untuk mengukur densitas atau gravitasi tertentu, tingkat-tingkat interface antara cairan, dan tingkat-tingkat cairan dalam wadah tertutup. Setiap instrumen terdiri atas compact meter body (Barton) dan transmiter gerakan (Moore). Dalam operasi (aplikasi aliran), tekanan diferensial digunakan melawan ubub dalam tubuh meteran. Ubub ini, tercantum dalam ruang tegangan rapat terpisah, dihubungkan dengan batang tengah umum. Tekanan diferensial menyebabkan pemasangan ubub untuk menggerakkan jumlah proporsional ditentukan oleh elastisitas ubub, jangkauan pegas, dan torsi tabung. Ubub kedua diisi dengan cairan (standarnya ethylene elycol) dan dihubungkan secara internal melalui pesan dalam pelat yang di tengah. Sebagai peningkatan diferensial, cairan digantikan dari satu ubub ke yang lainnya. Jika diferensial melebihi jangkauan operasi muatan, ubub akan terus berpindah sampai cincin O pada batang tengah melawan pelat tengah. Hal ini memindahkan cairan dalam ubub memperbolehkan untuk meneruskan peningkatan sampai tingkat tekanan statik penuh tubuh meteran tanpa menyebabkan kerusakan-karena cairan isi, menjadi 25
tidak dapat ditekan, serta mencegah pergerakan tambahan. Gerakan transmiter beroperasi dalam hal yang sama seperti yang diterangkan sebelumnya. Transduser terdiri dari kristal kuarsa, ubub ganda, sebuah pivot dan berat pembobot
yang seimbang. Dalam operasinya, tekanan diaplikasikan pada masukan
P1 dan P2. Resonator kuarsa beroperasi pada kondisi vakum di dalam housing (case). Dengan diaplikasikannya tekanan melalui input-input pada ubub ganda, 2 gaya-gaya koaksial dan saling berlawanan akan diteruskan ke lengan tuas. Jika P1 dan P2 bernilai sama, tidak akan ada hasil-hasil gaya netto (resultan gaya=0). Jika P1 berbeda dengan P2, hanya gaya yang berbeda yang akan diaplikasikan pada balok kuarsa. Saat ubub dan kuarsa sama jauhnya dari pivot, gaya yang sama diaplikasikan pada balok sesegera ia dihasilkan ubub. Dengan pilihan daerah efektif ubub dan jarak lengan tuas, jangkauan tekanan dapat diperoleh dalam jangkauan frekuensi dan tingkat tekanan yang sama untuk resonator kuarsa tertentu. Pembobot disesuaikan dengan ukuran dan posisi guna menyakinkan bahwa pusat berat (akibat gravitasi) sesuai dengan titik pivot/sumbu. Penyesuaian ini membuat transduser tidak sensitif terhadap akselerasi linear, mengingat bahwa tiada lengan momen untuk kerja/perlakuan dari gaya-gaya.
1.6. Jenis-Jenis Transduser Tekanan Diferensial Dan Gauge 1.6.1. Differensial Pressure Transduser Model WGT-420 •
Jangkauan rendah dari 1.5" Wg
•
Snap-in track mounting
•
Harga rendah dengan ketelitian 1 %
26
Gambar 1-18 Differential Pressure Transducer model WGT-420. (left) Enclosure Mounting, (right) Snap-In Mounting
Differential Pressure Transducer model WGT-420 telah dikembangkan terutama untuk HVAC dan aplikasi serupa. Model ini mengubah suatu perbedaan atau sinyal tekanan pengukur (gauge) udara menjadi sinyal 4-20 mA. Model ini memberikan ketelitian yang lebih tinggi pada biaya yang sama dengan model LPTB yang menggantikan. Sensor silikon yang baru memberikan karakteristik performance yang luar biasa dengan biaya rendah. Sebuah sinyal yang mempersiapkan sirkuit berjalan pada peralatan kawat 4-20 mA. Sinyal tekanan input, secara mekanis diperkecil untuk mengurangi sensitivitas pada perputaran dan fluktuasi tekanan jangka pendek. Integral zero dan penyetelan rentang dikalibrasi di pabrik untuk menentukan tingkat sinyal output dan mungkin dikalibrasi jika diperlukan. Desain sirkuit menghasilkan interaksi yang sangat kecil antara bentangan dan zero pots. Aplikasi sejenis dari alat ini meliputi pengontrolan HVAC untuk filter differential pressure (saringan perbedaan tekanan), fan static pressure (tekanan statik kipas), clean room pressure (tekanan ruangan bersih), variable air volume systems, dan velocity pressures (tekanan kecepatan).
27
DATA TEKNIS Ketelitian
Output Batas Overload Temp. Operasi Kompensasi Temp. Hubungan tekanan Tegangan supply(Vs) Media Bagian basah DATA YANG DITAWARKAN WGT-420-010B ± 0 WGT-420-015 0 – WGT-420-020 0 – WGT-420-030 0 – WGT-420-050 0 – WGT-420-100 0 –
: ± 1 % bentangan pada daerah dengan bentangan 3" w.g. atau lebih. 1.5 % pada bentangan yang lebih kecil. : 4-20 mA, 2 kawat : 3 x tekanan maksimum nominal 5 x tekanan maksimum nominal dengan Rezeroing : -20 + 70 C : 0 – 70 C : 0.180 OD dengan penyesuaian : 9 – 30 V dc : Udara dan cairan non-ionik : Gelas berisi nilon, spiral silikon, keramik alumina. – 1" Wg 1.5" Wg 2" Wg 3" Wg 5" Wg 10" Wg
WGT-420 juga dapat disuplai dalam jangkauan tekanan PSI yang lebih tinggi. WGT-420 biasanya disediakan pada snap-in track. Model ini juga didesain untuk menyesuaikan pada lampiran yang sama yang kita gunan untuk temperatur yang ditempelkan pada pipa dan alat kelembaban.
1.6.2. Modus Diferensial Pressure Transduser Seri T yang ditawarkan dalam 4 model dasar yang hanya berbeda dalam persyaratan kekuatan dan output sinyal.
28
Model T10 Tiga kawat transmitter beroperasi dari 9,5–35 V dc. Tegangan output
•
standar adalah 0-1, 0-2, 0-5, dan 0-10 V dc. Model T20 Empat kawat transmitter beroperasi dengan kekuatan 24 V ac atau
•
120 V ac. Outputnya adalah voltase. Isolasi antara input dan output adalah 1500 Vrms. Output dapat memasukkan (sink) atau menghasilkan (source) 3,5 mA. Model T30 Dua kawat transmitter mendapatkan kekuatan dari loop sinyal dan
•
memerlukan 10 – 35 V dc tergantung dari ketahanan loop. Output-nya adalah 4-20 mA. Unit ini terlindung terhadap polaritas terbalik. Model T40 Empat kawat transmitter memerlukan kekuatan 24 V ac atau 120 V
•
ac dan menghasilkan output 4-20 mA. Isolasi antara input dan output adalah 1500 Vrms. Ketahanan penerima berkisar antara 0 – 650 ohm.
DATA TEKNIS Ketelitian
: ± 1 % dari jangkauan (termasuk non-linearitas dan histeresis)
Penyetelan
: Nol dan bentangan adalah non-
interaktif dengan
memakai 20-turn potensiometer untuk resolusi yang baik. Daerah
: 0,1”, 0,2", 0,3", 0,5", 1,0", 2,0", 3,0", 5,0", 10,0", Water Column Differential, tekanan pengukuran
29
(gage pressure) atau hampa udara Media
: cocok untuk udara atau gas-gas mulia.
Overpressure
: 8 x tekanan relatif.
Pressure Ports
: 3/16” Diameter untuk 1/8” atau 5/32 I.D Tygon atau Tabung polyutrethane; 1/4" O.D tabung polyethelene. Saringan utuh pada kedua bagian.
DATA YANG DITAWARKAN daerah T-(model) 10=voltase 001=0,1” 3 kawat 010=1,0"
tekanan nol pada - = 4 mA
20=voltase 4 kawat 30=2 kawat 4-20 mA
002=0,2” 020=2,0" 003=0,3” 030=3,0"
A = 8 mA
40=4 kawat 4-20 mA
004=0,4” 050=5,0” 005=0,5” 100=10,0”
C = output yang terbalik
B = 12 mA
1.6.3. Seri PX80 Thick Film •
Jangkauan Tegangan : 0-1 s.d 0-5000 psi
•
Tekanan Differensial : 0-100 mbar s.d 0-350 bar. Pengukuran tekanan differensial berkisar antara ± 100mbar sampai ± 350 bar dengan tekanan garis (line pressure) sampai 6000 psi. FM/ CSA diakui aman secara instrinsik. (CE pada Amplified Output).
•
Hubungan Tekanan
: 1/4 NPT ≤ 700 psi : 1/8 NPT > 700 psi Adapter Metrik tersedia.
•
Output
: 2 mV/V; 0-5 Vdc; 4-20 mA ± 10 %
•
Zero Balance
: + 4 mA + 10% -2 %
penyesuaian.
30
•
Akurasi Linearitas
: ≤ 30 psi 0.5 % FSO / > 30
psi 0.25 % FSO Linearitas, Histerisis, dan mampu ulang (Repetability) dikombinasikan. •
Pembangkitan (Excitation) Disarankan : 12-40 Vdc Maksimum : 40 Vdc
•
Jangkauan Temperatur Jangkauan Operasi
: ≤ 30 psi -34 s.d 93°C (-30 s.d 200°F)/ > 30 psi -46 s.d 107°C (-50 s.d 225°F)
Jangkauan dibenarkan : ≤ 30 psi -1 s.d 54°C (+30 s.d 130 °F)/ > 30 psi 17 s.d 71 °C ( 60 s.d 160 F) •
Efek Temperatur Nol
: ≤ 30 psi 0.022% FSO/°C / > 30 psi 0.018% FSO/°C
Rentang : ≤ 30 psi 0.022% FSO/°C/ > 30 psi 0.009% FSO/°C •
Komponen Basah (Wetted Part)
≤ 30 psi 316
Stainless Steel / >30 psi 17-4 PH Stainless Steel. •
Penyimpangan Kelebihan Tekanan 2000 psi atau 150% lebih besar
•
Tekanan Ledakan 6000 psi minimum
•
Contoh Pesanan PX80B5-001DI
31
1.6.4. TO-8 PC Board Mount Seri
Aplikasi
MODEL 1800 Kalibrator portabel, pengukur aliran diferensial, alat-alat medis elektronik
Custom design
High pressure scanners: Foxboro/ICT memodifikasi model 1800 menjadi 8 transduser dengan menggabungkan epoxy khusus untuk meningkatkan kemampuan tekanan bagian belakang sementara menjaga spesifikasi dengan ketat. Hal ini memperluas range model 1800 dari 0-50 sampai 0-500 PSI.
Media compatibility Range tekanan
Gas dan cairan non-korosif 0-3 dan 0-50 PSIG, PSIA, dan PSID 0-100 PSIG, PSIA 0-150 PSIG
Output
Nominal 100 mV-pembangkit arus Nominal 40 mV-pembangkit tegangan
Eksitasi
Nominal 1,5 mA atau 10 V DC
Range temperatur-operating-compensated
-40 sampai 121 C -1 sampai 54 C 0,125% dari span BFSL
Akurasi khusus
1.6.5. Micromachined Pressure Transducer for Noncorrosive Dry Gases Kelompok tranduser tekanan XCX tersedia dalam tiga tingkat penampilan, dan model penampilan tertinggi menyediakan kombinasi linear dan kesalahan histeresis <±0.25% FS dan kesalahan temperatur <±0.5% FS. Sensor tersedia dalam 8 jangkauan tekanan, 0 sampai 0.3 psi, sampai, 0 sampai 150 psi dan dalam versi gauge, diferensial, dan tekanan absolut. Model 15-psia, ketelitian 1% berharga <$18 (1000). Data Instruments Inc, Acton, MA. (508) 264-9550.
32
1.6.6. Pressure Transducer P3 MB Special features:
• Pengukuran perubahan statik dan dinamik dalam tekanan, gelombang tekanan, dan fluktuasi
• Jangkauan pengukuran dari 0...10 bar sampai 0...3000 bar • Posisi pemasangan seperti yang diinginkan • Tersedia versi Eex I • Sistem pengukuran regangan ukur • Tahan karat • Perlindungan untuk IP 67 • Pengukuran tekanan diferensial dengan hubungan paralel tranduser
1.6.7. Beberapa hbm Diferensial Pressure Transduser Nama produk
Kegunaan
Tekanan nominal min. / max.
Tipe tranduser
Kelas ketepatan
P3MB
tekanan diferensial
1 bar / 5 bar
Pasif
0.2
PD1
tekanan diferensial
0.01 bar / 10 bar
Pasif
1/2
PDE300
tekanan diferensial
0.1 bar / 2 bar
instrumen tekanan pengukuran dengan tampilan dan 4..20mA
0,5
33
1.6.8. PX80-MV Wet/Wet Low Differential- Strain Gauge Pressure Transducer • Konstruksi baja tahan karat • Tersedia dari 1 sampai 5000 PSID • Persen ketidaklinearan F.S.O. 0,50 (< 30 PDSID), atau 0,75 (> 30 PSID) • Persen histeresis F.S.O. 0,15 (< 30 PSID), atau 0,10 (> 30 PSID) •
Persen kedapatan diulang F.S.O. 0,10 (< 30 PSID), atau 0,10 (> 30 PSID)
•
Tersedia pilihan yang sesuai keinginan untuk material, terminal tekanan, dan penghubung
•
Kemampuan menangkap sinyal FM
•
Tersedia dalam metrik
•
Garis tekanan di atas 6000PSI
•
Keluaran tersedia dalam 5V dan 4 sampai 20mA
1.6.9. PX82-MV Wet/Wet Low Differential – Strain Gauge Pressure Transducer • Konstruksi baja tahan karat • Tersedia dari 50 inci sampai 800 inci H2O • Ketelitian kombinasi 0,5% • Tersedia pilihan yang sesuai keinginan untuk material, terminal tekanan, dan penghubung • Kemampuan menangkap sinyal FM • Garis tekanan di atas 1500PSI • Keluaran tersedia dalam 5V dan 4 sampai 20mA
34
1.6.10. PX81-MV Wet/Wet High Accuracy-Differential Strain Gauge Pressure Transducer • Ketelitian tertinggi 0,25%FS • Konstruksi baja tahan karat • Tersedia dari 5 sampai 500 PSID • Ketelitian kombinasi 0,25% • Tersedia pilihan yang sesuai keinginan untuk material, terminal tekanan, dan penghubung • Keluaran tersedia dalam 5V dan 4 sampai 20mA
1.6.11. Model 264/C264 Very Low Differential •
Mengukur tekanan diferensial atau gauge (statik) dan mengubah perbedaan tekanan ini menjadi sebuah output listrik yang proporsional untuk range tekanan tak berarah atau dua arah.
•
Dua versi: model 264 pressure transducer dengan sebuah output 0-5V DC; dan model C-264 pressure transmitter dengan sebuah output 2-wire, 4-20 mA.
•
Digunakan dalam Building Energy Management System, transduser ini mampu mengukur tekanan dan aliran dengan akurasi yang dibutuhkan untuk pemberian tekanan pada gedung dan pengendalian aliran udara yang baik.
•
Diafragma stainless-steel, dan sebuah elektroda terinsulasi.
•
Tipe pengukuran: diferensial yang sangat rendah.
•
Range: 0-0,1; 0,25; 0,5; 1; 2,5; 5; 10; 25; inci WC 0-±0,1; 0,25; ±0,5; ±1; ±2,5; ±5 inci WC.
•
Akurasi ±% skala penuh: 1,00 standar atau 0,25 dan 0,4 optional (RSS method).
•
Efek termal ±% skala penuh/100°F: 3.3 zero dan span digabungkan.
•
Media compatibility: udara atau gas-gas inert.
•
Output: model 264 = 0 sampai 5 V DC; model C-264 = 4 sampai 20 mA. 35
•
Enclosure Option: model 872 electrical enclosure untuk seri 264 pressure transducer dengan penutup Lexan yang mudah dipasang dan lubang saluran standar 1⁄2 inci.
1.6.12. Model 239/C239 High Accuracy Low Range Differential Pressure • Dirancang khusus untuk pengukuran akurasi tinggi dari tekanan rendah. • Dirancang agar sederhana dan dapat diandalkan. • Perlindungan overpressure positif yang tinggi diperoleh dengan elektroda sensor yang berperan sebagai penutup diafragma. • Aplikasi:
pengendalian
HVAC,
pendeteksian
kebocoran, pengujian lingkungan, R&D scientific, fume hood control. • Tipe pengukuran: diferensial. • Range: 0-0,5; 1; 2,5; 5; 15; 30 inci WC. 0-±0,25; ±0,5; ±1; ±2,5; ±7,5; ±15 inci WC 0-5; 10 PSID 0-±2,5; ±5 PSID •
Akurasi ±% skala penuh: 0,14 standar atau 0,073 optional (RSS method).
•
Efek termal ±% skala penuh/100°F: 1,0 maksimum zero, 1,0 maksimum span.
•
Media compatibility: high pressure port, gas atau cairan yang sesuai dengan stainlesssteel, aluminium, dan Buna-N, low pressure port, udara kering yang bersih, atau gas inert.
•
Output: model 239 = 0-5V DC. Model C239 = 4-20 mA.
1.6.13. Tank Level Differential Seorang operator perlu mengetahui level differential cairan di antara dua tangki. 36
Setiap tangki terbuka sehingga tekanan pada dasar tangki linear dan proporsional dengan level sebenarnya pada setiap tangki. Transduser tekanan penunjuk regangan dipasang pada dasar setiap tangki yang menjadi sinyal input milivolt kepada Action Paka 4081-0000 Bridge Input Field Configurable Isolator.
AP4081 menyediakan eksitasi 1 sampai 10 V kepada transduser dan menerima range input yang lebar dari 10 mV sampai lebih dari 200 mV, juga range input yang bipolar (±200 mV). Output configurable AP4081 dipasang pada range 5 V. Terminal output negatif AP4081 kemudian dihubungkan sehingga menghasilkan differensial dari kedua sinyal output positif. Sebuah Action Paka 4380-2000 DC Input Field Configurable Isolator dipasang untuk menerima input bipolar ± 5V dan menyediakan output 4-20 miliampere. Ketika kedua tangki sama levelnya, sinyal output dari AP4380 akan konstan 12 mA. Jika tangki A levelnya lebih tinggi dari tangki B, sinyal arus akan meningkat di atas 12 mA. Sebaliknya, jika tangki A levelnya lebih rendah dari tangki B, sinyal arus akan menjadi di bawah 12 mA. Keluarga Ultra Slimpaka dapat digunakan untuk menghasilkan hasil yang sama. Menggunakan dua G448-0002 Strain Gauge Isolator dan satu G408-0001, dapat dirakit sebuah sistem yang identik.
37
1.6.14. Differential Pressure Transducer Produk Megatron
Pressure Transducer Tipe Range tekanan nominal (bar) Pengukuran tekanan Toleransi linearity (% skala penuh) Hysteresis (% skala penuh)
MPD
0,6…10 Tekanan diferensial <± 0,7 <± 0,2 Pressure fittings 2 nosel 5,2mm Solder pins Sambungan listrik Protection class IP Tanpa elektronik Supply tegangan (V DC) 5 typ. 16 maksimum 8…14 Output nominal (mV/V) Range temperatur pemakaian (°) -25…85 Koefisien temperatur (% skala penuh/10K) pada ≤ ± 0,5 output 0 Koefisien temperatur (% skala penuh/10K) pada ≤ ± 0,5 output nominal MEGATRON menawarkan sensor tekanan semikonduktor monolitik yang terintegrasi (efek tahanan piezo) untuk jangkauan tekanan rendah dari 0,2 sampai 25 bar, untuk over pressure dan pengukuran tekanan absolut. Membran tekanan dan pengubah mekanik/elektrik pada transduser tekanan monolitik diproduksi pada satu bagian. Ini memungkinkan alat-alat tersebut untuk digunakan pada aplikasi yang paling kecil. Sensor tekanan semikonduktor khususnya cocok untuk merekam perbedaan kecil dari tekanan dikarenakan kepekaannya yang tinggi.
1.6.15. Sable System International Transduser Tekanan PT-100P Transduser tekanan yang sensitif digunakan dalam sejumlah besar penelitian dan aplikasi pengajaran, mulai dari Plethysmography dan deteksi pergerakan sampai dengan ke ventilasi biofisik, respirometer, pengukuran tingkat aliran, dan pemeriksaan integritas 38
sistem segel. Alat ini merupakan salah satu alat yang paling berguna dalam laboratorium fisiologi. Sebelumnya, jika Anda membutuhkan transduser tekanan yang tekanan yang sensitif, Anda harus membelinya dalam jumlah besar, delicate, dan primadona alat yang berubah-ubah dengan harga yang melambung, bersama-sama dengan amplifier strain gauge yang cocok. Transduser jenis ini sudah usang karena ketidakmampuan dan ketidaklinearannya, di luar dari harga yang melambung tinggi. Teknologi jelas terus berkembang. Alat yang dulu membutuhkan kabel strain gauge yang sulit pada sebuah floppy dan membran damage-prone, sekarang bisa dilakukan lebih baik dengan wafer silikon yang dietsa secara presisi, cukup tipis untuk dilenturkan secara mudah di bawah tekanan dan memiliki silikon strain gauge yang menyeluruh (integral), sensitivitasnya tinggi, dan temperature compensated. Wafer ini adalah transduser tekanan ideal yang menawarkan sensitivitas tinggi, aliran yang sangat rendah, resolusi yang mengesankan, dan merespon frekuensi. Sable system PT-100, berdasarkan elemen pengukur tekanan yang presisi dari wafer silicone, didesain untuk hubungan langsung ke sistem akuisisi data atau chart rekorder. Memiliki jangkauan dasar ±1250 Pa (ekivalen dengan ±10 Torr), dengan jangkau perolehan tambahan ±125 Pa dan ± 12.5 Pa. Keluaran voltase nominal (dari lubang BNC berkualitas tinggi) adalah sebesar 250,25 atau 2.5 Pa/V. PT-100 adalah transduser tekanan differensial. PT-100 mengukur perbedaan tekanan antara sampel dan terminal input referensi. Anda dapat menggunakan tekanan atmosfer sebagai referensi, atau lainnya yang lebih cocok dengan pengalaman Anda. Sebagai contoh, salah satu aplikasi menarik pengukuran perbedaan tekanan antara sebuah respirometer ruang tertutup (dengan absorbant CO2) dan termobarometer. Aktivitas ini membuat Anda dapat menyusun volume respirometer yang akurat dan volume konstan sensitif yang ideal untuk penggunaan dengan sistem data acquisition yang manapun. Kemungkinannya tak terhingga, hanya dibatasi oleh imajinasi Anda. Banyak aplikasi yang menginginkan pengukuran tekanan dengan perubahan kecil di berbagai tempat dengan jangkauan instrumen. PT-100 sangat baik dalam hal 39
ini, dengan keseimbangan penuh dan memperoleh kemampuan terhadap keseluruhan jangkauan instrumen. Kemampuan ini dapat membantu Anda mengurangi offset konstan dari output transduser tekanan dan meng-amplify deviasi dari nilai tersebut. Nilai offset adalah sekumpulan nilai yang berkualitas tinggi, ten-turn potensiometer. PT-100 bahkan memiliki tampilan terbaik yang tidak ditemukan padainstrumen komersial lain yang ada. Sebagai alterntif men-set nilai offset secara manual, alat ini dapat melakukannya secara otomatis, dengan menunda aliran tekanan jangka panjang tapi dengan hati-hati meng-amplify sinyal yang diinginkan dengan lebih cepat. Alat ini dapat melakukannya dalam 2 waktu konstan(10 atau 60 detik). Ini membuat PT-100 menjadi begitu alami, untuk aplikasi-aplikasi yang diinginkan seperti plethysmografi seluruh badan, dimana sinyal yang kecil dan bervariasi secara cepat melaju pada sinyal yang lebih besar dan bervariasi dengan lebih lambat. Di luar dari penggunaannya dalam penelitian, PT-100 sangat baik untuk pengajaran physiology karena kemampuan dan kemudahan pemakaiannya. PT-100 ideal untuk Spirometer. Dan karena PT-100 tidak menggunakan membran floppy sebagai elemen sensor, maka lebih kuat dan juga sensitif (sebuah kombinasi yang baik). Alat ini mampu mengambil 30 kali penuh tekanan skala penuh yang telah diatur tingkatannya, atau 1/3 tekanan differensial atmosfer. Perlakuan ini bisa menghancurkan sensor model lama yang hanya mampu menahan 1,5 kali beban sebelum membutuhkan pekerjaan perbaikan yang bisa mengeluarkan biaya lebih dari seluruh PT-100.
1.6.16. New Delta Plus Transduser Tekanan Diferensial Multiguna Penawaran terbaru Sensotec adalah Delta Plus Differensial Pressure Family yang didesain untuk aplikasi jangkau perbedaan tekanan yang paling luas. Produkproduk Delta Plus memperoleh kemultigunaannya melalui 1 set konfigurasi standar dan pilihan yang sangat bervariasi yang menyebabkan mereka dibuat untuk spesifikasi konsumen secara tepat. Konsumen dapat memilihnya dari bermacam-macam terminal tekanan (pressure ports), terminal elektrik, output sinyal, dan konfigurasi mesin untuk 40
memperoleh pemasangan sempurna untuk aplikasi yang ada dan baru. Delta Plus Dps menampilkan ketepatan ± 0.1% atau 0.25 % dan jangkauan skala penuh sebesar 10" H2O pada temperatur operasi dari -40 s.d 225°F. Output standar adalah 0-100 mV (nom), atau anda bisa memilih voltase yang di-amplify secara internal dan output langsung, termasuk safe 2-wire secara instrinsik. Unit-unit yang keras semuanya mengalami welding, dan terbuat dari Stainless Steel, bisa dikonfigurasikan baik untuk aplikasi wet/wet atau wet/dry dan juga baik dengan terminal tekanan in-line atau right-angled . Selain desainnya yang kompak dan ringan, Delta Plus mampu mengirimkan response frekuensi, output simetri yang luar biasa, dan sensivitas temperatur minimal. Kedua unit mampu menampilkan terminal basah (wet ports) yang efektif dengan fluida dan gas-gas yang setara dengan Stainless Steel 316L dan Hastelloy C-276. Terminal kering (dry ports) dibatasi untuk fluida dan gas-gas yang setara dengan kuarsa, silikon, steel, dan alumunium.
1.6.17. Transduser Tekanan Produk Sensotec Model Yang Tersedia Tipe-tipe TJE wet/wet differensial , Z wet/wet differensial , dan A-5 wet/wet differensial tersedia untuk tekanan 5,10,15,25,50,100, 200 dan 500 psi. Sensotec memanufaktur transduser tekanan differensial wet/wet dan wet/dry dan transmitter dalam jangkauan luas. Sensor ini dimanufaktur berupa standar, modifikasi standar, dan produk-produk biasa. Sensotec menawarkan transduser teknologi berjangkauan luas seperti bonded foil, semikonduktor, sputtered dan lain-lain, sehinnga sensor akan menyadiakan pengukuran terbaik yang mungkin dilakukan oleh kondisi lingkungan yang diaplikasikan. Unit-unit ini mengukur tekanan jangkauan luas: 0.5 psid s.d 10,000 psid. Sensotec Dps juga menawarkan tingkat ecepatan tinggi dan stabil; 0.1 % s.d 0.5 % F.S pada waktu berhubungan dengan temperatur serendah -100 s.d 325°F. Transduser biasa mampu 41
meng-handle temperatur diatas sebaik di bawah jangkauan ini. Jangkau output "on board" Sensotec bervariasi sekali. Ada yang termasuk 4 s.d 20 mA, 0 s.d 5 V, 0 s.d 20 mA, 1 s.d 10 Vdc, dan ± 5 Vdc, sebaik 0 s.d 20 Vdc. Kita juga bisa menyediakan amplifikasi in-line dan output digital seperti RS-232 atau RS-485. Sensotec juga menawarkan jangkauan luas dari ukuran termasuk miniatur transduser bersama-sama dengan tipe penghubung, yang mana termasuk kabel penghubung bawah air yang dapat dibawa menyelam.
1.6.18. SP 100 Model SP100 adalah sebuah transduser tekanan keras yang menggunakan sebuah jembatan pengukur regangan silikon yang dipasang pada sebuah diafragma rata untuk mengukur defleksi diafragma yang disebabkan oleh tekanan. Lubang tekanan yang ditutup dengan las terbuat dari 17-4 PH stainless steel, sehingga unit ini baik untuk digunakan dengan cairan yang korosif dalam kondisi lingkungan pada umumnya.Harganya ekonomis untuk aplikasi industri dimana rasio unjuk kerja-biaya yang tinggi sangat penting. Keistimewaan •
Kecil, keras
•
Konstruksi stainless-steel
•
Lubang tekanan ditutup dengan las
•
Overpressure tinggi
•
Stabil, andal
•
Keandalan terbukti
42
SPESIFIKASI DASAR Performance Range standar
0-15, 30, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10.000 psi
Overpressure
200% skala penuh
Burst pressure
10x skala penuh atau 20.000 psi, mana yang lebih rendah
Mechanical Material
17-4 PH CRES lubang dan case
Pressure fitting
1/4 –18 NPT (MS33656-4 optional)
Berat
Maksimum 4 ons
Environmental Temperatur Operating range
-65 sampai +255°F
Compensated range
0 sampai +130°F
Efek termal On zero: ±0,01% skala penuh/°F On sensitivity: ±0,01% skala penuh/°F
Electrical Eksitasi
10V DC atau AC nom
Output
10mV/V ± 1%
Akurasi
±0,5% skala penuh (Comb. L.H.R.)
Resolution
Tak terhingga
Kesetimbangan nol
±1% skala penuh
Impedansi output
500 ohm nom
Impedansi Input
1700 ohm nominal
Tahanan insulasi
50M/ohm minimum pada 50V DC
43
Penghubung
Bendix PTIH-8-4P atau ekivalen (mate: PTO6-8-4S)
1.6.19. Psi-100 Milivolt Output Pressure Transducer
44
Range pengukuran akurat tekanan: 15-10.000 psi. Keistimewaan: •
Biaya rendah
•
Akurasi (Linearity, Hysteresis, Repeatability): ±.25%F.S.
•
Hybrid compensation network untuk reliability
•
Output standar 10 mV/V (output yang lain tersedia)
•
Konstruksi: rugged all-stainless yang di las Transduser pengukur regangan dengan akurasi ±.25% skala penuh. PSI-100
menawarkan range tekanan (gauge atau absolut) dari 0-15 sampai 0-10.000 psi. Keistimewaannya adalah high burst pressure dan akurasi yang tinggi: .25%F.S. Sensor terdiri dari pengukur regangan piezoresistive yang terbuat dari silikon yang terpasang pada diafragma logam yang rata, yang terpasang pada konfigurasi jembatan wheatstone. Output disesuaikan untuk 100 mV skala penuh untuk seluruh range (10 mV/ Volt). Sensor, dengan hybrid compensation network, ditempatkan dalam sebuah housing yang seluruhnya terbuat dari stainless-steel untuk penggunaan di lingkungan yang buruk. PSI-100 ekonomis untuk seluruh pemakaian umum pengukuran tekanan dimana dibutuhkan unit yang hemat biaya dan memiliki keandalan tinggi. Dengan ukuran yang kecil (2 ons), hybrid compensation yang terintegrasi dan konstruksi yang keras membuat unit ini sebagai all purpose transducer yang baik dengan umur pemakaian yang lama untuk seluruh aplikasi pengukuran tekanan statis dan dinamis.
SPESIFIKASI Unjuk Kerja Range tekanan (pengukur atau absolut) 0-15 sampai 10.000 psi standar Overpressure
2× skala penuh
Burst Pressure
10× skala penuh atau 20.000 psi, mana yang lebih rendah 45
Volume lubang tekanan
0,05 in3
Output
10 mV/V ± 1%
Akurasi (linearity, hyste-resis, dan repeatability)
± 0,25% dari skala penuh
Kesetimbangan nol
± 1,0 % dari skala penuh
Range Temperatur Thermal Zero Shift Thermal Sensitivity Shift
-0°F sampai 130°F ±0,01% dari skala penuh / °F ± 0,01% dari skala penuh /°F (±0,02% untuk range temperatur optional atau 316S.S
Resolution
Tak terhingga
Umur
10 juta pemakaian
Electrical Eksitasi
10V DC (dianjurkan) 20V maksimum (DC atau AC)
Impedansi input
1200Ω minimal
Impedansi output
±500Ω
Output / Input
Non-isolated, floating, 4-wire
Environmental Range temperatur pemakaian maksimum
-65°F sampai +300°F
Compensated range Optional range
0°F sampai 130°F standar -40°F sampai 250°F optional
46
Fisik Berat
2 ons
Wetted materials
Stainless-steel 17-4 P.H. (316 S.S.T. optional) (tanpa O-rings) Sesuai dengan 17-4 P.H. atau 316 S.S.T.
Media
Penghubung: Electrical Receptacle: Bendix PT1H-8-4 P atau ekivalen Mating Connector: Bendix PT06A-8-4S(SR) atau ekivalen
Circuit view End view
Side view
47
1.6.20. Semi-Conductor Pressure Transducer •
Banyak macamnya termasuk diafragma silikon dan model diafragma logam •
4 jenis bentuk pengukuran:
tekanan gauge
(tidak terte-kan dan tertekan), tekanan absolut, tekanan diferensial. •
Sangat kompak, sensivitas tinggi, model dengan
output tinggi, dsb., tersedia dengan karakteristik frekuensi supe-rior. Sangat cocok untuk eksperimen wind-tunnel, ataupun berbagai jenis eksperimen mesin.
48
BAB 2 PENGUKURAN TEMPERATUR
2.1. Pengantar Termoelektrik Ada beberapa metode yang umum digunakan sebagai pengukuran temperatur (sensor) meliputi termokopel, sistem yang diisi (filled system), tahanan listrik dan elemen bimetal. Pemilihan sensor temperatur dan sistem yang ingin digunakan bergantung pada empat faktor, yaitu : harga, ketepatan (akurasi), kepercayaan dan kesesuaian. Faktor pertama pasti dipertimbangkan karena pengaruh harga sangat penting sekali. Faktor kedua dapat dipahami sebab bila suatu proses ingin dikontrol dengan satu atau dua derajat (kadang-kadang dengan derajat fraksi), proses lain dapat berubah beberapa derajat tentunya tanpa kehilangan efisiensi atau kualitas. Faktor kepercayaan dapat digambarkan sebagai berikut : termokopel besikonstantan dapat dipakai untuk pengukuran temperatur sekitar 760°C. Tetapi, oksidasi menyebabkan kesalahan awal dan termokopel besi-konstantan membutuhkan pergantian berulang. Agar lebih dapat dipercaya, termokopel dengan range temperatur besar dan ketahanan yang lama dapat digunakan. Faktor kesesuaian pada proses yang hendak diukur turut menentukan pemilihan sensor; dimana sensor tidak berubah atau bercampur dengan proses. Misalnya menempatkan termokopel pada sumber panas (thermowell) dalam aliran dimana proses berlangsung mencegah terjadinya perpindahan panas dengan konsekuensi kesalahan indikasi temperatur.
49
Prinsip termoelektrik yang ditemukan oleh Seebeck pada tahun 1821 merupakan satu dasar dari beberapa jenis alat pengukuran temperatur yaitu termokopel. Bila dua logam yang berbeda dihubungkan bersama pada satu sisi dan sisi tersebut dipanaskan, akan timbul pada potensial pada sisi yang lain. Dua kaki bebas tersebut dapat dihubungkan dengan mili voltmeter atau potensiometer untuk mengukur besarnya emf (electromotive force) yang dihasilkan. Instrumen yang bekerja sesuai prinsip ini dikenal sebagai pirometer termoelektrik. Electromotive force yang didapat pada rangkaian termoelektrik disebabkan oleh dua fenomena, satu dikenal efek Peltier dan yang lain adalah efek Thomson. Efek Peltier mengatur besar emf hasil dari kontak dua logam berbeda (tetapi besarnya berubah sejalan dengan temperatur pada titik kontak). Emf akibat dari efek Thomson (kurang dominan) dihasilkan oleh gradien temperatur kabel tunggal. Selama kedua titik kontak dan kedua kabel terdapat gradien temperatur maka akan timbul dua emf Peltier dan dua amf Thomson. Total emf yang bekerja pada rangkaian adalah hasil keempat emf tersebut, dengan polaritas ditentukan dari material yang digunakan dan hubungannya terhadap temperatur pada kedua sisi. Besar emf ini dapat diukur pada rangkaian di setiap titik dengan instrumen pengukur emf atau potensiometer. Termokopel yang umumnya diperdagangkan dapat membangkitkan 20 sampai 50 mV untuk suatu jangkauan temperatur tertentu. Selama material yang digunakan adalah termokopel komersial (umum diperdagangkan), efek Thomson dapat diabaikan. Total emf menjadi jumlah kedua emf yang dibangkitkan oleh efek Peltier. Bila temperatur pada satu sambungan (reference junction) dipertahankan konstan, atau bila besar emf dikompensasi, emf efektif termokopel hanya yang dibagkitkan oelh temperatur yang tidak terkompensasi (measuring junction). Besar emf inilah yang digunakan untuk mengukur perubahan temperatur. Beberapa fenomena ditemukan dan diterima sebagai hukum termoelektrik, yaitu : 50
1. Pemanfaatan panas pada suatu logam homogen tidak akan menghasilkan atau mendapatkan arus listrik di dalamnya. 2. Emf akan dihasilkan bila terdapat sambungan dari dua logam berbeda dipertahankan pada temperatur berbeda tidak dipengaruhi oleh gradien temperatur sepanjang konduktor 3. Pada rangkaian yang terdiri dari dua logam berbeda dimana kedua sambungan diberi beda temperatur, besar emf tidak akan terpengaruhi bila logam ketiga disambungkan pada rangkaian 4. Besarnya emf dua logam berbeda yang dihubungkan satu dengan yang lain adalah jumlah aljabar dari masing-masing emf relatif terhadap logam ketiga (reference metal) 5. Emf yang dihasilkan pada suatu rangkaian yang berada pada temperatur T1 dan T2 dan emf pada temperatur T2 dan T3 adalah sama dengan jumlah aljabar emf bila rangkaian berada pada temperatur T1 dan T3. 6. Jumlah aljabar emf yang dihasilkan pada rangkaian meliputi dua atau lebih termokopel dimana semua pada temperatur sama adalah nol 7. Total emf tidak terpengaruh oleh tambahan termokopel yang mempunyai temperatur sama
Kombinasi kabel termokopel haruslah mengacu pada hubungan linier antara temperatur dengan emf, dimana kombinasi tersebut mampu menghasilkan perubahan emf per derajat temperatur yang dapat dideteksi dengan alat pengukuran standar. Dan untuk beberapa aplikasi dapat digunakan untuk temperatur tinggi, perubahan temperatur yang cepat dan efek korosi yang kecil. Pada fenomena ketiga hukum termoelektrik menyatakan bahwa logam ketiga yang ditambahkan pada rangkaian tidak mempengaruhi emf yang dibangkitkan selama temperatur kedua sambungan tetap sama. Hal ini menjadi suatu keuntungan ekonomis dalam pemilihan kabel ketiga. Kabel tembaga umumnya digunakan sebagai kabel 51
termokopel tambahan. Insulasi/pelapisan permukaan sangat penting untuk menghindari kenaikan emf yang tidak diinginkan. Besar emf yang dihasilkan oleh termokopel bergantung pada temperatur yang hendak diukur dan temperatur referensi. Maka untuk menentukan temperatur harus diketahui : 1. kalibrasi data termokopel 2. emf terukur 3. temparatur referensi
2.2. Fenomena Termoelektrik Dalam perencanaan instrumen termoelektrik, ada lima fenomena yang harus diperhatikan, yaitu konduksi panas, rugi Joule, efek Seebeck, efek Peltier dan efek Thomson. Ketiga fenomena terakhir saling berhubungan satu sama lain terhadap karakteristik suatu material. Adapun kelima fenomena tersebut adalah :
2.2.1. Perpindahan Kalor Konduksi Analisa termodinamik pada modul termoelektrik, dimana medium penghantar listrik adalah benda padat memerlukan pertimbangan perpindahan kalor lewat konduksi. Konduksi kalor sederhana dimana rata-rata perpindahan panas diperhitungkan sebanding dengan gradien temperatur mengacu pada aliran panas Fourier mengikuti hukum Fourier mengenai konduksi termal :
Equation 2-1
dimana k adalah koefisien konduktivitas termal (watt/cm.K)
52
2.2.2. Rugi-rugi Joule Aliran arus listrik melawan tahanan, disertai dengan disipasi energi listrik yaitu tranformasi energi listrik menjadi energi termal. Hal ini akan menaikan temperatur pada medium penghantar sebanding dengan sejumlah energi yang dipindahkan lewat perpindahan kalor. Dengan hukum Ohm, V = IR, Panas Joule rata-rata adalah
Equation 2-2 Tahanan ditentukan lewat dimensi material penghantar dan resitivitas material, ohm-cm. Kebalikan dari resitivitas adalah konduktivitas, jadi
Equation 2-3 arus listrik biasanya dilambangkan sebagai hambatan jenis (J), dimana :
Equation 2-4
2.2.3. Efek Seebeck Bila dua material yang berbeda dihubungkan dalam suatu sirkuit dan kedua sambungan (junction) dipertahankan pada temperatur yang berbeda maka akan dibangkitkan emf (electromotive force). Fenomena ini pertama kali ditemukan oleh Seebeck sehingga disebut efek Seebeck atau umumnya dikenal dengan nama prinsip termokopel. Dua buah material, sebut p dan n dihubungkan pada titik 1 dan berada pada temperatur referensi, TL. Dengan potensiometer diukur beda temperatur (TH - TL). Seebeck memberikan suatu persamaan hubungan sifat material, potensial termoelektrik dengan temperatur. Koefisien Seebeck atau biasa disebut thermoelectric power untuk suatu material didefinisikan sebagai, 53
Equation 2-5 Sedangkan potensial termoelektrik, E yang ditimbulkan dalam suatu sirkuit yang terdiri dari dua material dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Equation 2-6 Koefisien Seebeck kombinasi, ditentukan positif jika arus listrik (aliran muatan positif) mengalir dari material p ke material n pada simpangan dingin dimana panas kombinasi ulang dilepaskan.
2.2.4. Efek Peltier Efek Peltier menyebutkan bahwa jika suatu arus searah dialirkan pada suatu rangkaian yang terdiri dari material berbeda, salah satu simpangan logam yang tidak sama tersebut akan dipanaskan dan lainnya akan didinginkan. Ini adalah kebalikan dari efek Seebeck dan juga dapat balik, yaitu jika aliran arus berlawanan maka material yang tadinya dipanaskan akan didinginkan dan yang tadinya didinginkan akan berbalik dipanaskan. Apabila arus listrik mengalir dari suatu penghantar ke penghantar lain melewati suatu sambungan, sejumlah energi dibawa oleh pembawa muatan ke sambungan (junction) dari material p dengan laju Qp, dan energi ini dibawa dari sambungan ke material n dengan laju Qn. Karena tingkat energi dari pembawa muatan adalah berbeda untuk kedua material maka Qp akan lebih besar atau lebih dari Qn. 54
2.2.5. Efek Thompson Efek Thomson menyatakan bahwa terdapat penyerapan atau pelepasan panas bolak-balik dalam penghantar homogen yang terkena perbedaan panas dan perbedaan listrik secara simultan. Didapat bahwa gradien potensial hasil dari perbedaan temperatur adalah positif searah dengan gradien temperatur.
2.2.6. Konstruksi Instrumen Termokopel satu simpangan dapat menghasilkan keluaran dalam jangkau mikrovolt sampai milivolt. Tetapi ada satu cara yang cukup baik untuk mendapatkan rangkaian yang lebih peka yaitu beberapa termokopel dihubungkan secara seri. Susunan demikian disebut termopil atau termo-onggok. Tujuh sambungan termokopel akan menghasilkan keluaran/sensitivitas tujuh kali susunan termokopel tunggal dengan syarat temperatur sambungan panas dan sambungan dingin seragam. Susunan termopel sangat berguna untuk mendapatkan emf yang agak besar untuk pengukuran beda suhu kecil antara dua sambungan. Dengan cara ini didapatkan instrumen yang relatif murah untuk pengukuran tegangan, jika tidak akan diperlukan potensiometer mikrovolt dalam pengukuran keluaran. Untuk sering lebih menguntungkan.
2.2.7. Pengukuran Potensial Kaki atau elemen instrumen termoelektrik p-n dihubungkan seri untuk mengalirkan arus, dan dihubungkan paralel untuk mengalirkan panas. Tahanan listrik total dari konverter merupakan jumlah tahanan dari tiap-tiap tahanan kaki. Konduktansi panas instrumen Kg adalah sama dengan jumlah konduktansi panas (harga kebalikan dari tahanan panas) kaki-kaki semikonduktor, atau
Equation 2-7
Dimana K adalah konduktivitas panas material semikonduktor dalam watt per meter per 55
derajat Celcius. Kesetimbangan energi pada kedua sambungan panas atau dingin terdiri atas empat bentuk energi. Pertama, terdapat sejumlah perpindahan panas ke atau dari sambungan. ke sekelilingnya, ±Q. Yang kedua, terdapat sejumlah perpindahan panas melalui instrumen dari sambungan panas ke bagian yang dingin, Kg∆T. Ketiga, perpindahan panas karena efek Peltier, ±πpn Ι = ±T (L atau H) I αpn. Keempat, terdapat penghamburan daya di peralatan karena pemanasan Joule dan dapat ditunjukkan bahwa secara efektif separuh dari panas tahanan ditimbulkan dalam masing-masing sambungan, +Ι2Rg/2. Di bagian sambungan panas, jumlah perpindahan panas, jumlah perpindahan panas Peltier ialah mπpn Ι atau m pnTHΙ, dalam watt. Energi atau daya yang masuk ke sambungan panas adalah sama dengan Ι2Rg/2 plus QH, sedang daya meninggalkan sambungan panas adalah sama dengan jumlah Kg ∆T dan m αpnTHΙ. Pada bagian sambungan dingin, daya yang dipindahkan dari sambungan ke sekelilingnya sama dengan -QL. Daya berguna yang diproduksi oleh peralatan adalah sama dengan daya yang diberikan pada beban luar. Karena sistem ini membangkitkan arus searah, daya berguna yang terjadi ialah Ι2Ro, dimana Ro adalah tahanan dari beban luar. Voltase keluaran instrumen adalah sama dengan voltase total yang dibangkitkan, dikurangi penurunan voltase Equation 2-8
dan daya keluaran menjadi Equation 2-9
2.2.8. Material Hubungan emf terhadap temperatur untuk termokopel sejenis terbatas pada sifat-sifat fisik dan tidak tergantung pada detail instrumen. Pada termokopel sejenis, masing-masing elemen adalah sama baik komposisi kimianya dan sifat fisiknya. Meskipun semua material yang tidak sama menunjukkan efek termoelektrik tetapi 56
hanya beberapa yang digunakan secara luas. Ada tujuh karakteristik utama yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan material termoelektrik, antara lain : •
Stabilitas atau reproduksi ulang, perubahan emf terhadap waktu tidak cepat berubah.
•
Konstan atau komposisi sesuai , sedikit campuran atau komposisi material yang berubah dari satu sisi ke sisi lainnya dapat menyebabkan perubahan atau ketidaksamaan besar emf.
•
Ketahanan terhadap korosi, material tidak berubah strukturnya akibat oksidasi atau penurunan tekanan.
•
Sensitivitas atau kepekaan, emf yang dihasilkan perderajat temperatur besar.
•
Jangkuan (range), dapat digunakan untuk jangkuan temperatur yang besar.
•
Kekerasan , keras namun mudah dikerjakan
•
Biaya, murah dan mudah didapat
Elemen
Elemen
Positif Negatif 90%Pt, 10%Rh: Platinum
Jangkuan
Pengaruh temperatur
temperatur, °C 0 + 1450
dan tekanan Resistensi terhadap
87%Pt,13%Rh
oksidasi
sangat
baik,
resistensi
terhadap
penurunan
tekanan
jelek,
platinum
mudah
berkarat pada suhu di atas 1000°Cukup, harus Khromel-P
Alumel
-200 + 1100
dilindungi dengan tube Resistensi terhadap oksidasi
baik-sangat
baik, resistensi terhadap penurunan tekanan jelek, dipengaruhi oleh sulfur 57
Besi
Konstantan
-200 + 750
Oksidasi dan penurunan tekanan berpengaruh kecil terhadap
akurasi.
baik
digunakan pada keadaan kering, resistensi terhadap oksidasi
baik
(diatas
400°C), harus terlindungi dari oksigen, campuran Tembaga
Konstantan
-200 + 350
dan sulfur Oksidasi dan perubahan pada
tembaga
(diatas
dan
pada
400°C)
konstantan (diatas 600°C). Kontaminasi
tembaga
mempengaruhi kalibrasi, resistensi
terhadap
oksidasi baik, resistensi terhadap Khromel-P
Konstantan
-100 + 1000
penurunan
tekanan baik, harus Khromel mudah berinteraksi
dengan
sulfur, resistensi terhadap oksidasi baik, resistensi terhadap
penurunan
tekanan jelek Table 2-1 Limit Temperatur dan Karakteristik Beberapa Termoelektrik
Dari D.M. Considine (ed), Proses Instruments and Controls Handbook, McGraw-Hill, 1957 58
Seperti dijelaskan sebelumnya, emf yang dibangkitkan oleh termokopel tidak tergantung pada ukuran kabel. Maka kabel berukuran kecil biasa digunakan sehingga berat dan beda temperatur dari simpangan akan sangat kecil. Tetapi kabel berukuran kecil terbatas pada kekuatan mekanis dengan itu perlu dilapisi dengan pembungkus. Pemilihan material merupakan salah satu faktor yang menentukan besarnya penyimpangan (error). faktor lainnya adalah tingkat temperatur (temperatur level), kabel penghubung, kompensasi, sistem pengukuran potensial dan pemasangan/instalasi instrumen.
2.3. Pengukuran Temperatur Konsep daripada temperatur menurut rujukan (13) adalah : •
Suatu sifat termodinamika yang berkaitan dengan energi atau perpindahan energi.
•
Merupakan "petunjuk" arah perpindahan energi sebagai panas.
•
Sifat daripada zat, apabila temperatur suatu benda lebih tinggi dari benda yang kedua, perpindahan energi sebagai panas berlangsung dari benda yang pertama ke benda ke dua.
Sedangkan definisi daripada 1°C adalah selisih antara besarnya titik didih air pada 1 atmosfir terhadap titik beku air dibagi 100 atau : 1°C = (tdidih - tbeku) air / 100 Standar skala praktis temperatur Internasional (Internasional Practical Temperatur Scale) dapat digunakan untuk rujukan besarnya temperatur dengan karakteristik bahan yang dapat diamati, seperti pada tabel 1. Dimana yang menjadi dasar besarnya suhu dari berbagai titik, yaitu titik tripel (t.p), titik didih (t.d), titik beku (t.b.) dari suatu zat.
59
TITIK RUJUKAN
TEMPERATUR °C (IPTS 68)
t.p. kesetimbangan hidrogen -259.34 t.p. kesetimbangan hidrogen pada 33 330.6 -256.108 Pa t.p. kesetimbangan hidrogen t.p. neon t.p. neon
-252.87 -248.595 -246.048
t.p. oksigen t.p. air t.p. air t.p. air
-218.789 0 0.01 100
t.p. perak t.p. emas
916.93 1 064.43
Table 2-2 Titik Rujukan Untuk Kalibrasi
sumber : referensi (15)
Metode pengukuran temperatur hingga saat ini sangat banyak seperti pengukuran suhu dengan efek mekanik, efek listrik dan dengan efek radiasi. Disini kita menggunakan proses pengukuran dengan efek radiasi. Disini kita menggunakan proses pengukuran dengan efek listrik atau secara khususnya menggunakan termokopel.
2.3.1. Termokopel
2.3.1.1. Prinsip Kerja Termokopel Suatu termokopel bekerja atas dasar prinsip fenomena dari Seebeck (pada tahun 1821), yaitu : bila suatu rangkaian yang terdiri dari dua buah logam yang tidak sejenis dan bila temperatur pada sambungan-sambungan dari kedua kawat tersebut tidak sama, maka akan ada gaya listrik (electromotive force = emf), seperti pada gambar 2.1.
60
Gambar 2-1 Prinsip Kerja Termokopel
Efek lainnya yang penting dalam pembahasan termokopel adalah :
Efek Peltier (pendinginan atau pemanasan) Jika melalui sambungan antara 2 buah logam yang berbeda dialirkan arus listrik, maka sambungan tersebut akan bertambah panas atau dingin tergantung dari arah arus mengalir, seperti pada gambar 2.2.
T1
Gambar 2-2 Efek Peltier
Efek Thompson Jika arus mengalir dalam kawat tembaga dengan gradien temperatur, panas dibebaskan pada setiap titik dimana arus mengalir menurut arak aliran panas, sedangkan panas diserap pada titik yang berlawanan arah (gambar 2.3). Sebatang logam T1 = T2 Jika T1
Kebalikan dari (B) jika T1>T2, maka arah arus listrik akan mengalir kebalikan daripada (B).
Gambar 2-3 Efek Thompson
Dalam hal ini juga dikenal dengan hukum thermoelektrik, yaitu: Hukum kehomogenan Dalam kawat yang homogen tidak akan timbul tegangan walaupun ada perbedaan temperatur pada bagian-bagian logam tersebut.
Hukum logam perantara Jika temperatur dari sambungan sama, maka tegangan yang dihasilkan adalah sama dengan apabila titik P dan Q disatukan (gambar 2.4).
62
Gambar 2-4 Hukum Logam Perantara
Hukum temperatur perantara Tegangan dari termokopel AB dengan sambungan T1 dan T3, adalah sama dengan termokopel AB dengan sambungan T1 dan T2 ditambah dengan tegangan termokopel AB dengan sambungan T2 dan T3.
Gambar 2-5 Hukum Temperatur Perantara
2.3.1.2. Kombinasi Logam Termokopel Termokopel harus mempunyai karakteristik yang dikehendaki seperti : •
Gaya gerak listrik yang dihasilkan relatif besar, sehingga mudah diukur 63
dengan kesalahan kecil. •
Hubungan tegangan-temperatur selinier mungkin.
•
Tahan terhadap oksidasi dan korosi.
•
Mudah kalibrasinya.
•
Mempunyai stabilitas yang baik, baik terhadap waktu maupun keadaan sekeliling.
•
Logamnya harus dapat dibuat secara uniform
•
Titik leleh logam tinggi
Logam-logam yang biasa digunakan dalam pengukuran temperatur termoelektrik dapat dilihat pada tabel 2.3. Max. Temp C
Allowable Atmosphere (Hot)
Material names
Color Code
Type ANSI
Avg. Output V/100 F
Accuracy
Std. 2800
Spec.
Tunsten/tungsten 26% rhenium Tungsten 5% rhenium/ tungsten 26% rhenium Tungsten 3% rhenium/ tungsten 25% rhenium Platinum 30% rhodium/ platinum 6% rhodium
-
-
0,86
-
-
-
-
0,76
-
-
-
-
0,74
-
-
1800
Inert,H, Vac Inert, H, Vac Inert, H, Vac Oxidixing
B
-
0,43
1/2%
1/4%
1600
Oxidixing
R
-
0,64
1/4%
1/4%
1540
Oxidixing
S
-
0,57
1/4%
1/4%
1300
Oxidixing
-
-
2,20
5/8%
-
1260
Oxidixing
Yellow -red
2,20
4 F 3/4%
2 F 3/8%
980
Reducing
4,20
1/2%
3/8%
875
Reducing
Platinum 13% rhodium/ platinum Platinum 10% rhodium/ platinum Platinel II (5355)/platinel II (7674) Chonel/Alumel, Topel/Nial, Advenced T1/T2, Term. Kanthal P/N Chromel/ Constantan Iron/Konstantan
3,00
4 F 3/4%
2 F 3/8%
400
Reducing
Copper/constantan
T
2,50
3/4%
3/8%
2760 2210
E J
Purple -red White -red Blue -red
Table 2-3 Logam-Logam yang Bisa Digunakan Dalam Pengukuran Temperatur Termoelektrik
Sumber : Referensi (11) Sedangkan untuk kabel perluasan termokopel dapat dilihat pada tabel 2.4. 64
Dapat kita lihat perbedaan warna dari kabel-kabel tersebut dapat juga menunjukkan jenis termokopel. Tetapi untuk setiap standard yang berbeda hal ini tidak bisa menjadi pegangan dasar. Tegangan gerak elektrik biasa dinyatakan dalam potensial yang dibangkitkan bila persambungan rujukan berada pada 0°C. Tabel-tabel termokopel standar dibuat atas dasar ini. Data dari pada tabel 4. menunjukkan besaran tegangan terhadap waktu yang dikeluarkan oleh IPTS-68 (Internasional Practical Temperature Scale). Termocouple Material
Type
Extentison Wire, Type Alloys
Color (-)
Overall
-
-
-
White
red
Red
White/
White
Yellow
(+)
Tungsten/tungsten 26% rhenium
-
Tungsten 5% rhenium/tungsten 26% rhenium
-
Tungsten 3% rhenium/tungsten 25% rhenium
-
Platinum/platinum rhodium Platinel II-5355/platinel II - 7674 Chromel/alumel,thopel/nial.Advance,Therm
S,R -
(203/225) SX, SR P2X
Yellow Black Yellow
/red Red Red
/red Green Black
okanthal Chromel/contantan Iron/constantan Copper/constantan
K
KK
Yellow
Red
Yellow
E J T
EX JX TX
Purple White Blue
Red Red Red
Purple Black Blue
200/226 Alloys (405/426) Alloys
Table 2-4 Kabel Perluasan Termokopel
Sumber : Referensi (11) Temp.
0
-200 -100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
-5.891 -3.553 0.000 0.000 4.095 8.137 12.207 16.395 20.640 24.902 29.128 33.277 37.352 41.269 45.108 48.828 52.398
Temperatur oC (IPTS 68) Cold Junction 0oC 10 20 30 40 50 60 ggl (mikroVolt) -6.035 -6.158 -6.262 -6.344 -6.404 -6.441 -3.852 -4.138 -4.410 -4.669 -4.912 -5.141 -0.392 -0.770 -1.156 -1.527 -1.889 -2.243 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 8.537 8.938 9.341 9.745 10.151 10.560 12.623 13.039 13.456 13.874 14.292 14.712 16.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.938 21.066 21.493 21.919 22.346 22.272 23.198 25.327 25.751 26.176 26.599 27.022 27.445 29.547 29.965 30.383 30.799 31.214 31.629 33.686 34.095 34.502 34.909 35.314 35.718 37.724 38.112 38.519 38.915 39.310 39.703 41.657 42.045 42.432 42.817 43.202 43.585 45.486 45.863 46.238 46.612 46.985 47.356 49.192 49.555 49.916 50.276 50.633 50.990 52.747 53.093 53.439 53.782 54.125 54.446
70 -6.458 -5.354 -2.586 2.850 6.939 10.969 15.132 19.363 23.624 27.867 32.042 36.121 40.096 43.968 47.726 51.344 54.807
-200 -100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Table 2-5 Gaya Gerak Listrik Yang Dihasilkan Termokopel Tipe-K (sambungan rujukan pada 0o)
65
Sumber : Referensi (15) Setiap pembelian produk termokopel biasanya tidak dibeli di pasar bebas, tetapi dengan cara memesan kepada pebriknya. Sebagai contoh dapat kita lihat contoh gambar produk termokopel yang dikeluarkan CIAME (Commission Industrie Administration Pour La Mesure).
Termokopel - Pembungkus Fleksibel Kontraktor
: CORECI
Jangkauan temperatur
: 0 s/d 450°C
Bahan
: T,J,K
Standard referensi
: NFC 42 321, 42 322, 42 323
Karakteristik Keseluruhan Diameter kawat
: 0.5 - 1 mm
(kaku atau banyak inti)
Isolasi
: Silicon Fiberglass
Pembungkus luar
: Fiberglass/fiberglass + SS diantaranya
Informasi Tambahan Tipe sambungan elektrik : kabel terminal, soket, kepala bakelit Fiting
: sambungan bayonet, sambungan pemegang
Pilihan dan pemilikan
: kabel kompensasi
66
Gambar 2-6 Contoh Gambar Produk Termokopel Yang Dikeluarkan Pabrik
2.3.1.3. Metode Pengukuran Termokopel Metode pengukuran termokopel ada dua (9), yaitu : Metode Defleksi Pengukuran berdasarkan metoda defleksi ini paling sederhana. Tegangan gerak listrik yang timbul karena adanya perbedaan suhu antara titik ukur T1 dan terminal keluar T2 dari instrumen pengukur, diukur dengan suatu motor kumparan putar.
Gambar 2-7 Rangkaian Metoda Defleksi
Arus yang mengalir pada rangkaian dapat ditulis sebagai berikut :
dimana : E = ggl termokopel Rg = tahanan dalam meter Rx = tahanan kawat dan tahanan dalam termokopel tegangan yang dapat dibaca pada meter :
67
persamaan 2 dapat dirubah menjadi :
Rx akan membawa kesalahan pembacaan pada meter. Untuk mengatasi kesalahan itu. Menurut persamaan , bila Eg dibuat sama dengan E, maka Rx/Rg harus sama dengan nol. Jadi Rx harus nol atau mendekati nol, atau nilai Rx harus jauh lebih kecil daripada Rg. Tetapi dalam prakteknya ini sulit dicapai. Rx dengan kawat penyambung yang cukup panjang susah dikompensasi. Metode defleksi ini masih dipakai dalam proses industri yang meminta ketelitian tidak tinggi.
Metode Potensiometer Pada metode ini tegangan yang akan diukur dibandingkan dengan tegangan yang telah kita ketahui dan dapat diatur. Potensimeter P (gambar 2.8) kita atur sehingga tegangan VAB sama dengan tegangan termokopel yang diukur pada temperatur hot junction (T). Bila kedua tegangan ini sudah sama besar, galvanometer G1 akan menunjukkan nol, besarnya VAB tergantung pada arus I.
Gambar 2-8 Rangkaian Metode Potensiometer
Arus ini dapat diatur dengan tahanan geser R dan dibaca pada Galvanometer G2. 68
Bila arus I dipilih pada nilai tertentu maka posisi lengan potensiometer akan merupakan ukuran mengenai besar kecilnya tegangan yang diukur. Metode ini dapat mengukur dengan teliti, tapi memakan waktu lama. Pembacaan tidak dapat secara langsung, karena hanya dipakai untuk kaliberasi saja. Dengan kemajuan dibidang teknologi semikonduktor, maka persoalan ini menjadi mudah. terutama dengan munculnya DC amplifier berbentuk IC, yang mempunyai drift kecil, input impedansi besar, output impedansi kecil. Maka penggunaan termokopel pada rangkaian elektronika tidak sesulit dahulu. Pengukuran dengan DC amplifier yang berketelitian cukup tinggi dapat dicapai.
2.3.1.4. Termokopel Praktis Alasan kepopuleran termokopel tidak hanya karena jenisnya yang banyak sehingga dapat mencakup hampir seluruh suhu, lingkungan san akurasi, atau fakta bahwa termokopel kacil bentuknya. Alasan lainnya adalah kemudahan pembuatan dan aplikasi, serta keaneka ragaman housing dan package yang dapat memenuhi hampir semua aplikasi yang ada. Untuk pemakian tunggal, termokopel dapat dengan mudah dibuat dari suatu kawat termokopel atau kabel dengan pelapis, bahan pelapis dapat dipilih sesuai dengan kebutuhan pemakian, dan hal yang sama berlaku untuk kabel itu sendiri. Untuk diameter kawat, dapat digunakan ukuran 0,1 mm OD sampai 3mm atau lebih (terutama untuk keperluan industri). Sambungan pengukur terbaik dapat dibuat dengan cara mengelas dua buah kawat menjadi satu. Men-solder atau memilinnya kurang disukai, walaupun dengan menambahkan clamping screw dalam blok penghubung, faktor keamanan yang lebih besar dapat diperoleh. Kunci kesuksesan adalah hubungan elektrik yang baik yang tidak akan mengganggu komposisi kawat termokopel itu sendiri. Selain itu juga harus dipertimbangkan kondisi operasi yang akan dihadapinya. Termokopel logam dasar biasanya dilas secara elektris menggunakan argon, sementara termokopel platinum dapat dilas menggunakan api oksi-hidrogen. Selain itu, 69
kawat termokopel logam dasar biasanya sudah di - annealed sehingga bisa langsung digunakan setelah pengelasan. Hal ini tidak bisa dilakukan terhadap termokopel platinum yang harus di-annealed setelah memasukkan kawat kedalam insulator dan membuat sambungan. Di ujung lain dari kabel, setiap kawat termokopel dapat dihubungkan dengan kawat tembaga untuk membuat sambungan referensi. Pengelasan merupakan pilihan terbaik, tetapi penyolderan dengan perak yang tidak terlalu banyak dalam bentuk pasta ditambah dengan api kecil adalah alternatif yang baik - selama semua fluks korosi sudah dibuang. Sambungan bisa dimasukkan ke dalam closed end tube atau dimasukkan ke dalam campuran air es. Metode konstruksi termokopel ini sangat sederhana, berguna dan cocok untuk percobaan di dalam leboratorium. Akurasi akan bagus karena setiap elemen akan diletakkan dekat dengan lokasi yang akan diukur dan alat ini mendekati ideal secara teoritis.
2.3.1.5. Model Termokopel Model termokopel tadi tidak cocok untuk pemakain dalam industri, dimana termokopel diperlukan dalam jumlah yang bayak, dan pemasangan, pengadaan, perawatan dan penggantian harus dipertimbangkan. Jadi, termokopel permanen yang siap pakai sudah tersedia. Sensor termokopel dapat dibeli sebagai unit yang terpisah dalam berbagai macam tipe dan model. Pada tingkat dasar ada termokopel kawat terbuka dengan sambungan yang dilas seperti diterangkan sebelumnya.
70
Gambar 2-9 Industrial Terrmokopel
Termokopel ini dapat dilapisi sesuai kebutuhan penggunaan, mulai dari PVC sampai keramik. Kadangkala, konduktor termokopel dimasukkan ke dalam suatu probe yang tertutup salah satu ujungnya, atau thermowell yang dibuat dari campuran logam yang tahan panas atau material refraktori (gambar 2.10) Tersedia berbagai macam ukuran dan model untuk berbagai aplikasi. Ukurannya mulai dari sub-miniatur (diameter sekitar 0,25 mm - dengan pelapis), miniatur, sampai standar (sekitar 6 mm) dan lebih (lebih dari 20 mm).
71
Gambar 2-10 Enclosed Thermocouple Probe and Heat
Gambar 2-11 Hand-held Probe and Pipe Probe
Untuk modelnya, ada alat pengukur serbaguna dengan pelapis (general purpose welded sheath), termokopel model baut, termokopel yang dipegang oleh tangan, termokopel permukaan yang dapat dipasang langsung pada pipa dengan berbagai ukuran, termokopel yang dirancang untuk mengetahui suatu titik atau permukaan bergerak, dan 72
sebagainya - dimana semuanya dilindungi oleh bahan insulator dan pelapis (gambar 2.11) dengan atau tanpa grounded sheaths, sistem yang bisa dilepas, dan sebagainya Selain itu, tersedia probe terlindung untuk pengukuran suhu auotclave (yang ditambah flexible stainless steel conduit dan pressure entry glands), termokopel tipe bayonet dan kompresi (untuk plastik dan industri lainnya) dan termokopel dengan pelindung untuk pekerjaan berat dan suhu tinggi (Gambar 2.12) dengan pilihan seperti head-mounting terminal assemblies dan thermowell extension pieces.
Gambar 2-12 Duty Industrial Metal Sheated and High Temperature Ceramic Sheated Thermocouples With Terminal Head Assemblies
Secara umum, pemasok telah berhati-hati dalam memastikan bahwa konduktor telah diproduksi dengan benar, dan dimasukkan ke dalam rumah sensor dalam kondisi terkendali. Sehingga, besar perubahan yang dialami oleh bagian yang terpanaskan pada 73
termokopel selama pemakaian dapat diminimalkan. Hal ini sangat penting, karena unit ini akan selalu berada pada daerah dengan perbedaan suhu yang tinggi, dan akan berpengaruh terhadap tegangan output. Bentuk konstruksi alternatif menggunakan kabel mineral dengan pelapis (MImineral insulated), dimana konduktor termokopel dimasukkan ke dalam bubuk logam yang dipadatkan, dan dilindungi oleh pelapis logam (seperti stainless steel atau campuran nikel) untuk membentuk sambungan yang kedap udara. Bentuk ini tersedia mulai dari ukuran 0,25 mm sampai 10,8 mm, sementara panjangnya mulai dari beberapa milimeter sampai sepuluh meter dan lebih.
Untuk penggunaan tertentu, dimana tanggapan sangat cepat perlu diberikan, sangat menguntungkan bagi termokopel MI untuk diproduksi dengan sambungan yang terbuka. Tetapi jenis ini memerlukan keahlian dari penggunaannya.
Gambar 2-13 Therrmocouple Connecctors
Sensor termokopel sering dilengkapi dengan penghubung ke kotak terminal yang mempermudah sambungan dengan sirkuit lainnya. Sebagai alternatif, dapat dipasang plug khusus, dimana pin penghubung dibuat dari bahan thermoelectric yang sesuai ( Gambar 2.13).
2.3.2. Resistance Thermometer Derector (RTD’s) Resistansi yang ditunjukkan oleh konduktor elektrik terhadap aliran listrik berhubungan dengan suhu, terutama karena efek penyebaran elektron dan getaran atom. Dasar dari teori ini adalah bahwa elektron bebas bergerak melalui logam as a plane waves modified by function hacing the periodicity of crystal lattice. Satu-satunya hambatan yang 74
ada adalah kemurnian dan apa yang disebut dengan lattice defects yang berakibat pada penyebaran, sehingga terdapat variasi pada resistansi. Tetapi, efek ini biasanya tergantung pada suhu, jadi tidak akan menjadi masalah, hanya saja harus disadari keberadaannya. Pada kenyataannya, konsep mengukur suhu menggunakan resistensi lebih mudah dikerjakan dari pada pengukuran suhu dengan termokopel. Pertama, karena pengukurannya absolut, tidak diperlukan adanya sambungan atau sambungan dingin sebagai referensi yang diperlukan. Kedua, cukup kawat tembaga yang digunakan diantara sensor dan peralatan lainnya karena tidak ada kebutuhan khusus dalam hal ini. Proposal tercatat pertama untuk menggunakan ketergantungan suhu terhadap resistensi untuk sensor pertama kali dibuat pada tahun 1860 oleh Sir William Siemens, dan termometer yang didasarkan pada efek ini pernah dibuat sekitar tahun 1870. Tetapi, walaupun dia menggunakan platinum (material yang banyak digunakan dalam RTD saat ini), formula interpolasi yang diturunkan belum mencukupi. Juga, ketidak stabilan merupakan suatu masalah yang bersumber dari metode konstruksi - memasang refraktory di dalam tabung besi, menghasilkan ekspansi diferensial dan regangan platinum serta masalah kontaminasi. Cellendar melanjutkannya pada tahun 1887, tetapi baru pada tahun 1899 masalah ini terpecahkan dan termometer tahanan platinum dapat dibuat. Pada dasarnya, selama hubungan suhu dengan tahanan dapat diprediksikan, halus dan stabil, fenomena ini dapat digunakan untuk mengukur suhu, Tetapi, efek kemurnian terhadap tahanan harus kecil seperti pada beberapa logam murni yang hanya tergantung pada suhu. Selain itu, karena hubungan antara tahanan dengan kemurnian juga harus konstan - sehingga dapat diabaikan. Hal ini berarti komposisi fisik dan kimiawi harus dibuat konstan. Kebutuhan penting dalam pengukuran suhu dengan tahanan yang akurat, elemen sensor harus murni, selain itu, juga harus dan selalu berada pada kondisi annealing melalui perlakuan panas yang sesuai pada bahan agar tidak berubah secara fisik. Juga, bahan elemen sensor ini harus berada pada lingkungan yang terlindung dari kontaminasi - sehingga perubahan kimiawi dapat dihindari. 75
Tetapi, tantangan lain bagi pembuat termometer ini adalah mendukung kabel yang tipis dan murni secara memadai, sementara memberikan regangan minimal akibat ekspansi diferensial antara kabel dengan lingkungannya atau pembentuknya - walaupun sensor mungkin ditempatkan pada pabrik yang beroperasi, dengan karakteristik lingkungan tertentu. Tergantung pada akurasi yang diperlukan, hubungan antara hasil pengukuran termometer tahanan platinum terhadap suhu mengikuti persamaan kuadrat sebagai berikut :
Equation 2-10 (diatas 0°C, jika diperlukan pangkat dua ini sudah mencukupi) atau Equation 2-11 (dibawah 0°Cukup, jika diperlukan akurasi yang lebih tinggi) maka :
Equation 2-12 dimana : Rt = tahanan termometer pad asuhu t Ro = tahanan termometer pada suhu 0° C t = suhu dalam °C
A, B dan C adalah konstanta (koefisien) yang ditentukan melalui kalibrasi. Dalam standar RTD industri IEC 751, A adalah 3,90802 x 10-3, Baik adalah -5,802 x 10-7, dan Cukup adalah 4,2735 x 10-12. Tetapi, karena ketiga persamaan tadi belum sempurna, skala ITS-90 memperkenalkan satu set persamaan deviasi yang dapat digunakan pada jangkauan suhu diatas 0°C. Koefisien α, (R100 - R0) / 100 R0, mendefinisikan kemurnian dan kondisi anneal platinum, dan biasanya koefisien temperatur rata-rata tahanan berada antara 0 sampai 76
100°C (rata-rata kemiringan kurva tahanan vs suhu pada daerah itu). Sementara itu, δ adalah koefisien yang menunjukkan penyimpangan dari linier pada jangkauan yang sama. hal ini tergantung pada ekspansi suhu dan kondisi densitas kurva di dekat energi Fermi. Pada kenyataannya, keduanya tergantung pada kemurnian kabel platinum. Untuk platinum dengan kemurnian tinggi dan kondisi annealing penuh koefisien α berada antara 3,925 x 10-3/°C. Untuk termometer tahanan platinum yang diproduksi secara komersial, tabel standar tahanan suhu telah dibuat berdasarkan nilai R 100 ohms pada 0°C dan interval dasar (R100 - R0) sebesar 38,5 ohms (koefisien α sebesar 3,85 x 10-3/°C) menggunakan platinum murni yang ditutup oleh logam lain. Tabel ini tersedia pada IEC 751:1983, kelas toleransi A dan Baik 60751 : 1996).
2.3.2.1. Bahan RTD Beberapa bahan dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan dasar, yaitu harus memiliki hubungan antara tahanan dengan suhu yang dapat diprediksi, halus dan stabil. Bahan-bahan ini meliputi tembaga, emes, nikel platinum dan perak. dari keseluruhan bahan tadi, tembaga, emas dan perak memiliki nilai resistensi elektrik yang rendah, sehingga kurang cocok untuk pengukuran suhu tahanan, walaupun tembaga menunjukkan hubungan yang hampir linier antara tahanan dengan suhu. Pada kenyataannya, karena hal ini dan harganya yang murah, tembaga digunakan pada beberapa aplikasi, dengan catatan bahwa diatas suhu tertentu akan teroksidasi, dan secara umum tidak stabil atau dapat diulang. Tembaga dapat digunakan pad aplikasi dimana suhu rata-rata berada tahanan dengan suhu. Pada kenyatannya, karena hal ini harganya yang murah, tembaga digunakan pada beberapa aplikasi, dengan catatan bahwa diatas suhu tertentu akan teroksidasi, dan secara umum tidak stabil atau dapat diulang. Tembaga dapat digunakan pada aplikasi dimana suhu rata-rata berada antara -100°C sampai + 180°C. Nikel dan nikel campuran juga relatif mudah harganya, dan memiliki resistensi yang tinggi dan koefisien resistensi dan suhu yang tinggi, membuatnnya menjadi 77
sensitif. Tetapi, memiliki kelemahan korelasinya tidak linier dan sangat sensitif terhadap regangan. Nikel juga menunjukkan infleksi pada sekitar titik Curie (358°C) yang membuat penurunan persamaan resistensi terhadap suhu menjadi kompleks. Penggunaan bahan ini terbatas pada suhu antara -100°C sampai +180°C. Platinum, memiliki beberapa kelebihan yang membuatnya cocok sebagai termometer tahanan. Pertama, sebagai logam mulia, platinum memiliki jangkauan suhu yang lebar dan titik reaktif. Kedua, resistensinya lebih dari 6 kali resistensi tembaga. Ketiga, platinum memiliki hubungan antara resistensi dan suhu yang masuk akal, sederhana dan mudah dimengerti, walaupun tidak sepenuhnya liner. Keempat, platinum dapat diperoleh dalam bentuk yang sangat murni, dan dapat diproduksi menjadi kabel atau lembaran halus, sehingga mempermudah produksi detektor yang bisa diganti. Walaupun platinum tidak murah, hanya sejumlah kecil yang dibutuhkan dalam pembuatan termometer tahanan, sehingga biaya platinum tidak merupakan faktor yang signifikan dalam penentuan biaya keseluruhan. Kelemahannya adalah dapat terkontaminasi oleh beberapa haban, terutama ketika dipanaskan, maka pemilihan bahan pelindung harus dilakukan secara hati-hati. Selain itu, perlakuan panas terhadap bahan sangat penting terhadap vacancy defects yang terjadi pada seluruh suhu kecuali di anneling. Selain bahan-bahan tadi, resistor film molybdenum juga tersedia, yang digunakan pada suhu -50 sampai +200°C. Bahan semikonduktor, seperti termistor yang dibuat dari bermacam logam oksida, juga tersedia yang dengan metode produksi dan proses linearisasi yang lebih baik, dapat mencakup jangkuan suhu yang lebih luas. Tetapi, belum ada standarisasi terhadap bahan-bahan ini. Ada pula RTD germanium yang digunakan dibawah 100kurang, dan terutama dibawah 10kurang dimana resistensi platinum terlalu kecil dalam penggunaan praktis. Tetapi, hubungan resistansi dengan suhu kurang sesuai dan begitu pula kalibrasinya. RTD gelas-karbon menunjukkan koefisien suhu yang negatif dan sensitifitas yang tinggi pada suhu yang sangat rendah. Selain itu, ada pula campuran rhodium-besi untuk suhu 78
dibawah 0,5K.
2.3.2.2. Efek Pemanasan Sendiri RTD Untuk mengukur besar tahanan termometer tahanan platinum, arus listrik harus dialirkan melalui sensor, Tetapi, ironisnya, aliran arus listrik mengakibatkan efek pemanasan dan suhu elemen termometer naik sedikit diatas equilibrium lingkungan yang akan diukurnya. Hal ini disebut pemanasan sendiri. Efek pemanasan sendiri menjadi lebih signifikan apabila, sebagai contoh, gas yang mengalir lambat yang sedang diukur, hal yang berlawanan berlaku pada larutan yang mengalir secapat yang. Untuk menunjukkan efek ini, RTD dimasukkan ke dalam air pada titik es, efek 1mA pada resistor standar 100 ohms akan sekitar 20mK. Dalam udara diam, hasilnya sekitar 50mK; sedangkan aliran sampai 3mA menghasilkan kesalahan 0,5K. Panas yang dibangkitkan dalam RTD besarnya proporsional dengan tahanan sensor dan pangkat dua dari arus yang diberikan. Peningkatan suhu tidak tergantung pada besarnya panas yang dibagkitkan, tetapi juga pada besar dan konstruksi sensor termasuk kondisi kontak antara suhu dan lingkungan sekitar medium. Maka, dengan membuat kontak suhu antara kabel sensor dan lingkungan sekitarnya, efek ini akan dapat diminimalkan. Selain itu, arus yang diberikan harus diminimalkan tetapi tetap memberikan sensitifitas yang cukup. Kadang-kadang dimungkinkan untuk menghitung kesalahan penentuan suhu yang timbul akibat efek pemanasan sendiri ini. Pada dasarnya, resistansi RTD diukur pada temperatur yang konstan dengan dua aliran listrik; nilai tahanan kemudian dibandingkan dengan pangkat dua dari besar arus, kemudian garis diekstrapolasi untuk menunjukkan besarnya tahanan pada arus nol.
2.3.2.3. IEC 751 : Standar dan Toleransi RTD Sesuai dengan standar IEC 751 : 1983 (BAIK SEKALI EN 60751 : 1996), RTD terdiri dari resistor sensor denga lapisan pelindung (jika memungkinkan), kabel 79
penghubung dalam dan terminal luar untuk sambungan ke luar. Mounting equipment dan connection heads juga dapat disertakan. IEC 751 terutama diaplikasikan pada peralatan industri, terutama yang memiliki pelapis, dengan jangkuan temperatur -200°Cukup sampai 850°Cukup, dan memberikan dua kelas toleransi, A dan Baik, yang memdefinisikan deviasi maksimal dalam derajat Celcius dari angka-angka pada tabel hubungan suhu. Kelas A RTD menunjukkan deviasi ± 0,06 ohms (± 0,15°C) pada 0°C, sementara sensor kelas Baik menunjukkan deviasi ± 0,12 ohms (± 0,3°C) pada 0°C. Termometer standar yang dibuat dari platinum memiliki koefisien α sebesar 3,85 x 10-3/°C, dan memiliki hambatan nominal sebesar 100 ohms atau 10 ohms pada 0°C. Sensor kelas B memiliki kabel yang lebih berat, dan ditujukan pada penggunaan diatas 600°C. Denga peralatan 100°C, kelas A hanya dapat digunakan samapai 650°C; selain itu kelas A juga tidak dapat digunakan pada peralatan yang memiliki dua kabel. Standar juga mencakup beberapa faktor lainnya - tetapi bukan pada konstruksi. Sebagai contoh, RTD harus cocok digunakan pada sistem pengukuran dengan menggunakan arus DC dan AC (sampai 500 Hz). Jadi, dalam perancangannya perlu ada pembatas induksi dan kompling. Faktor lainnya adalah resistensi pelapis, Waktu respon, efek pemanasan sendiri, kesalahan immersi, efek termo-elektrik, pengujian terhadap batas suhu dan siklus temperatur, getaran mekanis dan efek tekanan. IEC 752 juga mengatakan bahwa pembuat juga perlu menyatakan karakteristik elektris, seperti kapasitansi termometer, kapasitansi ke bumi, dan induktansi, termasuk hambatan terhadap kabel penghubung dalam. Juga, kedalaman kalibrasi immersi, kedalaman kabel minimal. Waktu respon terhadap suhu dan efek pemanasan sendiri juga perlu dinyatakan.
2.3.2.4. IEC 751 : Kode Warna Karena penghubung dalam dan terminal tidak dispesifikasikan, standar juga mengatur identifikasi, meminta penentuan kelas, konfigurasi kabel penghubung (warna atau tanda) dan jangkauan suhu. Devices dengan dua atau tiga kabel biasanya merah dan putih (dua merah untuk tiga kabel), sementara devices dengan empat kabel memiliki 80
dua biru, ditambah satu merah dan satu putih (sebagai bridge measuring sistem) atau dua merah dan dua putih (untuk potensiometer)
---000---
81
BAB 3 PENGUKURAN KECEPATAN ALIRAN 3.1. Dasar Teori Flowmeter 3.1.1. Bagian-bagian Fisik Flowmeter Flowmeter adalah alat untuk mengukur jumlah atau laju aliran dari suatu fluida yang mengalir dalam pipa atau sambungan terbuka. alat ini terdiri dari primary device, yang disebut sebagai alat utama dan secondary device (alat bantu sekunder) Flowmeter umumnya terdiri dari dua bagian, yaitu alat utama dan alat bantu sekunder. Alat utama menghasilkan suatu signal yang merespons terhadap aliran karena laju aliran tersebut telah terganggu. Alat utamanya merupakan sebuah orifis yang mengganggu laju aliran, yaitu menyebabkan terjadinya penurunan tekanan. Alat bantu sekunder menerima sinyal dari alat utama lalu menampilkan, merekam, dan/atau mentrasmisikannya sebagai hasil pengukuran dari laju aliran.
3.1.2. Unjuk Kerja Flowmeter Salah satu istilah yang tersulit untuk didefinisikan adalah istilah terpenting untuk menjelaskan atau menyatakan unjuk kerja dari flowmeter, yaitu tingkat akurasi. Definisi kualitatif dari akurasi adalah ukuran terbatas dari kesalahan; tingkat kesesuaian dari nilai yang diindikasikan dengan nilai sebenarnya dari ukuran. Jadi akurasi berhubungan dengan tingkat kedekatan dengan kebenaran. Pernyataan akurasi dapat dinyatakan dalam ketidakpastian atau uncertainty dan tingkat kepercayaan atau confidence level. Suatu interval dimana didalamnya terdapat nilai sesungguhnya sebagai hasil ukuran yang diperkiranakan terdapat didalamnya 82
dengan probabilitas yang sudah ditentukan dinamakan ketidakpastian atau uncertainty. Tingkat kepercayaan yang berhubungan dengan ketidakpastian ini mengindikasikan probabilitas bahwa interval yang dinyatakan akan mengandung nilai sesungguhnya dari hasil ukuran. Oleh karena itu pernyataan akurasi untuk sebuah flowmeter dapat dinyatakan seperti ± 1% untuk tingkat ketidakpastian laju aliran aktual pada tingkat kepercayaan 95%, artinya perusahaan pembuatnya yakin bahwa alat yang dijualnya paling sedikit menunjukkan ± 1% dari nilai sesungguhnya pada 95% dari waktu. Saat ini nilai tingkat kepercayaan dihitung dengan menggunakan metode statistik yang biasanya tidak diberikan pada spesifikasi tingkat akurasi dan tingkat akurasi hanya dihubungkan dengan interval ketidakpastian. Secara mendasar, interval ketidakpastian terdiri dari systematic error dan random error. Systematic error adalah kesalahan yang tak dapat dikurangi dengan cara menambah nilai pengukuran jika kondisi dari alat tidak dirubah. Random error adalah kesalahan yang tak dapat dikurangi dengan cara menambah nilai pengukuran jika kondisi dari alat tidak dirubah. Random error yang sering disebut juga sebagai tingkat presisi atau tingkat pengulangan disebabkan oleh pengaruh-pengaruh yang banyak, yang mencegah sistem pengukuran untuk menghasilkan nilai pengukuran yang sama jika diberi input yang sama dari sesuatu yang diukur. Dengan kata lain terjadi deviasi dari nilai data-data terhadap nilai rata-rata sesuai dengan hukum perubahan. Spurious error atau kesalahan yang disebabkan oleh adanya kesalahan fungsional dari alat ukur maupun kesalahan manusia. Kesalahan-kesalahan ini harus diketahui oleh perusahaan pembuatnya. Biasanya kesalahan-kesalahan ini tidak tertera pada pernyataan tingkat akurasi dari flowmeter, oleh karena itu systematic error dan random error membentuk dasar dari spesifikasi tingkat akurasi. Namun tingkat kepercayaan harus dilampirkan atau tertera pada spesifikasi akurasi untuk memperjelas karena ketidakpastian dan tingkat kepercayaan terkait bersama secara statistis. 83
Misalnya tingkat kepastian yang rendah dapat menunjukkan tingkat akurasi yang tinggi jika diperhitungkan secara statistis pada tingkat kepercayaan yang sangat rendah. Cara lain yang digunakan untuk menyatakan unjuk kerja dari sebuah flowmeter yang memiliki karakteristik output dan berupa garis linier adalah linearity. Unjuk kerja dari flowmeter ini biasanya dinyatakan sebagai linearity, yaitu % deviasi maksimum dari data kalibrasi pada garis lurus.
3.1.3. Metoda Kalibrasi Flowmeter Kalibrasi dari suatu flowmeter adalah penentuan hubungan eksperimental antara yang diukur dengan hasil output dari alat yang dipakai untuk mengukur dimana yang diukur itu didapat dengan menggunakan suatu standar pengukuran, yaitu : •
Metoda Pengukuran Berat (statis/dinamis)
•
Metoda Volumetrik (volume tank/prover)
Metoda pengukur berat merupakan metoda standar dari suatu pengukuran yang hanya cocok benda cair dimana alirannya secara tersendat-sendat (beban statis) dan secara kontinyu (beban dinamis) di tasa alat pengukur berat. Laju dari aliran didapat dengan mengukur massa benda cair yang diakumulasikan dalam suatu interval waktu. Metoda Volumetrik merupakan metoda standar dari engukuran di mana aliran di alirkan menuju atau keluar dari tank volumetri yang telah dikalibrasi selama periode waktu tertentu. Tank volumetrik merupakan sebuah tank yang takkan berubah kapasitas bentuknya karena telah ditentukan dengan metoda utama dari kalibrasi. Proving merupakan istilah yang digunakan untuk mendefinisikan penentuan unjuk kerja alat ukur dengan menetapkan hubungan antara volume aktual yang melewati alat ukur dengan volume yang terbaca oleh alat ukur.
3.2. Klasifikasi Flowmeter Berdasarkan Pendekatan Energi Saat in banyak jenis flowmeter di pasar komersial. Didesain untuk brbagai kondisi dan menerapkan beberapa metode ukur. Pada tulisan ini akan dibahas jenis pengukur aliran yang dibagi berdasarkan prinsip fisika pada pengoperasiannya. 84
Secara sederhana, semua flowmeter dibagi menjadi dua kategori atau pendekatan terhadap pengukuran aliran, yaitu kategori energi yang dihasilkan (the Extractive energy approach). Energi dapat berubah dari potensial ke kinetik dan kembali ke potensial. Dalam aliran, fluida yang mengalir mempunyai energi kinetik dan potensial. Semakin cepat fluida itu mengalir, semakin banyak energi yang berubah dari potensial ke kinetik. Pada masa perubahan, sebagian di pakai untuk bekerja melawan gesekan, sehingga tidak dapat digunakan untuk tujuan berguna. Energi tersebut tidak hilang, tapi diubah menjadi panas, bentuk lain dari energi. Karena fluida mengalir dalam pipa mempunyai energi, baik potensial maupun kinetik, salah satu pendekatan untyuk menghitung tingkat alirannya mungkin dapat memakai energi ekstraktif. Pendekatan ini menyangkut penempatan alat dalam aliran fluida yang kerjanya dapat dibagi dua, pertama penempatan alat dalam aliran fluida yang kerjanya dapat dibagi dua, pertama merubah sebagian energi potensial menjadi kinetik, sehingga sebagian energi hilang dalam bentuk tekanan. Kedua, mengeluarkan sebagian dari energi kinetik dalam bentuk yang dilakukan oleh fluida pada sebuah obyek yang diletakkan dalam aliran tersebut, seperti rotor/turbin. Pendekatan dasar yang kedua disebut penambahan energi. Pada pendekatan ini sebagian energi dengan sumber external dikenakan pada aliran fluida, kemudian efek pada energi yang dimaksudkan maupun efek pada fluida dimonitor. Biasanya pendekatan yang kedua menyebabkan hambatan yang kecil pada aliran fluida merupakan keuntungan dasar pada pendekatan ini.
3.2.1. Pendekatan Energi Ekstraktif Jenis tertua dari flowmeter menggunakan pendekatan ini adalah kelas flowmeter penghasil diffrensial tekanan. Banyak jenis flowmeter pada kelas ini, dengan bagian yang paling konvensional : orifis, nozzle, dan venturi. Jenis kelas flowmeter lain yang menggunakan pendekatan energi keluar pada pengukuran aliran adalah kelas penghasil pulsa (Pulse Class). Kelas ini terbagi menjadi 85
tiga jenis dasar flowmeter yaitu: •
Tipe positive displacement
•
Tipe arus (Current), dan
•
Tipe fluida dinamik (Fluid Dynamic).
Dalam tulisan ini yang akan dibahas adalah tipe arus (current), hal ini sesuai dengan peralatan yang digunakan. Bentuk awal dari flow meter jenis arus ditulis oleh Benyamin Gottlob Hoffman di Hamburg sekitar 1790, dijelaskan pengukuran untuk mengukur aliran udara dan air diciptakan oleh Reinhard Woltman. Umumnya desain alat tersebut mempunyai propeler yang diputar oleh arus air. Pengukur propeler yang digunakan kini mempunyai kesamaan dengan pengukur Woltman dan pengukur Turbin. Pada dasarnya adalah pengukur propeler yang disempurnakan yang digunakan untuk lingkungan tertutup.
3.2.2. Flowmeter Penghasil Diferensial Tekanan Teknik pengukuran aliran yang menggunakan perbedaan tekanan (tekanan diffrensial) yang ditimbulkan oleh alat utama adalah cukup fleksibel dan cocok untuk berbagi kondisi instalasi. Faktor faktor yang diperlukan untuk menentukan alat utama mana yang digunakan adalah hampir-hampir tidak mungkin ditentukan. Pada awal abad ke-17 telah ditemukan bahwa volume dari laju aliran sebanding dengan kecepatan dikali luas, dan laju aliran di dalam orifis berubah-ubah tergantung pada akar dari tinggi jatuh, perbedaan tekanan. Pada tahun 1738, John Bernouli menyusun persamaan dasar dari aliran pada flowmeter tipe tinggi jatuh dan di tahun 1797 Giovanni Battista Venturi menerbitkan hasil kerjanya tentang pipa venturi. Dengan menggunakan dasar prinsip kerja venturi, Clemens Herschel mengembangkan pipa venturi secara komersial di tahun 1887, yang terbukti sebagai cara yang praktis dan ekonomis untuk mengukur volume yang besar dari fluida yang bergerak dalam perkembagan selanjutnya untuk mengukur volume gas natural dalam jumlah besar diawal tahun 1900-an ditemukan alat pengukur yang bernama pelat orifis yang ujung86
ujungnya tajam dan berbentuk segi empat. Orifis ini bukan hanya terbukti memuaskan untuk pengukuran laju aliran gas, tapi juga lebih baik untuk aplikasi komersial lainnya. Hubungan konstunuitas untuk situasi ini adalah Equation 3-1
dengan U
= kecepatan, m/s
A
= Luas penampang, m2
ρ
= Densitas fluida, kg/m3
Jenis venturi mempunyai keunggulan dalam ketelitiannya yang tinggi dan penurunan tekanannya yang kecil, tetapi dari segi biaya orifis lebih murah. Orifis mempunyai penurunan tekanan permanen yang relatif tinggi.
Pelat Orifis (Orifis Plate) Orifice-meter adalah suatu head meter yang digunakan untuk mengukur beda tekanan aliran sebelum dan sesudah melewati orifis. Yang menjadi prinsip pengukuran aliran fluida dengan menggunakan orifice-meter adalah memberikan suatu gangguan pada aliran tersebut, sehingga keceptan alirannya akan dikonversi kedalam bentuk tekanan yang besarnya dapat dilihat pada manometer. Gangguan yang diberikan pada aliran ini adalah berupa suatu pelat yang disebut juga pelat orifis, sehingga alatnya disebut dengan orifice-meter. Semakin besar penampang pipa/saluran, semakin kecil kecepatannya untuk mendapatkan jumlah aliran yang sama, begitu juga sebaliknya. Maka aliran fluida ketika melewati orifis akan mengalami perubahan kecepatan atau kecepatannya bertambah atau penambahan energi kinetis. Tetapi hukum kekekalan energi maupun hukum Bernoulli menyatakan bahwa energi total harus sama. Dengan adanya penambahan kecepatan di pelat orifis maka akan terjadi kehilangan /penurunan tekanan. Tekanan ini dapat diukur dengan manometer yang dipasang pada bagian tertentu dari orifis. 87
Setelah fluida melewati pelat orifis, secara teoritis kita akan dapat menentukan kecepatannya seperti semula (sama dengan kecepatan sebelum melewati pelat orifis), namun pada kenyataannya kita akan menemukan kehilangan energi tetap (Pressure Permanent Losses). Jenis Pelat orifis ini banyak digunakan untuk mengukur suatu aliran fluida karena mempunyai kelebihan-kelebihan diantaranya : - Sederhana kontruksinya - Mudah pembuatannya - Harga murah - Mudah dikalibrasi - Mudah didapat/dibuat - Ketelitiannya cukup baik Dari segi bentuk / letak penempatan pelat orifis didalam pipa, dapat dibedakan atas empat jenis : a. Konsentrik Sumbu orifis sepusat sumbu pipa. Tipe yang paling sering dipakai untuk mengukur aliran mantap dari fluida homogen, fluida cair, atau gas dalam lingkungan turbulen b. Eksentrik Sumbu orifis tidak sepusat sumbu pipa. Memiliki lubang yang bersinggungan dengan dinding sebelah dalam pipa dan lubang ini dapat dibuat dibagian bawah pipa supaya zat-zat padat non abrasif dapat mengalir dengan mudah (biasanya tidak lebih dari 5%) atau dibagian atas pipa supaya sejumlah kecil gas dalam aliran zat cair dapat mengalir keluar c. Segmental Mempunyai sumbu yang sepusat dengan sumbu pipa, tetapi lubang orifis hanya dapat dibuat setengah lingkaran.Digunakan untuk gas-gas kotor, tapi penggunaanya tidak dapat diterima sebaik pelat eksentrik karena datanya lebih tersebar 88
d. Quadrant-edge Memiliki saluran masuk yang konsentrik, namun ujung dari daerah aliran atas agak bulat dan tidak tajam seperti pada pelat konsentrik. tipe pelat ini menghasilkan koefisien discharge yang tetap konstan pada daerah bilangan Reynolds yang rendah yang biasanya terdapat pada aliran zat cair yang kental (viskositasnya tinggi) Dari pengalaman pemakaian orifis, ternyata pelat orifis akan mengumpulkan kotoran-kotoran yang lama kelamaan akan memadat pada bagian up-streamnya. Apabila hal ini dibiarkan maka ketelitian pengukuran akan berkurang, misalnya untuk aliran yang rendah maka bagian tengah akan mengalir dengan sedikit penyimpangan sehingga perhitungan akan lebih besar dari pada hasil pengukuran. Dan jika aliran tinggi maka akan terjadi pusaran-pusaran yang menyulitkan pengukuran. Untuk mengatasi hal ini maka permukaan pelat orifis yang dilewati fluida dipoles sehalus mungkin dan dibuat tajam, sehingga seolah-olah seperti pisau bulat yang akan memotong aliran fluida yang melewatinya. Secara umum, pelat orifis mewarisi keuntungan seperti mudah dan tidak mahal pemasangannya, tapi pemasangan awalnya lebih mahal karena diperlukan adanya pinggiran pelat orifis yang terdiri dari keran tekanan. Keuntungan lain dibandingkan dengan flowmeter lainnya adalah alat primer/utama dari pelat orifis tidak memiliki bagian yang bergerak dan sensor dari tekanan diffrensial / berbedaan tekanan dapat dipindahkan jika terdapat kesalahan tanpa menghentikan proses yang sedang berlangsung.
Perancangan Instalasi Pengujian Pelat Orifis Untuk orifis-meter, besarnya koefisien pengeluaran tergantung pada perbandingan diameter lubang dengan diameter pipa (β), bilangan, Reynolds dan lokasi lobang pengukur tekanan. Untuk orifis-meter, fluidanya dialirkan pada arah horizontal/mendatar terhadap pelat orifis atau dengan kata lain saluran/pipa fluida kerja terletak pada posisi horizontal. Karena salah satu faktor penentu koefisien pengeluaran adalah perbandingan 89
diameter, maka pemilihan besarnya diameter saluran/pipa dan diameter lubang orifis harus diperhatikan. Pada umumnya besar perbandingan diameter bervariasi antara 0,2 s/d 0,8 (refrensi 2) Pada instalasi pengujian ini dipergunakan pipa acrylic, yang mempunyai tujuan agar aliran fluida dapat jelas diamati dan pelat orifis terbuat dari stainles-steel. Sebagai alat penyambung pipa atau untuk penempatan pelat orifis dipergunakan flens yang terbuat dari acrylic. Besar tekanan yang akan diukur adalah tekanan statik, oleh karena itu pengukuran harus dilakukan dalam arah tegak lurus aliran.
Pipa Venturi (Venturi Tube) Salah satu jenis alat ukur aliran-aliran fluida adalah Venturimeter. Alat ukur venturimeter in ibekerja berdasarkan pengukuran beda tekanan lewat suatu penyempitan penampang, yang dapat diukur dan dicari hubungannya dengan kecepatan aliran fluida. sehingga dengan mengetahui perbedaan tekanan maka dapat diketahui pula jumlah aliran yang melewati venturimeter tersebut. Biasanya venturimeter ini digunakan untuk mengukur laju aliran di dalam pipa, yang maksudnya antara lain adalah untuk menentukan jumlah fluida yang masuk dan keluar dari suatu proses, menentukan jumlah fluida yang mengalir persatuan waktu. Sedangkan macam-macam konstruksi venturi meter, ada yang sudah dibakukan oleh ASME (American Society of Mechanical Engineering), yang karakteristiknya sesuai dengan kontruksi venturimeter yang telah disarankan tersebut. Dalam proses alirannya, fluida yang mengalir melewati venturimeter ini mengalami perubahan karakteristik aliran, seperti misalnya perubahan kecepatan aliran maupun tekanannya. Jenis venturimeter ini banyak dipergunakan untuk mengukur suatu aliran fluida karena mempunyai banyak keuntungan-keuntungan, selain ada pula kerugiannya. Adapun Keuntungan-keuntungannya ialah : 1. Bila kalibrasi dan pemasangannya tepat, jenis venturimeter ini mempunyai 90
ketelitian yang paling tinggi diantara semua alat pengukur aliran fluida yang berdasarkan beda tekanan (orifis dan Nosel aliran). 2. Mempunyai penurunan tekanan yang lebih kecil pada kapasitas yang sama. 3. Dapat pengukur debit aliran yang besar 4. Jauh dari kemungkinan tersumbat kotoran. sedangkan Kerugiannya adalah, 1. Dari segi biaya, venturimeter lebih mahal harganya 2. Sulit dalam pemasangan karena panjang Pada sadarnya terdapat 2 tipe pipa venturi yang digunakan saat ini , yaitu : 1. Tipe klasik/pipa venturi Herschel 2. Venturi nozzle Keuntungan dari venturi jika dibandingkan dengan pelat orifis adalah pada kapasitasnya untuk mengendalikan aliran yang lebih besar dengan menerapkan hilangnya tekanan permanen yang lebih kecil pada sistem. Misalnya : untuk ratio β yang sama, kapasitas aliran sebuah venturi lebih besar 60% daripada orifice dan besarnya tekanan yang hilang hanya 10 - 20% dari tekanan diffrensial yang terukur. Pipa venturi digunakan untuk mengukur laju aliran di dalam pipa. Alat ukur ini pada umumnya berupa benda tuangan yang terdiri dari : •
bagian hulu, yang berukuran sama dengan pipa dan mempunyai cincin piezzometer untuk mengukur tekanan statik
•
daerah kerucut konvergen
•
leher yang berbentuk silinder yang berukuran sama dengan pipa.
Sebuah manometer diffrensial dipasang pada kedua cincin pizometer. ukuran venturi dispesifikasikan dengan garis tengah pipa dan leher, misalnya venturi 6 kali 4 inch cocok dengan pipa yang bergaris tengah 6 inch dan mempunyai leher yang bergaris tengah 4 inch. Agar hasilnya tepat maka venturi hendaknya didahului dengan sekurangkurangnya 10 garis tengah pipa lurus. Dalam cairan dari pipa ke leher, kecepatan sangat 91
menigkat dan sesuai dengan hal itu maka tekanan sangat berkurang. Akan dibuktikan bahwa banyaknya debit dalam hal aliran tak mampu mampat (incompresible flow) merupakan fungsi penunjukkan manometer. Tekanan di penampang hulu dan leher adalah tekanan nyata, dan kecepatankecepatan dari persamaan Bernoulli adalah kecepatan teoritis. Bila dalam persamaan energi kerugian diperhitungkan, maka kecepatan-kecepatan merupakan kecepatan nyata. Dengan persamaan Bernoulli diperoleh kecepatan teoritik dileher. Pengalian kecepatan ini dengan koefisien kecepatan CV1 di dapat kecepatan nyata.
3.2.3. Flowmeter Penghasil Pulsa : Turbin Flowmeter Suatu jenis peralatan pengukur aliran yang populer adalah meter turbin (turbin flowmeter) yang terlihat pada gambar 7. Fluida mengalir melalui meter tersebut menyebabkan roda turbin kecil berputar. Dalam badan roda turbin terdapat magnet permanen yang berputar brsama roda. Sebuah pemungut reluktans (reluctance pickup) yang terpasang pada bagian atas meter mendekati pula pada setiap putaran roda turbin. Oleh karena aliran volumetrik sebanding dengan jumlah putaran roda, maka keluaran pulsa total akan memberikan petunjuk tentang aliran total. Laju pulsa sebanding dengan laju aliran, dan respons transien meter itu sangat baik. Koefisien aliran K untuk terbin flowmeter didefinisikan : Q = f/k dimana f ialah frekuensi pulsa. Koefisien aliran bergantung pada laju aliran dan viskositas kinematik fluida ν. Flowmeter tipe arus yang digunakan dalam pemipaan mempunyai nama spesifik flowmeter turbin. Kebanyakan flowmeter turbin disambungkan ke pipa melalui fitting atau end flange. Sebuah rotor yang berbentuk seperti turbin dipasang seporos di dalam rumah dan sinyal aliran arus direkam oleh alat penghitung putaran diubah menjadi pulsa yang memonitor bilah-bilah turbin.
3.2.4. Flowmeter dengan Efek Seret : Rotameter Peralatan pengukur aliran dengan efek seret yang sering dipakai adalah Rotameter. Pada rotameter tekanannya tetap dengan aliran fluida yang berbeda-beda. Aliran masuk 92
melalui bagian bawah tabung vertikal tirus dan menyebabkan float bergerak ke atas. Float itu akan naik di dalam tabung sampai pada titik dimana gaya seret (drag force) seimbang dengan bobot dan gaya apung (buoyancy). Posisi float di dalam tabung lalu diambil sebagai penunjuk laju aliran. Posisi dari float dalam rotameter harus diperhatikan dalam pengukuran aliran fluida. Posisi float ditentukan oleh kesetimbangannya, yaitu adanya : 1. Berat fluida float 2. Gaya fluida terhadap float 3. Gaya tarik float
3.2.5. Flowmeter Anjakan Positif : Rotating Disk Flowmeter Flowmeter ini biasanya digunakan pada penerapan yang memerlukan ketelitian tinggi padakondisi aliran stedi (tunak). Flowmeter yang menggunakan prinsip seperti ini ialah meter air yang digunakan oleh PAM pada rumah tangga. Flowmeter ini bekerja dengan menggunakan siatem yang disebut dengan prinsip piring angguk (nutating-disk). Air masuk pada bagian kiri meter dan menekan piring yang terpasang secara eksentrik. Agar zat cair dapat mengalir melalui meter itu, piring tersebut harus mengangguk-angguk diseputar sumbu vertikal karena bagian atas dan bawah piring selalu kontak dengan ruang tempat piring itu terpasang. Ruang masuk dan keluar piring itu terpisah oleh suatu dinding sekat. Volume zat cair yang mengalir melalui meter in terlihat dari jumlah anggukan piring. Penunjukan aliran volumetrik diberikan melalui suatu susunan roda gigi dan pencatat yang dihubungkan dengan piring angguk. Meteran piring angguk in dapat digunakan untuk pengukuran aliran dengan ketelitian 1 persen.
3.3. Transduser Aliran Merupakan aplikasi transduser dalam sistem flowmeter. Aliran merupakan gerakan dari fluida. Laju aliran adalah laju waktu dari gerakan yang dinyatakan sebagai volume fluida per satuan waktu (volumetric flow rate) atau sebagai massa fluida per 93
satuan waktu (mass flow rate). Transduser yang digunakan untuk pengukuran aliran (flowmeter) pada umumnya mengukur laju aliran. Flowmeter pada umumnya mengukur laju aliran volumetrik, yang dapat diubah menjadi laju aliran massa dengan mengukur kerapatan secara simultan dan menghitung laju aliran massa dari kedua pengukuran. Beberapa flowmeter mengukur laju aliran massa secara langsung. Elemen-elemen sensor aliran dapat dikategorikan sebagai berikut:
3.3.1. Elemen-elemen Sensor Aliran Tekanan Diferensial Bagian-Bagian Fisik Flowmeter Flowmeter adalah alat untuk mengukur jumlah atau laju aliran dari suatu fluida yang mengalir dalam pipa atau sambungan terbuka. alat ini terdiri dari primary device, yang disebut sebagai alat utama dan secondary device (alat bantu sekunder) Flowmeter umumnya terdiri dari dua bagian, yaitu alat utama dan alat bantu sekunder. Alat utama menghasilkan suatu signal yang merespons terhadap aliran karena laju aliran tersebut telah terganggu. Alat utamanya merupakan sebuah orifis yang mengganggu laju aliran, yaitu menyebabkan terjadinya penurunan tekanan. Alat bantu sekunder menerima sinyal dari alat utama lalu menampilkan, merekam, dan/atau mentrasmisikannya sebagai hasil pengukuran dari laju aliran.
3.3.2. Elemen-elemen Sensor Aliran Mekanik Elemen-Elemen Sensor Aliran Tekanan Diferensial Bagian-bagian dari pipa yang dilengkapi dengan hambatan atau lekukan menghasilkan perbedaan tekanan ∆P yang proporsional terhadap laju aliran melalui dua titik pada alat (gambar 3.1). Output dari transduser tekanan diferensial yang sambungan inputnya dihubungkan pada kedua titik tersebut mewakili laju aliran melalui elemen sensor. Terdapat hubungan antara ∆P dan laju aliran yang telah diketahui untuk setiap tipe elemen.
94
Gambar 3-1 Pengukuran Aliran Dengan Elemen Sensor Tekanan Diferensial: (a) Orifis, (b) Venturi, (c) Pitot, (d) Persimpangan Sentrifugal (siku), (e) Persimpangan Sentrifugal (loop), (f) Nosel, (g) Pengukuran Tingkat Aliran.
95
3.3.3. Sensor Aliran Oleh Karakteristik Fluida Elemen-Elemen Sensor Aliran Mekanik Elemen-elemen yang bergerak dengan bebas (contohnya turbin atau propeler) atau elemen-elemen yang dikendalikan secara mekanik (contohnya sebuah pelampung dalam tabung yang meruncing vertikal, sebuah penyumbat yang dikendalikan oleh pegas, sebuah baling-baling yang digantung atau disangga) yang anjakan (displacement), defleksi, atau kecepatan sudutnya proporsional terhadap laju aliran.
3.4. Liquid Flowdual Alat serbaguna ini mudah di-instal memberikan output berupa pulsa (getaran/ denyut), frekuensinya proporsional dengan laju aliran yang melalui alat. Laju aliran yang lebih rendah dicapai dengan menempatkan pembatas jet (restriction jet) pada bagian depan (pintu masuk) dari sensor. Sensor terkonstruksi dari PVDF dan menggunakan saphire untuk turbin spindle dan bagian bantalan mempertinggi akurasi dan memperbaiki reliability jangka panjang. Ini cocok untuk bermacam-macam liquid termasuk air dan bahan bakar dan mempunyai diameter pipa 8 mm dan 12 mm. Sangat ideal untuk digunakan dalam sistem flow alarm, agricultural spraying, closing equipment, automotive dan aplikasi korosif, dll.
Gambar 3-2 Contoh Liquidflowdual
Spesifikasi Teknis Flow rate F.S. frequency Frequency at 12 L/hr Viscosity range F.S. pressure drop Opreating pressure (max)
Standard High flow
3-90 L/hr 12-540 L/hr 175 Hz 200 Hz 23 Hz 4 Hz 0.8-20 cSt. 0.8-50 cSt. 1 bar at 1 cSt. 10 bar
96
Temperature range -25oC to +125oC Repeatability ±0.25% Linearity 1%FSD Sensor to sensor variation ±3% Supply voltage 4.5 to 24 V d.c. Current consumption 10 Ma typical Output Open collector (10 KΩ internal pull up) Output low 100 mV max. Rise and fall times 2 µS max. Wetted materials PVDF, Sapphire dan Viton ceramic magnet
Bila digunakan untuk aplikasi otomotif, pembentukan uap sebaiknya diminimalkan dengan memasang sensor ke fuel pump dan karburator, tapi sebelum ada pressure regulator. Alat penghubung elektriknya adalah sepanjang 2 m (kira-kira) untuk oil resistant, screened PVC cable. Penjelasan istilah spesifikasi diatas adalah sebagai berikut, •
Repeatibility, seperti halnya presisi yaitu sifat metrologi yang menyatakan kapasitas dari flow meter ubtuk menghasilkan pembacaan yang serupa satu sama lain untuk nilai yang sama.
•
Linearity, adalah karakteristik instrumen yang dinyatakan secara linear. Grafik linear (pembacaan flowmeter vs flowrate)
•
Raise of fall times, adalah respon terhadap perubahan.
•
Piezoelektrik, adalah efek yang muncul apabila suatu material terdeformasi mekanis sehingga mengalami polarisasi elektris. Ada beberapa msterial piezoelektrik dengan perbedaan-perbedaan tingkat kekerasan mekanis. Tegangan max. yang dapat diterima, perubahan non linear, dll.
Material tersebut dapat dibagi menjadi 3 kategori, yaitu : •
Monocrystal dengan piezoelektrisitas alami seperti quartz
•
Material keramik an-isotropis, seperti PZT yang piezoelektrisnya kuat setelah pengkutuban elektrik.
•
Lempengan
logam
polymer,
khususnya
piezoelektrisitasnya melalui pengkutuban khusus. 97
PVDF
yang
mendapatkan
Yang digunakan untuk sensor ini adalah PVDF (PolyVinyl Dene Fluorida) dengan kelebihan mampu menjaga kemurnian sifat-sifat fluida yang diukur karakteristiknya. Tentu saja kelebihan itu sangat menunjang untuk mengukur sebuah perilaku aliran zat cair karena dari awal adanya penyimpangan dari karakteristik fluida yang diukur sudah dicegah. Akhirnya, kita bisa berharap lebih banyak tentang akurasi nilai hasil pengukuran ditunjukkan recorder.
Material ini sangat tepat untuk menjadi sensor dari sebuah rangkaian sistem flowmeter, terutama yang mengukur laju aliran atau mungkin parameter-parameter lain yang terkait laju aliran. Ketebalan lempeng ini digunakan biasanya pada skala mm. Begitu tipisnya, hingga mudah mengalami deformasi mekanis ketika dilalui suatu laju aliran fluida atau semacam tegangan mekanis yang menimpanya. Dua sisi penampang luas material ini dihubungkan ke sebuah alat ukur tegangan, maka ketika mengalami deformasi mekanis, akan ditunjukkan oleh alat ukur tegangan tersebut, beda potensial antar kedua sisi lempeng (elektroda) tersebut. Liquid flow sensor dual range berdasarkan prinsip kerja turbin flowmeter dengan piezoelektric sensor adalah sebagai berikut,
Turbin flowmeter Pada dasarnya suatu turbin meter terdiri dari "bladed rotor" yang dipasang pada laju aliran dengan sumbu rotasinya tegak lurus (untuk low/medium laju aliran) atau koaksial (untuk high aliran). Rotor tersebut digantung dalam arus dengan bola atom "sleeve bearing" pada sebuah batang yang dipasang pada "housing" dari flowmeter. Rotor turbin atau roda, digerakkan oleh fluida yang mendorong permukaan balingbaling rotor. Bila kecepatan rotasional yang tunak Ω (atau kecepatan sudut) dicapai, Ω sebanding dengan kecepatan rata-rata fluida, Wav, mencakup jangkauan luas dari laju 98
aliran volumentrik. Equation 3-2 Dengan Ki = konstanta instrumen
Gambar 3-3 Turbin Flowmeter
Kecepatan rotor Ω dapat ditransmisikan melalui rumah flow meter oleh tongkat mekanis (mechanical shift) dengan sebuah kopling magnetik. Tipe-tipe output mekanis seperti itu disesuaikan dengan rotasi yang diinginkan dengan menggunakan "gear train". Penggunaan kumparan pick-up magnetik terdiri dari magnet permanen (dimasukkan dalam baling-baling rotor), disusun sesuai dengan belitan kumparan dan dipasang dekat dengan rotor, namun di luar badan meter.
99
Gambar 3-4 Sinyal Yang Dihasilkan Turbin Flowmeter
Putaran baling-baling yang bermagnet melewati basis kumparan pick-up mengubah total flux magnet melalui kumparan tersebut, menginduksikan suatu siklus tegangan. Contohnya rotor dengan empat baling-baling dan sebuah pick-up membangkitkan empat pulsa/revolusi motor. Pick-up mempunyai tipe induktans bila magnet dipasng pada rotor dan tipe 100
reluktans bila magnet dipasang dalam pick-up (rotas turbin berubah reluktans).Frekuensi (f) dari pulsa yang dibangkitkan adalah ukuran laju aliran volumetrik dan total jumlah pulsa memberikan suatu ukuran kuantitas total fluida. Equation 3-3 Turbin flowmeter frekuensi tinggi mempunyai keuntungan bacaan resolusi digital yang lebih besar untuk contoh periode yang diberikan. Jumlah pulsa/resolusi dapat ditingkatkandengan menempatkan rim (pelek) pada rotor di mana di dalamnya dapat ditaruh sejumlah ferrit mengelilingi bagian dalam rim, dapat pula menggunakan pick-up ganda untuk resolusi yang lebih baik biasanya koefisien dari setiap transmiter ditentukan oleh kalibrasi dalam aliran yang sebenarnya mendahului pengiriman pabrik. Teknik non kontak lainnya (Co, foto elektronik atau RF-proximity) juga digunakan untuk mengubah rotasi turbin menjadi sinyal pengukuran yang sesuia untuk transmisi. Penggunaan sistem pick-up ini dan hambatan teknologi pada keringanan rotor, bantalan dan performa tinggi yang dibutuhkan menyebabkan turbin motor menjadi berperforma tinggi, tapi juga mahal. Linearity dari persamaan V = kI f menghasilkan jangkauan luas dari turbin meter dimana pada pembuat menyatakan 10 : 1 sampai 30 : 1 dengan repeatibility tinggi yaitu ± 0.5% dari aliran aktual. Dua desain rotor yang berbeda dibutuhkan untuk liquid dan besarnya perbedaan densitas dan kecepatan aliran di antaara kedua keadaan fluida. Kesalahan karena friksi bantalan telah diminimalisasikan oleh perbaikkan general pada desain bantalan dan juga penggunaan bantalan hidrodinamik, yaitu rotor apung. Meskipun ini cenderung mengubah kepekaan terhadap viskositas. Sumber utama kesalahan meningkat dari viskositas fluida yang diukur seiring dengan "viscous drag" di antara "hub" dari turbin dan "hub" dari ujung baling-baling turbin dan "rumah" flowmeter. Torsi pelambat yang dihasilkan oleh error di atas menurunkan kecepatan rotasional dari roda turbin.
101
Dalam turbin flowmeter ada PVDF yang berfungsi merespon tekanan yang ditimbulkan oleh laju aliran (flow rate). Sebagai material piezoelektrik, maka PVDF akan mengalami deformasi elastis karena tekanan itu sehingga menimbulkan beda potensial pada kedua sisi PVDF yang menghasilkan medan listrik. Medan listrik tersebut dipotong oleh perputaran baling-baling yang bersifat magnet pada rotor turbin. Mekanisme perpotongan medan listrik tersebut berlangsung berulang-ulang untuk setiap sudu atau baling-baling yang mengganggu medan listrik tersebut. Medan listrik yang mengalami gangguan ini menginduksi "magnetic pick up coil" pada sensor. Gangguan tersebut menghasilkan frekuensi (gangguan per satuan waktu) yang besarnya proporsional dengan laju aliran (flow rate). Frekuensi ini diubah menjadi tegangan oleh converter tegangan. Tegangan yang dihasilkan memberikan arus AC yang dialiri melalui kabel yang dapat diintegrasikan ketika tingkat induksi aliran diperlukan. Kegunaan utama tipe meter ini ialah pengukuran aliran atau mengumpan informasi aliran untuk in line blending controller. Arus kecil AC diamplifikasi dan bentuk gelombang dimodifikasi sehingga mampu mengoperasikan penghitung elektromagnetik yang menginduksi kuantitas total fluida yang lewat.
Pemasangan Dalam instalasi kita dapat memasangnya dalam berbagai pasang, tapi untuk max range ability kita harus memasang dengan suatu rotor horisontal. Namun untuk mengurangi risiko pembentukan uap, meter harus dipasng tegak sehingga cairan yang lewat dalam tekanan tertentu di atas tekanan uapnya
---000---
102
BAB 4 SISTEM KENDALI Dalam suatu proses industri sering dibutuhkan besaran-besaran yang membutuhkan persyaratan tertentu, seperti ketelitian yang tinggi, harga yang konstan untuk selang waktu tertentu atau harga yang dibatasi dalam suatu jangkuan tertentu. Kesemua persyaratan diatas tidak cukup hanya dengan pengukuran saja tetapi mebutuhkan suatu cara pengendalian. Secara sederhana sistem pengendalian adalah proses pengendalian terhadap satu atau beberapa besarab yang berada pada suatu harga atau dalam suatu jangkauan tertentu (Pacpahan, 1988). Pada prinsipnya pengendalian mempunyai beberapa tahapan kejadian : •
pengukuran terhadap obyek (measurement)
•
perbandingan (comparison)
•
pencatatan dan perhitungan (computation)
•
melakukan koreksi terhadap obyek (corection)
Tujuan utama sistem kendali adalah untuk mendapatkan optimasi dari sistem yang dikendalikan. Secara umum sistem kendali dapat dikelompokkan sebagai berikut : •
Menurut cara kerjanya : manual dan otomatis
•
Menurut jaringannya : lup terbuka dan lup tertutup
•
Menurut metode pengontrolannya : analog dan digital
•
Menurut sumber penggerak : hidrolis dan pneumatis.
Manual dan Otomatis Pengendalian secara manual adalah pengendalian yang dilakukan oleh manusia. Pengendalian manual ini akan banyak menghadapi kesulitan jika peralatan yang akan dikendalikan berada pada tempat yang cukup jauh dari monitor. 103
Pengendalian secara otomatis banyak terdapat di industri misalnya pengaturan temperatur dengan termostat, pengaturan tekanan dengan katup pengatur atau pengaturan daya listrik dengan relay. Lup Terbuka dan Lup Tertutup Sistem kendali lup terbuka adalah sistem kontrol dimana keluarannya tidak memberikan efek terhadap masukannya, perbandingan yang dilakukan hanya dilakukan terhadap batasan-batasan yang dipersyaratkan pada masukan tanpa adanya pengaruh keluaran.
Gambar 4-1 Diagram Loop Terbuka
Sistem kendali dengan lup tertutup adalah sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan, sehingga besaran yang dikendalikan
dapat dibandingkan dengan harga yang diinginkan. Perbedaan harga
masukan dan keluaran digunakan sebagai koreksi terhadap masukan.
Gambar 4-2 Diagram Blok Loop Tertutup
Kendali analog dan digital Sistem pengendalian secara kontinyu/analog adalah sistem pengendalian yang terdapat kesebandingan antara penyimpangan dan faktor koreksi contohnya adalah sistem 104
pengendalian uap melalui katup. Pengendalian diskontinu/digital adalah pengendalian yang dilakukan oleh komponen-komponen diskrit misalnya pengontrolan dengan relay, termostat, sakelar pemilih dan sebagainya. Pengendalian secara otomatis banyak terdapat di industri misalnya pengaturan temperatur dengan termostat, pengaturan tekanan dengan katup pengatur atau pengaturan daya listrik dengan relay.
Sistem Hidrolik Dan Pneumatik Tekanan hidrolik dapat digunakan untuk pengukuran berat. Suatu kapsul yang dirancang secara baik yang mengandung minyak atau oli dapat dihubungkan ke sebuah tabung bourdon atau pengukur tekanan lain. Sistem hidrolik memberikan tujuan yang sama dengan sistem level skala tradisional. Sistem hidrolik ini mengurangi gaya yang diakibatkan oleh beban dengan menggunakan sebuah kapsul besar sehingga nilai beban yang diukur dikurangi ke nilai tekanan hidrolik yang dapat diukur. Dalam beberapa skala kapasitas yang sangat besar, levers dapat digunakan pada permulaan pengukuran untuk mengurangi gaya yang nilainya besar sebelum ke tahap penyeimbangan akhir oleh gaya hidrolik (hydraulic counterforce). Suatu sistem pneumatik dimana udara adalah medium/media transfer gaya beroperasi dengan menggunakan prinsip-prinsip yang sama.
4.1. Sistem Akuisisi Dilihat dari makna katanya akuisisi berarti mengambil alih. Akuisisi yang dimaksud dalam konsteks ini adalah melayani banyak bagian dari satu sentral, seperti gambar 4.3.
105
Gambar 4-3 Diagram Blok Sistem Akuisisi
Data masuk data 1, data 2 dan seterusnya dapat berasal dari tempat yang sama atau tempat yang baik berbeda. Demikian juga data keluar data 6, data 7 dan lain lain, dikirim kebagian lain ataupun ke sumber data tersebut. Keseluruhan proses dilakukan oleh satu bagian yaitu bagian sentral proses. Hasil yang diharapkan tergantung pada proses yang direncanakan . Keuntungan dari sistem ini adalah : • komponen yang bekerja relatif lebih sedikit dibanding sistem konvensional • tidak memerlukan banyak operator untuk mengawasi proses sedangkan kelemahannya adalah : • sistem yang dibutuhkan relatif rumit • kesalahan yang terjasi para sentral mengakibatkan terganggunya semua sistem yang bekerja
Sistem ini dapat diterapkan pada proses pengukuran dan monitoring sistem di industri maupun penelitian di laboratorium yang memerlukan banyak data. Penyertaan perangkat elektronik kedalam sistem ini dapat meningkatkan unjuk kerja, karena sistem elektronik bekerja relatif lebih cepat dibanding sistem yang lainnya misalnya sistem mekanis. 106
4.1. Relay Dilihat dari unsur katanya, relay artinya adalah menyampaikan atau menyambungkan. Relay adalah suatu alat yang berfungsi sebagai saklar yang dioperasikan secara elektrik. Respons relay terhadap sinyal elektrik yang masuk(baik steady maupun pulsa) adalah membuka atau menutupnya suatu electrical contacs dengan kombinasi tertentu yang sudah diatur. Kombinasi ini dapat digunakan untuk menjalankan alat lainnya sehingga perubahannya dapat dideteksi oleh operator.
4.3. Penguat 4.3.1. Karakteristik dan Parameter Penguat Penguat (Operational Amplifier), adalah piranti elektronik yang mampu mengindera dan memperkuat sinyal masukan baik AC maupun DC. Gambar 4.4 adalah simbol penguat standar. Berikut ini akan diuraikan beberapa karakteristik dan parameter penguat tersebut (Hughes, 1990).
Gambar 4-4 Lambang Penguat Dasar
Impedansi Masukan Idealnya impedansi/tahanan total masukan penguat adalah tak berhingga, tapi kenyataannya hanya mencapai 1 MΩ. Makin tinggi impedansi masukan makin baik performansi penguat tersebut.
107
Impedansi Keluaran Idealnya impedansi keluaran adalah nol, tapi hal ini berbeda untuk setiap penguat, untuk kebanyakan aplikasi Impedansi keluaran dianggap nol, sehingga penguat berfungsi sebagai sumber tegangan yang mampu memberikan arus berbagai macam beban.
Arus Bias Masukan Karena impedansi masukan tak berhingga, seharusnya tidak ada arus masukan tetapi akan ada sedikit penyimpangan yaitu timbulnya arus masukan dalam beberapa ΡA sampai µ A. Tegangan Offset Keluaran Tegangan Offset (kesalahan) disebabkan oleh arus bias masukan. Bila tegangan kedua masukan sama besar, keluaran penguat akan nol. Tetapi pada kenyataannya pada keluaran akan ada sedikit tegangan. Arus Offset Masukan Kedua arus masukan seharusnya sama besar sehingga tegangan keluaran nol. Karena hal tersebut tidak mungkin maka perlu ditambahkan arus offset masukan. Besar arus ini dapat mencapai 20 mA. Tegangan Offset Masukan Jika kedua tegangan masukan sama besar seharusnya tegangan keluaran adalah nol, karena adanya faktor ketidakseimbangan maka akan muncul tegangan keluaran. Dengan memberi tegangan offset masukan, tegangan keluaran akan nol. Geseran Perubahan temperatur mempengaruhi semua peranti elektronik. Perubahan temperatur dapat mengakibatkan perubahan arus offset dan tegangan offset, istilah ini disebut geseran (drift). Laju Rantingan Laju rantingan (slew rate) adalah laju perubahan maksimum tegangan keluaran, dinyatakan sebagai : 108
Perbandingan Penolakan Modus Sekutu Perbandingan penolakan modus sekutu (Common Mode Rejection Ratio = CMRR) adalah suatu sifat yang bertalian dengan penguat diferensial. Perbandingan ini dinyatakan dengan :
Perlindungan Hubung Singkat Penguat dapat menghasilkan arus yang merusak bila keluarannya terhubung singkat ke bumi, +Vc, atau -Vc dari catu, kecuali bila dilengkapi perlindungan hubung singkat. Pembatasan Listrik Seperti piranti elektronik lain penguat memiliki kendala-kendala listrik yang harus diperhatikan, agar tidak marusak. Kendala ini biasanya disebut tarif maksimum mutlak.
4.3.2. Rangkaian Penguat Dasar Pembanding tegangan Perbandingan tegangan membandingkan tegangan sebuah masukan dengan masukan lainnya.
Gambar 4-5 Pembanding Tegangan
Gambar 4.5 memperlihatkan pembandingan tegangan sederhana. Dalam konfigurasi tersebut, modus lup terbuka. Adanya sedikit perbedaan tegangan akan mengakibatkan tegangan diantara kedua masukan mengayunkan penguat ke arah saturasi, 109
tergantung polaritas sinyal Dengan Vout = Vsat x (V2 - V1) Penguat Membalik Sebuah penguat menerima tegangan kecil pada masukannya dan menghasilkan arus yang lebih besar pada keluarannya. Penguat memiliki penguatan (gain) yang relatif linier, keluarannya dikendalikan sebagai fungsi masukan. Penguat ini dapat dilihat pada gambar 4.6.
Gambar 4-6 Penguat Membalik
Penguat Tak Membalik Penguat tak membalik dapat dilihat pada gambar 4.7. Dalam sistem ini umpan balik yang dipakai untuk mengatur penguatan tetap diberikan pada masukan, tetapi Vin berada pada masukan tidak membalik.
110
Gambar 4-7 Penguat Tak Membalik
Pengikut Tegangan Pengikut tegangan didefinisikan sebagai rangkaian dengan penguatan satu dengan keluaran mengikuti masukan, seperti yang terlibat pada gambar 4.8. Dengan pengikut tegangan tak membalik, keluaran terhubung langsung dengan masukan membalik. Resistor umpan balik adalah nol. Tegangan masukan membalik selalu sama dengan tegangan masukan tak membalik. Jadi selisih diantara kedua masukan adalah nol.
Gambar 4-8 Penguat Pengikut Tegangan
111
Penguat Selisih Tegangan Penguat selisih tegangan hampir sama dengan penguat pembanding, kedua masukan dipakai untuk merasakan beda tegangan diantara keduanya, tetapi rangkaian menggunakan modus lup tertutup sehingga keluarannya dapat dikendalikan, seperti terlihat pada gambar 4.9. Walaupun penjelasannya ditekankan pada aspek selisih secara aljabar, tetapi sistem ini dapat merasakan adanya beda tegangan yang kecil.
Gambar 4-9 Penguat Selisih Tegangan
4.3.3. Rangkaian Penguat Yang Digunakan Rangkaian penguat yang digunakan adalah rangkaian jenis Instrumentasi yaitu gabungan dari beberapa rangkaian dasar yang telah dijelaskan sebelumnya. Rangkaian terdiri dari dua buah penguat pengikut tegangan dan sebuah penguat selisih tegangan, IC yang digunakan adalah penguat jenis LM 324 (data terlampir). Pemilihan jenis ini adalah berdasarkan pertimbangan : • mudah didapat dipasaran • harga relatif murah • menggunakan catu daya tunggal • tegangan offset di set dipabrik 112
Rangkaian lengkapnya seperti pada gambar 4.10
Gambar 4-10 Sistem Penguat Instrumentasi
Pemilihan nilai-nilai resistor tersebut adalah didasarkan pada perhitungan faktor penguatan. Seperti sebelumnya diuraikan bahwa sensitivitas transduser adalah 0,05 mV/ V/psi. Pada percobaan ini digunakan catu daya 5 V untuk masukan transduser dengan jangkuan maksimum pengukuran, maka tegangan keluaran yang dihasilkan : Vout
= 0,05 x 5 x 200 = 50 mV = 0,05 V
Agar ADC (konverter analog digital) bekerja optimum (jangkuan kerja maksimum ADC 5 V) maka sinyal tersebut perlu diperkuat menjadi 5 V. Faktor penguat yang dibutuhkan adalah : 113
Dengan memilih harga-harga resistor untuk perbandingan tersebut didapatkan RF = 1MΩ dan RΙ = 10kΩ dengan Rg = RΙ. Penambahan kapasitor Cukup dimaksudkan untuk penyaring sinyal, dengan kapasitas yang cukup kecil.
4.4. Multiplekser / Demultiplekser Multiplekser berarti banyal menjadi satu. sebuah multiplekser adalah rangkaian yang mempunyai banyak masukan tetapi hanya satu keluaran, sedangkan demultiplekser berarti sebaliknya yaitu satu masukan dengan banyak keluaran. Dengan menggunakan sinyal kendali kita dapat memilih masukan/keluaran yang diinginkan.
4.5. Konverter Analog – Digital Sinyal yang dihasilkan penguat adalah sinyal analog, sedangkan komputer bekerja dengan sinyal digital. Untuk itu dibutuhkan sebuah piranti pengkonversi sinyal dari analog ke digital. Dipasaran telah tersedia bermacam-macam konverter dalam bentuk IC. Dalam percobaan ini digunakan IC jenis ADC 0804, yang memiliki resolusi 8 bit. Alat ini dapat mengkonversi sinyal analog (0 sampai +5V) menjadi data digital 8 bit. ADC 0804 membutuhkan catu sebesar +5V, dengan waktu konversi sekitar 100 ns. ADC 0804 dapat dirangkai untuk menghasilkan
operasi kontinyu untuk
melaksanakannya kita harus mentanahkan CS dan menghubungkan WR dengan INTR seperti terlihat pada gambar 4.11 [Malvino, 1983] . Rangkaian diatur untuk menerima masukan positif bersisi tunggal melalui pin 6. 114
Gambar 4-11 ADC 0804 Yang Dirangkai Untuk Operasi Kontinyu
Operasi berlangsung secara terus menerus karena sinyal INTR (sinyal selesai konversi) menggerakkan sinyal masukan WR (sinyal selesai konversi) , dengan demikian data digital akan tersedia terus menerus.
4.6. Pemakaian Sambungan Rujukan Pemakaian Sambungan Rujukan Pemakaian sambungan rujukan (reference junction dikenal beberapa macam cara, antara lain : Menggunakan campuran es dan air Penggunaan dari campuran seimbang es dan air-suling jenuh udara menghasilkan suhu nol derajat Celcius pada tekanan satu atmosfir. Supaya dapat disimpan agak lama maka ampuran tersebut kita masukan ke dalam tabung dawar. Sedangkan cara-cara pemasangannya dapat dilihat pada gambar 4.12.
115
Gambar 4-12 Metode-metode Konvensional Untuk Menerapkan Suhu Rujukan Dalam Rangkaian Termokopel
Kompensasi dengan memakai dua batang logam yang berlainan (bimetal strip) (8) yang dihubungkan dengan per spiral (spiral spring). Ketika temperatur sambungan rujukan berubah, maka efek listrik akan timbul dan akan menggerakkan coil, bimetal strip ini yang akan mengoreksi setiap kenaikan temperatur. Metode ini dipakai terutama untuk alat ukur jarum.
116
Gambar 4-13 Metode Kompensasi dengan Dua Kawat Logam
Gambar 4-14 Kompensasi dengan Prinsip Potensiometer
Prinsip potensiometer Tegangan yang diukur dibandingkan dengan tegangan standard. Titik A dan B diberi tegangan yang konstan, hal ini dapat dilakukan dengan nerubah harga R4. Tegangan yang dihasilkan oleh termokopel dibandingkan dengan tegangan yang diketahui. Bila galvanometer dibuat nol dengan yang diketahui. Bila galvanometer dibuat nol dengan menggeserkan R2, maka tegangan yang dihasilkan termokopel dapat diketahui dengan membaca skala pada R2. Dari tegangan tersebut, temperatur yang diukur dapat dilihat pada tabel standard. Temperatur sambungan rujukan dibuat konstan dengan memasang termostat, dimana untuk menunjukkan meter ditambah dengan sambungan rujukan. Temperatur sambungan rujukan dibuat konstan dengan memasukkan terminal cold junction dalam bak es yang berisi air dan es. Dengan memasang sebuah termostat pada kotak dimana cold junction dipasang dan oleh karena adanya termostat, maka kotak tersebut mempunyai temperatur yang konstan. Contohnya, temperatur kotak dibuat 50°C dan bila temperatur benda yang diukur 150°C, termokopel akan menghasilkan tegangan yang identik dengan 100°C. 117
Gambar 4-15 Kompensasi dengan Termostat
Karena hal tersebut, maka diberi suatu standard tegangan yang sesuai dengan penunjukan termokopel pada 50°Cukup (Bucking Voltage). Bentuk pembacaan adalah sebagai berikut : Equation 4-1 dimana : ET
= tegangan yang dibaca pada meter
EI
= tegangan yang dihasilkan oleh termokopel
Et
= tegangan yang diberikan oleh suatu sumber
Dengan memakai bridge (12). Dimana setiap perubahan temperatur sambungan rujukan akan mempengaruhi besarnya RT (tahanan yang berubah terhadap temperatur). Kompensasi sambungan rujukan dibuat secara otomatis dengan memberikan tegangan koreksi (E) yang sama bila suhu referensi termokopel = 0°C. Jembatan dibuat seimbang pada 0°C, maka perubahan temperatur udara luar akan merubah keseimbangan jembatan karena adanya perubahan tahanan dari RT. 118
Gambar 4-16 Kompensasi Sambungan Rujukan dengan Bridge
Dengan menggunakan IC (Integrated Circuit) IC LT 1025 keluaran pabrik Linear Technology ini mengeluarkan IC khusus untuk sambungan rujukan. Prinsip kerja daripada IC ini adalah sebuah sensor temperatur yang akan menghasilkan tegangan keluaran sebesar 10 mV/°C kemudian keluaran daripada sensor temperatur ini diisolasi oleh Op-Amp (Op-Amp sebagai buffer) kemudian keluarannya ini diberi beban (tahanan) sesuai keluaran kompensasi yang diinginkan. Kompensasi ini bisa digunakan untuk termokopel jenis E,J,Kurang,R,S dan T. Akan tetapi jenis IC ini belum ada pada pasaran di Indonesia.
Perakitan Penguat Tegangan Dan Sambungan Rujukan Penguat operasional atau Op-Amp (Operasional Amplifier) adalah rangkaian elektronik yang dirancang dan dikemas secara khusus sehingga dengan menambahkan komponen luar sedikit saja dapat dipakai untuk berbagai keperluan. Dahulu Op-Amp dirakit dari berbagai macam komponen diskrit dan dikemas dalam rangkaian tersegel sehingga memakan tempat dan mahal harganya. Sekarang ini dengan teknologi rangkaian terpadu IC (Integrated Circuit) yang telah ditingkatkan, Op-Amp dalam bentuk kemasan IC menjadi jauh lebih murah dan amat luas pemakiannya. 119
Op-Amp IC terdiri atas tiga rangkaian dasar, yaitu penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan penguatan tinggi dan penguat keluaran impedansi rendah, seperti terlihat pada gambar 4.17. Pembagian karakteristik op-amp yang terpenting adalah :
• Impedansi masukan amat tinggi • Penguat lup terbuka amat tinggi • Impedansi keluaran amat rendah
Gambar 4-17 Diagram Blok OP-Amp
Simbol Op-Amp standar dinyatakan dengan sebuah segitiga, seperti pada gambar 4.18. Terminal-terminal masukan ada pada bagian kiri segitiga. Masukan membalik dinyatakan tanda minus (-). Masukan ak membalik dinyatakan dengan tanda positif (+). Untuk keluarannya terdapat pada bagian kanan dari segitiga. Terminal-terminal catu dan kaki-kaki lainnya untuk kompensasi frekuensi, atau pengaturan nol diperlihatkan pada sisi atas dan sisi bawah segitiga. Kaki-kaki ini tidak selalu diperlihatkan dalam diagram skematis.
120
Gambar 4-18 Gambar Simbol Skematis OP-Amp Standar
4.6.1. Karakteristik dan Parameter OP-AMP Jika kita hendak menggunakan IC maka yang perlu diperhatikan karakteristikkarakteristik dan parameter-parameter IC. Karakteristik dan parameter IC Op-Amp yang dipakai pada rangkaian pada umumnya (5) adalah : Impedansi Masukan (Input Impedance) Impedansi masukan op-amp idealnya adalah tak terhingga, tetapi dalam kenyataannya hanya mencapai 1 M ohm atau lebih (5). Makin tinggi impedansi masukan, makin baik penampilan Op-Amp tersebut. Impedansi Keluaran (Output Impedance) Impedansi keluaran idealnya adalah nol. Kenyataannya, berbeda-beda untuk setiap Op-Amp. Impedansi keluaran bervariasi antara 25 sampai ribuan ohm (5). Untuk kebanyakan pemakian impedansi keluaran dianggap nol, sehingga op-Amp akan berfungsi senagai tegangan yang mampu memberikan arus dari berbagai macam beban. Arus Bias Masukan (Input Bias Current) Secara teoritis impedansi masukan tak berhingga besarnya, sehingga seharusnya tak ada arus masukan. Namun akan ada sedikit arus masukan. Harga rata-rata kedua arus ini dikenal sebagai arus bias masukan. Arua ini dapat menggoyahkan kestabilan Op-Amp, 121
sehingga mempengaruhi keluaran. Pada umumnya makin rendah arus bias masukan, makin rendah pula kelabilannya. Tegangan Offset Keluaran (Output Offset Voltage) Tegangan offset keluaran (tegangan kesalahan) disebabkan oleh arus bias masukan. Bila tegangan kedua sama besar, keluaran Op-Amp akan nol volt. Tetapi jarang ditemukan seperti ini, sehingga pada keluarannya akan ada sedikit tegangan. Keadaan seperti ini dapat diatasi dengan teknik penolan offset, yaitu dengan menambahkan arus atau tegangan offset masukan. Arus Offset Masukan (Input Offset Current) Kedua arus masukan seharusnya sama besar sehingga tegangan keluaran nol. Tapi hal ini tidak mungkin, karena itu harus ditambahkan arus offset masukan untuk menjaga supaya keluaran tetap nol volt. Untuk memperoleh keluaran nol volt, sebuah masukan menarik arus lebih besar daripada lainnya. Tegangan Offset Masukan (Input Offset Voltage) Idealnya tegangan keluaran Op-Amp nol ketika tegangan kedua masukan nol. Tetapi karena penguatan op-amp yang besar, adanya ketidaksetimbangan dalam rangkaian akan mengakibatkan munculnya tegangan keluaran. Dengan memberi tegangan offset pada sebuah masukan, tegangan keluaran dinolkan kembali. Pengaruh Temperatur Perubahan temperatur akan mempengaruhi Op-Amp. Perubahan temperatur dapat menyebabkan perubahan arus offset dan tegangan offset, inilah yang disebut geseran (drift). Drift yang disebabkan oleh temperatur akan mengganggu setiap kesetimbangan Op-amp yang telah diatur sebelumnya, akibatnya pada keluaran akan terjadi kesalahan Kompensasi Frekuensi Karena penguatan Op-Amp yang tinggi dan adanya pergeseran fasa antar rangkaian dalam, maka pada frekuensi tinggi tertentu sebagian sinyal keluaran akan diumpankan kembali kemasukan, sehingga terjadi osilasi. Untuk mengatasi hal ini ditambahkan kapasitor kompensasi pada op-amp, baik secara internal maupun eksternal. 122
Tujuannya adalah untuk mencegah osilasi ini dengan jalan menurunkan penguatan opamp ketika frekuensi dinaikkan. Laju Lentingan (Slew Rate) Laju lentingan adalah lahu perubahan maksimum tegangan keluaran op-amp. Laju ini dinyatakan sebagai :
Derau (Noise) Sebagaimana rangkaian elektronika lainnya, Op-Amp juga peka terhadap derau. Derau luar dijangkitkan oleh piranti listrik atau berasal dari derau bawaan komponenkomponen elektronik (resistor, kapasitor, dan sebagainya) (5). Derau luar ini dapat ditindas asalkan rangkaian dirakit dengan benar. Derau internal Op-Amp ditimbulkan oleh komponen-komponen internal, arus bias, dan juga drift. Derau-derau ini ikut diperkuat oleh Op-Amp, sebagaimana halnya tegangan offset dan tegangan sinyal. Penguatan derau dinyatakan dalam :
Dimana Rf adalah tahanan umpan balik (feed back) dan Rin adalah tahanan masukan (input). Derau internal dapat diperkecil dengan menggunakan resistor masukan seri dan resistor umpan balik sekecil mungkin yang masih memenuhi persyaratan rangkaian. Pemasangan resistor umpan balik dengan sebuah kapasitor kecil juga akan menurunkan penguatan derau pada frekuensi-frekuensi tinggi (5).
Perbandingan penolakan modus sekutu (CMRR = Common Mode Rejection Ratio)
123
CMRR adalah suatu sifat yang berhubungan dengan penguat diumpankan ke dalam masukan-masukan penguat, keluaran akan nol. Hanya perbedaan tegangan pada masukan yang akan menghasilkan keluaran. Sebagaimana contoh sinyal 1020 Hz diberikan pada masukan membalik Op-Amp, seperti terlihat pada gambar 4.19. Frekkuensi yang sama diberikan pada masukan tak membalik tapi fasanya berbeda 180°. Ini adalah sinyal diferensial. Tapi, sinyal 1020 Hz ini sefasa pada kedua masukannya dan menyatakan sinyal modus sekutu. Penguat diferensial cenderung menolak sinyal modus sekutu. Penguat diferensial cenderung menolak sinyal modus sekutu 60 Hz ini sambil menguatkan sinyal diferensial 1020 Hz. Kemampuan suatu OpAmp untuk memperkuat sinyal diferensial sambil menindas sinyal modus sekutu disebut perbandingan penolakan modus sekutu (CMRR). Perbandingan ini dinyatakan dalam :
Equation 4-2 dengan AD adalah penguatan diferensial dan Acm adalah penguatan modus sekutu. CMRR biasanya dinyatakan dalam desibel, kian tinggi nilainya kian baik tingkat penolakannya.
Gambar 4-19 Penolakan Modus Sekutu
124
Perlindungan Hubungan Singkat Op-Amp dapat menjangkitkan arus yang membahayakan bila keluarannya terhubung singkat ke bumi, +Vc atau -Vc dari catu, kecuali bila dilengkapi perlindungan hubungan singkat. Pembatasan Listrik Seperti juga peranti-peranti yang lain, Op-Amp memiliki kendala-kendala listrik yang tak boleh dilanggar, agar mereka bekerja dengan benar dan tidak terjadi pengrusakan. Kendala-kendala ini adalah : • Catu daya ± V. Tegangan maksimum yang masih aman yang boleh dikenakan pada peranti, termasuk catu tunggal atau catu daya rangkap. • Disipasi daya. Besarnya panas yang masih aman yang dapat dilepaskan oleh peranti untuk suatu pengoperasian yang kontinyu dalam selang waktu yang diberikan. • Tegangan masukan diferensial. Tegangan masukan dalam batas-batas aman yang boleh diberikan di antara kedua masukan tanpa menimbulkan arus lebih. • Tegangan masukan . Tegangan maksimum yang masih dapat diberikan di antara terminal-terminal masukan dan bumi. Besarnya tegangan masukan ini tak boleh melampaui tegangan catu. • Lama hubung singkat keluaran. Selang waktu op-amp dapat bertahan terhadap hubung singkat langsung dari terminal keluaran ke bumi atau ke terminal catu lainnya. • Jangkauan temperatur pengoperasian. Daerah temperatur dimana op-amp akan bekerja sesuai dengan spesifikasi yang diberikan. Peranti komersial bekerja pada 0°C - 70°C, peranti industri bekerja pada -25C - 85°C, dan peranti militer bekerja pada -55°C - 125°C. • Kisar temperatur penyimpanan, Batas-batas temperatur penyimpanan yang masih aman, umumnya -65 - 150°C. • Temperatur kaki. Temperatur di mana peranti dapat bertahan dalam selang waktu tertentu ketika proses penyolderan kaki-kaki terminal sedang berlangsung. desarnya 125
biasanya 300°C untuk selang waktu 10 - 60 detik.
4.6.2. Persyaratan Catu Daya Untuk OP-AMP Tegangan catu daya tidak boleh melebihi tegangan catu daya yang diberikan oleh pabriknya. Sedangkan tegangan catu daya yang dipakai adalah disesuaikan dengan tegangan keluaran Op-Amp maksimum atau tegangan catu daya lebih besar sedikit dibandingkan tegangan keluaran maksimum Op-Amp.
Gambar 4-20 Penguat Selisih Tegangan
Dasar pemilihan ini karena pada penguat selisih tegangan peka terhadap masukan perubahan tegangan yang kecil. Pada gambar 4.21 digambarkan rangkaian penguat selisih tegangan. Penguatan tegangan rangkaian ditentukan menurut rumus :
Equation 4-3 dimana : AV
= besarnya penguatan
Vout
= tegangan keluaran (volt) 126
Vin
= tegangan masukan (volt)
Sementara faktor penguatan dalam modus lup tertutup untuk membalik dinyatakan dalam :
Equation 4-4 dimana : Rf
= tegangan umpan balik (ohm)
Rin
= tahanan masukan (ohm)
Pembesaran yang dibuat disini adalah 1000 kali, maka kita mengambil tahan umpan balik yang cukup besar yaitu 2 MegaOhm. Pemakian tahanan yang besar ini dimasudkan agar impedansi masukan besar. Sedangkan tahanan input adalah 2000 Ohm. Faktor penguatan maksimum yang dibolehkan untuk IC LM 324 ini adalah ratusan ribu kali, jadi untuk perencanaannya penguatan masih dibolehkan.
4.6.2.1. Penerapan Stabilitas Rangkaian Pemantapan bagi Op-Amp berarti menjaganya dari gangguan osilasi, mempertahankan penguatan sesuai dengan rancangan dan meredam derau seminimum mungkin. Stabilitas rangkaian juga semakin baik dengan pengaturan tata letak rangkaian yang baik enar. Kaki-kaki komponen diusahakan sependek mungkin. Tegangan catu daya harus dijaga konstan untuk mendapatkan stabilitas yang baik. Kapasitor yang diberikan ini akan memintas perubahan-perubahan catu daya ke bumi. Penggunaan kapasitor jenis tantalum disini adalah sebesar 10 F. Kapasitas liar masukan yan berasal dari masukan penguat dan umpan balik dapat menggoyahkan stabilitas rangkaian. Pergeseran fasa mungkin terjadi kalau terdapat osilasi. Dengan menambahkan kapasitor keramik sebesar 0.1 µF pada masukan tak membalik (non-inverting) dan pemasangan yang diparalelkan pada tahanan umpan balik akan mengurangi osilasi tersebut.
127
4.6.2.2. Rangkaian Penyangga (Buffer) Rangkaian penyangga ini adalah rangkaian Op-Amp yang berpenguatan satu. Walaupun rangkaian penyangga ini berpenguatan satu tetapi keberadaannya sangatlah dibutuhkan. Rangkaian penyangga ini mempunyai impedansi masukan sangat besar dan impedansi keluaran sangat kecil, sehingga rangkaian ini berguna untuk : Sebagai pengisolasikan keluaran yang disangga dengan rangkaian berikutnya, sehingga keluaran tegangan penyangga dapat digunakan sebagai sumber tegangan sebagai penyangga kepada penguatan selanjutnya. Kegunaan rangkaian penyangga pada rangkaian sistem Akuisisi Data Temperatur ini adalah menyampaikan sinyal yang dihaslkan oleh penguat selisih tegangan kepada AIP-24.
Gambar 4-21 Gambar Rangkaian Penyangga
4.6.2.3. Sambungan Rujukan Sambungan rujukan disini menggunakan IC LM 35. IC LM 35 ini adalah "Precision Centigrade Temperature Sensor" yang mempunyai beberapa keunggulan seperti keluaran tegangannya adalah liner, keluaran sebanding dengan skala temperatur Celcius. Pemasangan IC mudah yaitu IC dengan menggunakan tiga buah kaki dan dapat dipakai langsung tanpa kalibrasi. Adapun karakteristik IC tersebut yang diberikan pabrik adalah : • Keluaran tegangan dapat langsung dipakai tanpa kalibrasi • Keluaran tegangan sebanding dengan skala derajat Celcius 128
• Keluaran tegangan linier yaitu 10 mV/°C. • tegangan catu daya antara 4 sampai dengan 30 Volt • Pemakain arus 60 µA • Pemanasan diri sendiri adalah 0.08°C pada perubahan temperatur ruang • Impedansi keluaran 0.1 Ohm untuk beban 1 mA.
4.6.2.4. Pemilihan Catu Daya Besarnya catu daya yang dibutuhkan untuk IC op-amp adalah dua volt diatas tegangan keluaran maksimum. Jadi tegangan catu daya adalah : Tegangan catu daya
= tegangan maksimum keluaran op-amp + 2V = 10 V + 2 V = 12 Volt
Pemakaian catu daya disini dengan menggunakan catu daya komputer, karena catu daya komputer dapat dijamin kestabilannya sehingga pemantapan alat akan bertambah baik. Pemakaian catu daya ini dua, yaitu 12 Volt dan 5 Volt dimana catu daya 12 Volt digunakan untuk IC LM 324 dan IC LM 35 sedangkan tegangan 5 Volt digunakan untuk Transistor-transistor Logic (TTL) trigger pada AIP-24. Pin yang dimaksud disini adalah pin masukan pada AIP-24 untuk angka ganjil adalah untuk masukan negatif sedangkan angka genap adalah untuk masukan positif sedangkan pin 49 adalah untuk tegangan masukan TTL trigger pada AIP-24 dan pin 50 untuk bumi (Ground).
129
Gambar 4-22 Gambar Rangkaian OP-Amp dan Sambungan Rujukan
130
4.7. Level Control Relay Banyak industri dan proses-proses IPTEK membutuhkan pengetahuan mengenai isi(level) dari sebuah tangki atau penampung lainnya. Pengetahuan mengenai level ini diperlukan untuk menjaga agar isi di dalam tangki tersebut masih berada dalam batas yang ditentukan. Jika level dari zat di dalam tangki terlalu tinggi, bisa saja zat tersebut tumpah keluar. Hal ini tentunya tidak diinginkan karena dapat menimbulkan kerugian apabila zat tersebut mahal harganya atau juga mempunyai potensial menimbulkan bahaya apabila zat tersebut beracun. Sebaliknya jika terlalu rendah levelnya, maka bisa saja keseluruhan sistem yang terhubung dengan tangki tersebut gagal bekerja. Keduanya mempunyai akibat yang tidak kita inginkan. Karena itu, level dalam tangki perlu dikontrol. Namun dalam beberapa hal sangat tidak mungkin dan tidak praktis bagi kita untuk melihat langsung interior atau bagian dalam dari tangki. Hal ini bisa karena jumlah tangki yang cukup banyak atau frekuensi pengontrolan yang cukup ketat. Karena itu diperlukan suatu alat yang dapat "melihat dan mengingatkan" kita apabila level zat di dalam tangki sudah di luar batas. Alat ini karena fungsinya untuk mengontrol level zat di dalam tangki, maka sering disebut dengan Level Control Relay (LCR). Kata relay maksudnya adalah alat ini menggunakan relay untuk operasinya. Cara alat ini untuk "melihat" level zat di dalam tangki adalah dengan menggunakan sebuah sensor. Sensor ini akan menangkap karakteristik zat yang berubah apabila level zat di dalam tangki turun atau naik. Karakteristik ini yang berubah sesuai dengan ketinggian levelnya ternyata cukup banyak, di antaranya adalah gaya apung(buoyancy), tekanan dan hambatan listriknya. Penggunaan LCR ini ternyata sudah banyak digunakan, terutama pada bidang industri karena hasilnya cukup efektif dan efisien. Proses pengontrolan dapat dijalankan dengan baik sehingga kerugian yang tidak perlu bisa dihindarkan.
131
4.7.1. Komponen Komponen Komponen-komponen yang terdapat pada LCR antara lain: • Electric atau electronic relay • Kabel penghubung • Penunjuk hasil pengukuran • Elektroda atau probe • Sumber energi listrik atau power source
Relay Fungsi komponen relay pada LCR ini adalah menyambungkan antara komponenkomponen yang ada. Analogi relay pada LCR adalah otak pada manusia. Relay merupakan komponen yang mengolah input dan mengatur output dari LCR. Input dari relay berupa listrik dari power source dan umpan balik dari elektroda. Listrik dari power source akan digunakan relay untuk melakukan proses kontrol dan mengirim sinyal-sinyal ke bagian outputnya. Sedangkan umpan balik dari elektroda adalah merupakan arus listrik yang menunjukkan level dari liquid dalam penampungan. Umpan balik ini akan diproses lebih lanjut oleh relay menjadi output. Processing dari relay terhadap umpan balik adalah berdasarkan perbandingan nilai dari arus umpan balik dengan nilai yang sudah di-set berdasarkan kalibrasi. Perubahan perbandingan nilai dari arus umpan balik yang menunjukkan perubahan level liquid dengan nilai yang di-set akan mengubah status dari output-nya(misal dari lampu padam menjadi menyala). Output dari relay dapat berupa macam-macam tergantung dari jenis relay-nya. Namun pada dasarnya ada 2 jenis output, yaitu output ke device penunjuk dan output berupa umpan balik ke alat pengatur level liquid. Alat pengatur level liquid ini bisa berupa katup pengisian maupun pembuangan atau pompa pengisi. Dengan adanya output 132
ini, maka keseluruhan sistem akan berjalan secara otomatis. Waktu respons(waktu yang diperlukan untuk memberikan output dari sejak masuknya input) dari relay relatif singkat yaitu dalam range milisecond sehingga hasil yang terbaca merupakan hasil dari keadaan sebenarnya. Hal yang perlu diperhatikan dalam memilih relay yang tepat adalah sensitivity dari relay tersebut. Sensitivity artinya adalah kemampuan dari suatu relay untuk beroperasi dengan power yang kecil. Makin sensitif suatu relay, maka kemampuannya beroperasi dengan power yang kecil makin baik. Berdasarkan sensitivity-nya, relay dibagi menjadi electric relay(arus kerjanya besar) dan electronic relay(arus kerjanya relatif kecil). Hal ini merupakan faktor yang penting dalam LCR karena listrik yang digunakan mempunyai power kecil. Relay yang digunakan pada LCR biasanya adalah relay yang sensitivity-nya bisa diatur(mempunyai range) sehingga dapat digunakan untuk berbagai pengukuran.
Kabel penghubung Fungsi dari kabel penghubung adalah menghantarkan arus listrik antar komponenkomponen. Kabel penghubung bisa dianalogikan seperti pembuluh darah pada makhluk hidup. Jika ada satu saja kabel penghubung yang putus atau rusak, maka seluruh sistem dari LCR bisa tidak bekerja. Pemilihan kabel penghubung yang tepat memerlukan pertimbangan dari 2 faktor, yaitu hambatan listrik kabel dan kondisi lingkungan kerja. Hambatan listrik kabel perlu diperhitungkan karena dengan adanya hambatan tersebut, hasil pengukuran akan menjadi salah. Hambatan listrik akan mengurangi nilai dari arus yang mengalir dalam kabel, sesuai dengan rumus: Equation 4-5 Dimana:
V = Beda potensial(volt) I = Kuat arus(ampere) R = Besar hambatan(ohm)
Jika nilai dari V adalah konstan(dari power source). Jika Nilai R besar, maka nilai I akan kecil. Nilai dari arus yang masuk ke kabel akan berbeda dengan nilai arus yang 133
keluar(Imasuk > Ikeluar). Jika Imasuk kecil sekali, bagaimana dengan Ikeluar-nya? Bisa saja arus yang dialirkan hilang di tengah kabel sehingga tidak sampai pada komponen berikutnya. Hal ini tentunya sangat penting dalam LCR, karena listrik yang dipakai potensialnya diusahakan sekecil mungkin untuk menghindari elektrolisis dan bahaya ledakan dari liquid. Nilai dari hambatan listrik kabel ditentukan oleh beberapa faktor: • Jenis kabel, Jenis kabel yang dipakai akan mempengaruhi nilai hambat jenis kabel penghubung. Nilai hambat jenis ini merupakan karakteristik unik suatu bahan dan nilainya tetap kecuali jika bahan tersebut tidak diganti. • Dimensi kabel, Dimensi kabel meliputi panjang kabel dan diameter kabel. Nilai hambatan akan berbanding lurus dengan panjang kabel dan berbanding terbalik dengan diameternya. Maka supaya nilai hambatannya kecil, diusahakan sedapat mungkin kabel penghubungnya pendek dan berdiameter besar dengan mempertimbangkan juga faktor ekonomisnya. Namun kadangkala jika posisi komponen-komponennya jauh satu dengan lainnya(misalnya elektroda berada di tangki dan alat penunjuknya di ruang kontrol, sedangkan jarak tangki dan ruang kontrol relatif jauh), maka harus membutuhkan kabel yang panjang sehingga hambatannya besar. Hal ini dapat ditanggulangi dengan membesarkan ukuran diameternya yang juga harus mempertimbangkan faktor ekonomisnya. • Suhu, Telah diketahui bahwa suhu juga dapat mempengaruhi nilai hambatan suatu kabel. Untuk logam biasa(bukan semi-konduktor), kenaikan suhu akan menyebabkan nilai hambatan naik. Suhu yang dimaksud di sini adalah suhu dari lingkungan kerja LCR.
Kondisi lingkungan kerja yang perlu diperhitungkan adalah ada tidaknya faktor-faktor yang dapat menyebabkan kerusakan dan mempengaruhi kinerja dari kabel penghubung. Pada lingkungan yang banyak mengandung zat-zat yang bersifat korosif, tentunya dapat mempengaruhi karakteristik kabel. Hal ini biasanya ditanggulangi 134
dengan mengisolasikan kabel dengan suatu bahan yang dapat menahan faktor-faktor luar tersebut.
Penunjuk hasil pengukuran Device penunjuk hasil pengukuran pada LCR dapat berupa macam-macam alat. Lampu dengan berbagai macam warna, alarm speaker, digital maupun analog output dapat digunakan tergantung dari jenis relay yang digunakan. Hal yang perlu diperhatikan adalah kalibrasi dari alat penunjuk dan kemampubacaan yang baik sehingga menunjukkan hasil yang tepat.
Elektroda/probe Elektroda atau probe merupakan bagian terpenting dari LCR. Fungsi elektroda ini adalah sebagai sensor untuk mengetahui perubahan hambatan dari liquid. Bentuk fisik dari elektroda sebenarnya hanya sebatang logam yang mampu menghantarkan listrik. Prinsip kerja dari elektroda adalah mengalirkan arus listrik dari satu elektroda ke elektroda lainnya dengan media alirnya adalah zat yang ada di antara kedua elektroda tersebut. Zat tersebut tentunya mempunyai suatu hambatan listrik. Dengan demikian, arus yang keluar akan lebih kecil dibandingkan arus yang masuk. Nilai arus ini menunjukkan nilai hambatan dari zat. Sedangkan nilai hambatan zat dipengaruhi oleh level-nya dalam tangki. Maka nilai arus menunjukkan level dari zat tersebut di dalam tangki. Jenis elektroda yang digunakan bermacam-macam. Pemilihan elektroda yang tepat dapat meningkatkan range efektif(range efektif adalah interval efektif yang dapat diukur oleh suatu instrumen) dari instrument. Dari jumlah elektroda yang digunakan, dapat diklasifikasikan menjadi: • Single probe, Jumlah yang digunakan 1 buah elektroda. Biasanya elektroda pasangannya adalah dinding dari tangki(dinding tangki harus berupa bahan logam konduktif). • Dual probe, Jumlah elektroda yang digunakan adalah 2 buah. 135
Sedangkan dari jenis arus yang digunakan, dapat diklasifikasikan: • Elektroda AC • Elektroda DC
Tipe dari AC probe yang umum digunakan adalah voltage divider AC probe dan isolation probe.
Gambar 4-23 Isolation Probe and Voltage AC Probe
Voltage-divider AC probe menggunakan kapasitor untuk mengurangi voltase yang masuk ke tingkat yang bisa diatur. Voltase input dibagi diantara C1 dan C2 proporsional sesuai dengan reaktansi masing-masing. Sebagian besar voltase di-drop pada C1. Jadi C1 mempunyai reaktansi lebih tinggi daripada C2. Voltase yang tersisa pada C2 cukup kecil untuk menjalankan alat pengukur. Probe jenis ini harus mempunyai impedansi input yang tinggi untuk mencegah loading dari sirkuit pada waktu pengetesan. Impedansi tinggi dapat dibuat dengan menggunakan elemen rectifying bervoltase tinggi pada C1. Elemen ini harganya murah. Sedangkan C2 adalah kapasitor trimmer yang dapat diubah untuk mendapatkan rasio voltase yang sesuai antara C1 dan C2 (biasanya 100 : 1). C3 adalah kapasitor distributif antara konduktor bagian dalam dan konduktor bagian luar. Isolation probe merupakan probe yang berkapasitansi rendah namun berimpedansi tinggi. Nilai dari kapasitor dan resistor diatur supaya sesuai dengan impedansi input. 136
Selain itu juga untuk mengatur rasio voltase yang benar pada semua frekuensi yang diukur. Pengaturan ini secara efektif akan mengurangi efek dari loading. Power source Power source atau sumber energi pada LCR adalah suatu transformator AC atau DC yang berpotensial rendah. Potensial rendah digunakan untuk menghindari kemungkinan terjadinya elektrolisis(jika arus yang digunakan DC) dan juga menghindari bahaya ledakan dari liquid jika liquid yang diukur mudah bereaksi(meledak). Selain itu, dengan output yang rendah, dapat menghemat biaya listrik. Power source yang digunakan harus terlebih dahulu dikalibrasi sehingga output-nya sesuai dengan nilai nominalnya. Jika output-nya terlalu rendah, hasil pengukuran bisa salah dan jika terlalu tinggi, mempunyai potensial bahaya ledakan atau elektrolisis.
4.7.2. Prinsip Kerja Elektroda yang dicelupkan mempunyai resistansi sendiri dari logamnya(Rt). Rt ini merupakan fungsi dari panjang elektroda. Jika ada bagian elektroda yang terendam dalam liquid, maka panjang yang terendam tersebut tidak dihitung lagi, karena arus selanjutnya akan mengalir ke liquid. Dengan pengurangan panjang tersebut, maka nilai resistansi dari elektroda akan berkurang sebesar ∆Rl menjadi Rt’: Equation 4-6 ∆Rl ini merupakan fungsi dari level liquid dalam tangki. Sedangkan nilai Rt adalah tetap tergantung pada elektrodanya. Maka Rt’ juga merupakan fungsi dari level liquid dalam tangki. Keduanya dapat digunakan untuk mengukur level liquid. Nilai Rt’ ini dapat diukur dengan menggunakan ohmmeter atau kombinasi dari power source bervoltase V dan sebuah resistor R1. Sirkuit ini akan mengubah data level menjadi voltase output Vo:
Equation 4-7 137
4.7.3. Perhitungan Matematis dari LCR Elektroda yang dicelupkan mempunyai resistansi sendiri dari logamnya(Rt). Rt ini merupakan fungsi dari panjang elektroda. Jika ada bagian elektroda yang terendam dalam liquid, maka panjang yang terendam tersebut tidak dihitung lagi, karena arus selanjutnya akan mengalir ke liquid. Dengan pengurangan panjang tersebut, maka nilai resistansi dari elektroda akan berkurang sebesar ∆Rl menjadi Rt’: ∆Rl ini merupakan fungsi dari level liquid dalam tangki. Sedangkan nilai Rt adalah tetap tergantung pada elektrodanya. Maka Rt’ juga merupakan fungsi dari level liquid dalam tangki. Keduanya dapat digunakan untuk mengukur level liquid. Nilai Rt’ ini dapat diukur dengan menggunakan ohmmeter atau kombinasi dari power source bervoltase V dan sebuah resistor R1. Sirkuit ini akan mengubah data level menjadi voltase output Vo:
---000---
138
BAB 5 STRAIN GAUGE DAN LOADCELL 5.1. Sensor Gaya Elektrik dan Elektronik Secara khusus, untuk skala dan penyeimbang kapasitas rendah, termasuk penyeimbang yang dipakai di laboratorium-laboratorium, gaya-gaya elektromagnetik dapat digunakan sebagai gaya penyeimbang. Pengukuran gaya ini dapat dengan mudah diterjemahkan ke dalam istilah berat. Walaupun alat-alat elektrik lain sangat sering digunakan dalam pengukuran berat (contoh, transformator diferensial linear atau linear differential transformator), transduser gaya yang umumnya digunakan dalam skala-skala sekarang ini adalah strain gage load cell. Load cell yang digunakan dalam skala-skala industri modern adalah peralatanperalatan pengukuran tegangan presisi (precision strain gage devices) yang mengukur defleksi yang kecil pada kolom load cell atau batang load cell yang disebabkan oleh karena pemberian gaya atau beban. Faktor-faktor berikut adalah faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam memilih bermacam-macam rancangan load cell, yang antara lain meliputi : 1. ketelitian yang diperlukan, 2. kapasitas skala, 3. teknik pemberian beban (dengan tarikan atau pemampatan), 4. jumlah sel-sel yang dibutuhkan, 139
5. kondisi pembebanan, 6. faktor-faktor lingkungan, 7. karakteristik output yang diinginkan, 8. ruang yang tersedia. Instalasi perakitan terdiri dari 2 kategori umum: compression (pemampatan) dan tension (penegangan).
5.1.1. Komponen – Komponen Sistem Dalam aplikasi kontrol, sistem pengukuran beban/berat digunakan pada aplikasi statis dan dinamis. Beberapa sistem sudah maju dalam bidang teknologi, dapat dihubungkan dengan computer (interfacing with computers) untuk penyatuan database (database integration) dan teknik penggunaan dengan dasar-dasar microprocessor untuk input proporsi material dan juga tingkatan masukan (feed rate). Untuk mengirimkan informasi berat atau beban kepada komputer, pengubah sinyal atau signal conditioners digunakan untuk memungkinkan komunikasi langsung dari load cell melalui konversi sinyal analog load cell tersebut ke sinyal digital. Keseluruhan sistem dapat dikonstruksi, satu komponen per satu komponen, dari modul-modul dasar.
Bagian-bagian dari sistem dapat meliputi: •
Load cell
•
Kabel
•
Junction box (menggabungkan sinyal load cell menjadi satu output)
•
Instrumentasi (indikator, signal conditioners, dll)
•
Peralatan peripheral (printer, scoreboards, dll)
5.1.2. Cara Kerja Dasar dari Load Cell Load cell dikelompokkan sebagai transduser gaya (force transducer). Alat ini mengubah gaya atau beban/berat menjadi sinyal elektrik. Strain gage adalah bagian utama dari load cell. Strain gage adalah sebuah alat yang memiliki nilai tahanan yang 140
dapat berubah apabila alat mengalami penekanan.
Gambar 5-1 Contoh Load Cell
Gage-gage tersebut terbuat dari lembaran logam yang sangat tipis yang sudah mengalami pengerjaan panas dan terikat secara kimia pada sebuah lapisan dielektrik yang tipis. Lalu "gage patches" tersebut dipasang atau diletakkan pada elemen regang (strain element) dengan alat perekat yang telah diformulasikan secara khusus. Posisi yang sesuai dari gage, prosedur pemasangan (mounting procedure) dan material yang digunakan semuanya memiliki efek yang dapat diukur pada unjuk kerja keseluruhan dari load cell tersebut. Setiap gage patch terdiri dari satu atau lebih kabel ,baik yang terlekat pada permukaan batang penahan (beam), cincin (ring), atau column (elemen regang atau strain element) di dalam load cell. Pada saat permukaan dimana gage melekat mulai meregang, kawat pada strain gage memanjang atau memendek sehingga timbul perubahan nilai tahanan yang sesuai atau proporsional dengan beban yang timbul atau beban yang diberikan. Satu atau lebih strain gages digunakan dalam pembuatan load cell. 141
Strain gage dalam jumlah banyak disambungkan untuk menciptakan keempat kaki dari konfigurasi jembatan wheatstone. Ketika voltase input dikenakan pada jembatan, timbul tegangan output yang proporsional atau sesuai dengan beban yang ditimbulkan atau diberikan. Output ini dapat diperkuat dan diproses dengan menggunakan peralatanperalatan elektrik konvensional.
5.1.3. Strain Gage Strain gage adalah bagian yang sangat penting dari sebuah load cell. Fungsi dari strain gage adalah untuk mendeteksi besarnya perubahan, dalam hal ini berupa dimensi jarak, yang disebabkan oleh suatu elemen gaya. Strain gage menghasilkan perubahan nilai tahanan yang proporsional dengan perubahan panjang atau jarak (length). Pada umumnya strain gage dipasang sebagai bagian dari rangkaian jembatan Wheatstone untuk aplikasi sirkuit elektrik.
Gambar 5-2 Contoh Strain Gage
Ada dua tipe dasar strain gage, yaitu yang terikat (bonded) dan yang tidak terikat (unbonded). Bonded strain gage seluruhnya terpasang pada elemen gaya (force member) dengan menggunakan semacam bahan perekat. Selagi elemen gaya tersebut meregang, strain gage tersebut juga memanjang. Unbonded strain gage memiliki salah satu ujung yang dipasang pada elemen gaya dan ujung satunya dipasang pada pengumpul gaya (force collector). Setiap perubahan panjang, baik pada bonded maupun unbonded gage menyebabkan perubahan nilai tahanan listrik. Strain gage dibuat dari logam dan bahanbahan semikonduktor. Strain gage sangat akurat, bisa digunakan baik pada arus searah 142
(d.c.) maupun arus bolak-balik (a.c.) dan memiliki respons statis dan dinamis yang sangat bagus. Sinyal yang dihasilkan oleh strain gage sangat lemah, tetapi kelemahan ini dapat diperbaiki dengan menggunakan peralatan bantu yang baik.
5.1.4. Kompensasi Strain Gage Regangan (strain or shear) diakibatkan oleh karena pengindera tegangan pada elemen kawat atau kristal pada strain gage. Setiap elemen yang aktif menunjukkan perubahan nilai tahanan listrik yang semuanya dapat dijumlah di dalam sirkuit jembatan Wheatstone.
Gambar 5-3 Sirkui Kompensasi Strain Gage
Perbandingan antara perubahan nilai tahanan listrik dengan nilai tahanan listrik elemen yang tidak mengalami regangan disebut dengan gage factor. Rumus gage factor
Equation 5-1 GF
= gage factor 143
ΔR
= perubahan nilai tahanan
R
= nilai tahanan elemen yang tidak mengalami regangan
ΔL
= perubahan panjang elemen
L
= panjang elemen yang tidak mengalami regangan Setiap jenis gage memberikan gage factor yang berbeda. Gage factor sangat
penting agar dapat menghasilkan rancangan transduser yang sesuai. Perubahan sinyal dengan amplitudo yang tinggi merupakan suatu karakteristik yang baik, asalkan karakteristik-karakteristik unjuk kerja lainnya seperti tingkat kepekaan terhadap temperatur dapat diterima sesuai dengan pengukuran. Berikut ini adalah perbandingan gage factors dari berbagai jenis strain gage:
Table 5-1 Perbandingan Gage Factor Berbagai Jenis Strain Gage
5.1.5. Strain Gage dan Pengukuran Perubahan Tahanan Yang Kecil Strain gage adalah kawat penghubung yang tahanannya berubah dengan jumlah yang kecil ketika diperpanjang atau diperpendek. Perubahan dalam panjang adalah kecil, sekitar seperjuta inci. Strain gage diikat kesebuah struktur sehingga persen perubahan panjang dari strain gage dan struktur itu menjadi sama. Panjang aktif dari gage terbentang sepanjang sepanjang sumbu melintang. Strain gage ditempelkan sehingga sumbu melintangnya terbentang pada arah yang sama dengan gerakan struktur yang akan diukur. Perpanjangan batang disebabkan 144
tarikan memperpanjang konduktor strain gage dan meningkatkan tahanannya. Tekanan mengurangi tahanan gage karena panjang normal strain gage berkurang. Strain gage terbuat dari paduan logam seperti konstantan, Nichrome V, Dynaloy, Stabiloy, atau paduan platina. Untuk kerja pada temperatur tinggi bahan tersebut dibuat dalam bentuk kawat. Untuk temperatur moderate strain gage dibuat dengan membentuk paduan metal kedalam lembaran yang tipis dengan proses fotoetsa ( pengetsaan cahaya ). Hasil produknya dinamakan foil strip type strain gage dan sebuah jenis contoh ditunjukkan pada lampiran (1.a).
5.1.6. Pemakaian Strain Gage Data Produsen biasanya memberi spesifikasi tahanan gage yang tidak diregang R. jika data R telah diukur, rasio ∆R/R dapat dikalkulasi. Produsen juga melengkapi gage faktor ( GF ) tertentu untuk tiap gage. Gage faktor adalah rasio dari persen perubahan dalam tahanan dari sebuah gage ke persen perubahan panjangnya. Persen perubahan ini mungkin juga bisa dinyatakan dalam bentuk desimal. Jika rasio ∆R/R dibagi oleh Gage faktor, hasilnya adalah rasio turunan panjang gage ∆L terhadap panjang awal. Tentu saja struktur dimana gage dipasang adalah ∆L/L. Rasio ∆L/L dinamakan unit strain. Unit strain adalah data yang dibutuhkan oleh insinyur teknik mesin yang dikembangkan dari pengukuran ∆L. Para insinyur tersebut menggunakan data unit strain ini bersama-sama dengan karakteristik yang diketahui dari struktur bahan (modulus elastisitas) untuk menemukan tegangan pada batang. Tegangan adalah sejumlah gaya yang diberikan terhadap satu unit luas.
5.1.7. Penempelan Strain Gage Sebelum menempelkan strain gage pada permukaan batang yang akan ditempel harus dibersihkan dahulu dengan pasir & dicuci dengan alkohol, freon, atau metiletil keton (MEK). Gage dikencangkan secara permanen pada permukaan dengan 145
menggunakan Eastman 910, epoxy, Polymide adhesive, atau semen keramik.
5.1.8. Perubahan Tahanan Pada Strain Gage Pada strain gage terjadi perubahan tahanan R yang akan diukur dan perubahan ini biasanya kecil. ∆R memiliki harga sangat kecil. Untuk mengukur tahanan pertama kita harus menemukan cara untuk mengkonversikan perubahan tahanan menjadi sebuah arus atau tegangan unutk ditampilkan pada ammeter atau voltmeter. Jika kita harus mengukur sebuah perubahan tahanan yang kecil kita akan memperoleh perubahan tegangan yang kecil pula. Sebagai contoh, jika kita mengalirkan arus sebesar 5 mA melalui sebuah strain gage bertahanan 120 Ω tegangan yang melintasi gage akan dihasilkan 0,6 V. jika tahanan berubah sebesar 1 mΩ, tegangan akan berubah menjadi 5 µV. untuk menampilkan perubahan itu, kita akan butuh untuk memperkuatnya dengan sebuah faktor pengali, misalnya, 1000 x 5 mV. Kita juga memperkuat 0,6 V dikalikan 1000 untuk memperoleh 600 V + 5 mV. Karena sangat susah untuk mendeteksi perbedaan 5 mV dalam sebuah sinyal sebesar 600 V. Oleh karena itu kita membutuhkan sirkuit yang memungkinkan kita untuk hanya memperkuat perbedaan dalam tegangan yang melintasi strain gage disebabkan oleh perubahan tahanan. Solusinya ditemukan dalam Bridge circuit.
5.1.9. Proses Peningkatan Tegangan Pada Strain Gage Amplifier Pada starain gage amplifier penigkatan tegangan diperlukan agar perubahan tahanan dalam bentuk perubahan tegangan yang sangat kecil dapat dibaca pada display. Dari bridge sirkuit didapatkan perubahan tegangan yang kemudian diteruskan ke opamps. Misalnya : V input = 100 mV dengan perubahan tahanan
Equation 5-2 waktu pengukuran adalah t = 0,5s, maka keluaran adalah : 146
Equation 5-3 keluaran dari integrator kedua sebagai berikut
Equation 5-4
Equation 5-5
5.2. Load Cell Load cell digunakan pada hampir semua sistem elektrik pengukuran berat/ beban. Sebuah load cell adalah suatu alat transduser yang menghasilkan output yang proporsional dengan beban atau gaya yang diberikan/diaplikasikan. Load cell dapat memberikan pengukuran yang akurat dari gaya dan beban. Load cells digunakan untuk mengkonversikan regangan pada logam ke tahanan variabel (variable resistance). Konfigurasi bridge dari strain gauges memungkinkan load cell tersebut menghasilkan output yang berupa tegangan tingkat rendah (low-level voltage) yang nilainya tergantung pada nilai tegangan input (yang dipertahankan pada level yang konstan dan stabil) dan besarnya regangan atau beban yang diberikan pada load cell tersebut. Pada kondisi beban penuh, nilai nominal tegangan output dengan menggunakan input tegangan bernilai 10 volt d.c. adalah berkisar antara 20 milivolt sampai 30 milivolt. Jenis cell yang akan digunakan tergantung dari rancangan mekanis, beban maksimum dan efek sampingan pembebanan (side loading effect). Load cell dapat diklasifikasikan dari pelindung lingkungannya. Penggolongan ini meliputi: 1. Penyegelan secara hermetik. 2. Dilindungi dari faktor-faktor lingkungan 147
3. Lingkungan yang terkontrol. Hermatik yang benar membutuhkan konstruksi load cell yang menggunakan hanya konstruksi logam ke logam atau kaca ke logam untuk melindungi konstruksi internal load cell. Dengan menggunakan proses penyatuan dengan pengelasan atau solder. Load cell dapat dibuat kedap gas dan tahan air. Load cell yang diberi perlindungan terhadap faktor-faktor lingkungan memakai beberapa tipe potting material, yang biasanya berupa suatu material tipe karet yang fleksibel dan/atau perlindungan anti-air, seperti sedikit neoprene diatas daerah strain gage dari load cell tersebut. Controlled environment load cells membutuhkan pengamanan dari lingkungan dimana disain ini tidak menggunakan pelapis pada bagian elektrik dari cell. Biasanya tipe cell ini mempunyai hanya satu pelapis penahan debu di sekeliling daerah gage (gaged area). Load cells umumnya digunakan pada skala tipe platform. Pada dasarnya cell diapit oleh dua lempengan baja. Cell tersebut dipasangkan dengan lempengan atas dan bawah menggunakan rigid bolt. Ukuran nominal dari lempengan tersebut berkisar dari 10 inci persegi untuk kapasitas ringan, dan sampai 28 inci persegi untuk cell yang berkapasitas lebih besar. Dikarenakan efek side loading telah dapat dihilangkan, kurang lebih 25% dari kapasitas dapat ditempatkan pada ujung luar dari lempengan.
Gambar 5-4 Contoh Load Cell
Setiap load cell harus diperiksa apakah ada kerusakan fisik. Lakukan inspeksi 148
yang teliti pada setiap kabel. Untuk itu perlu dilakukan pengujian-pengujian sebagai berikut, Pengujian 1: Inspeksi Mekanis Periksa apakah ada distorsi atau keretakan pada setiap permukaan logam. Permukaan flexure harus paralel satu sama lain dan tegak lurus pada kedua permukaan ujung. Apabila load cell tersebut mengalami deformasi fisik, maka sudah tidak dapat diperbaiki lagi. Konsultasikan pada spesialis pengukuran untuk informasi mengenai aplikasi load cell.
Pengujian 2: Zero Balance Perubahan pada "kesetimbangan nol" atau "zero balance" disebabkan karena tegangan sisa pada "daerah penginderaan" atau "sensing area" dari flexure. Tegangan sisa terjadi sebagai akibat dari kelebihan beban (overload) pada load cell, dan/atau dari siklus pemakaian yang berjumlah jutaan. Dengan milivoltmeter, ukur output load cell pada kondisi tanpa beban (no load). Output yang dihasilkan seharusnya berada pada ± 10% dari output rata-rata (rated output). Selalu konsultasikan dengan spesifikasi-spesifikasi yang telah diterbitkan untuk mendapatkan nilai elektronis yang sesuai. Contoh Apabila output load cell tertentu = 2 mV/V dengan power supply output = 10 V, maka output dengan skala penuh bernilai 20 V. Apabila zero balance untuk load cell tersebut adalah ± 10 % dari rated output, maka pembacaan nol (zero reading) seharusnya berada pada ± 2 mV/V. Apabila output lebih besar dari toleransi zero balance, maka load cell tersebut rusak. Apabila pembacaan nol melebihi toleransi zero balance dan masih berada di bawah 50% dari output skala penuh, maka load cell tersebut bisa "di-nol-kan kembali" (rezeroed) secara elektronis. Apabila pembacaan nol terletak di antara 50 - 100%, load cell tersebut dapat di-nol-kan kembali tetapi tidak ada jaminan bahwa load cell tersebut tetap 149
memiliki spesifikasi awalnya. Apabila suatu load cell mengalami perubahan skala penuh zero balance lebih dari 100%, maka load cell tersebut memerlukan proses re-gauging. Tetapi tindakan ini tidak ekonomis.
Pengujian 3: Bridge Resistance Nilai tahanan bridge yang melebihi toleransi biasanya diakibatkan oleh karena kegagalan suatu elemen kompensasi tertentu. Penyebab lain adalah patahnya atau terbakarnya kawat bridge. Kegagalan-kegagalan ini biasanya merupakan akibat dari perubahan-perubahan listrik atau hubungan pendek. Untuk menguji tahanan bridge, ukur tahanan pada setiap pasang kabel input dan output. Nilai tahanan output biasanya berkisar pada 350 ± 3 ohm. Nilai tahanan input biasanya berkisar pada 415 ± 15 ohm. Kedua nilai tersebut dapat bervariasi, bergantung pada spesifikasi load cell yang telah diterbitkan. Cocokkan load cell tersebut dengan spesifikasi yang telah diterbitkan. Apabila hasil pengujian tidak sesuai dengan spesifikasi yang ada, maka load cell tersebut perlu diperbaiki.
Pengujian 4: Resistance To Ground Aliran arus dari peralatan elektronik load cell ke badan load cell biasanya diakibatkan oleh pencemaran air di dalam rongga-rongga load cell atau pada kabel interface-nya. Untuk menguji adanya kebocoran, hubungkan semua kabel input, kabel output, kabel pengindera, dan kabel ground lalu ukur tahanan antara badan load cell dengan kabel-kabel tersebut dengan megohmmeter. Pastikan bahwa logam pengindera load cell terhubung dengan baik. Hasil pembacaan seharusnya menghasilkan nilai paling kecil 5000 Megohm. Apabila load cell tersebut gagal dalam pengujian ini, lakukan lagi tanpa menghubungkan kabel ground-nya. Apabila load cell tersebut berhasil dalam pengujian ini, maka mungkin ada masalah pada kabel interface load cell tersebut. Tetapi bila pengujian tersebut gagal lagi, maka load cell tersebut perlu diperbaiki. 150
Indeks A
Cuka 23 Cutting oil 22
D
D.M. Considine 58 Damage-prone 39 Aamplify 40, 41 Data acquisition 39 Absorbant 39 Deformasi 5, 7, 11, 12, 98, 102, 149 Actuator 20 Deformasi Actuator elastis 12, 102 lever 20 mekanis 7, 98 Akurasi 35, 36, 45, 49, 58, 69, 76, 82, 83, 84, 96, 98 Demultiplekser 114 Ambien 14 Derajat fraksi 49 Amil Alkohol - 200C 22 Derau 123 Amonia (cair) 22 Desibel 124 Annealed 70 Diesel Oil 22 Anneling 78 Digital 3, 114 Api oksi-hidrogen 69 Disipasi 53 Argon 69 Disipasi Armature 16 Disipasi daya 125 Asam sitrat 22 Drift 69, 108, 122, 123 Aseton 22 ASME 90 E Atmosfir parsial 14 Eenergi Fermi 77 Auotclave 73 Efek Peltier 50, 54, 61 Efek Seebeck 52, 53, 54 B Efek Thomson 50, 52 Barometrik 14 Eksentrik 88 Barton 25 Electromotive force 50, 53, 60 beam 141 Elektrik 3, 139 Beckwith, 1981 1, 3 Emf 50, 51, 52, 53, 55, 56, 57, 59, 60 Bensin 23 Entitas 15 Benyamin Gottlob Hoffman 86 Ethylene elycol 25 Bir 22 Bladed rotor 98 F bonded 41, 142 feed rate 140 Bonded foil 41 Filled system 49 Building Energy Management System 35 Float 93 Buoyancy 93, 131 Floppy 39, 40 Butan 22 Flowmeter 82, 83, 84, 85, 86, 89, 92, 93, 97, 98, 101 C Flowmeter Cairan rem otomotif 22 Turbin flowmeter 92, 98, 102 Catu 109, 112, 113, 114, 125, 126, 127, 129 Force Catu daya SYMBOL 177 \f “Symbol” \s 12 V 125 force collector 142 Chart rekorder 39 force member 142 Clamping screw 69 force transducer 140 Clemens Herschel 86 Fulcrum 20 Commission Industrie Administration Pour La Mesure 66 G Common Mode Rejection Ratio 109, 123 Gage Compact meter body 25 gage factor 143, 144 Compression 140 gage patches 141 Convoluted 15 Galvanometer 68 Corrugated diaphragm 15
Gas alam 23 General purpose welded sheath 72 Giovanni Battista Venturi 86 Glikol 23 Grounded sheaths 73
H Hambatan hambatan jenis 53 Hampa 9, 15, 30 Head-mounting terminal assemblies 73 Heavy-duty 17 Herschel 91 Hidrogen 23 Hidrolik 3, 105 Histeresis 20 Holman 3, 9, 10, i Hub 101 Hughes 107 Hukum Fourier 52 Hybrid compensation network 45 Hydraulic counterforce 105 Hydraulic oil 23 Hysteresis 17
I Industrial Pressure Switch 17, 18, 23, 25 Integral zero 27 Internasional Practical Temperatur Scale 59 INTR 114, 115
J Jembatan wheatstone 45, 142 John Bernouli 86 Junction 50, 53, 54, 68 Junction box 140
K Kapasitansi 5, 80 Kapasitor 5, 114, 122, 123, 127 Kapsul 15, 105 Karbon dioksida kering 22 kawat luncur 3 kendali 1, 2, 103, 104, 114 Konduktivitas termal 52 Konsentrik 88 kontak geser 3 Konverter 55, 113, 114 Korosif 32, 42, 96 Korosi efek korosi 51
L
Lama hubung singkat keluaran 125 Larutan deterjen 23 Larutan plat (krom) 23 Lattice defects 75 LCR 131, 138 Level Control Relay 131 level liquid 137, 138 Linearity 38, 45, 46, 84, 97, 101 linear differential transformator 139 Linear variable differential transformer 15 Load cell 139, 140, 147, 148 Loop 29
M Magnetic pick up coil 102 Malvino 114 Manometer 10, 11 Mechanical shift 99 Mechanical travel 15 MEK 145 Mekanik 3, 94 Metoda Metoda defleksi 67 Metoda pengukur berat 84 Metoda Volumetrik 84 Mineral insulated 74 Mineral oil 23 Minyak pelumas 23 Minyak tanah 23 Moore 25 Multiplekser 114
N Nozzle 85, 91 Nutating-disk 93
O odometer 2 Offset 40, 108, 112, 122, 123 Oil resistant 97 Oksigen hingga 700C 23 Op-Amp 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128 Operational Amplifier 107 Optik 3 Orifice-meter 87 Orifis 82, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91 Orifis-meter 89 osiloskop 2
P Pacpahan 103 Pegas lever 20 Pelat orifis 25, 86, 87, 88, 89, 90, 91 Pengukur diafragma 12
Physiology 40 Piezoelektrik efek piezoelektrik 5 kristal piezoelektrik 5 Pivot 26 Plethysmography 38 Pneumatik 25, 105 PolyVinyl Dene Fluorida 98 Port 14, 36 Potensial termoelektrik 53, 54 Potensiometer 3, 7, 15, 29, 40, 50, 53, 55, 69, 81 Potensiometer tahanan 3, 7 Precision Centigrade Temperature Sensor 128 precision strain gage devices 139 Pressure force summing device 15 Pressure switch 17, 25 Primary device 82 Prinsip termokopel 53 Probe 71, 73 Propeler 86 Proving 84 Pulse Class 85
Safe 2-wire 41 scoreboards 140 Screened PVC cable 97 Sealed gauge 14 Secondary device 82 Segmental 88 side loading effect 147 signal conditioners 140 Sinyal listrik 3, 15, 16 Sir William Siemens 75 Slew rate 108 Slider 15 Snap-in track mounting 26 Sputtered 41 Stainless-steel 35, 36, 42, 45 strain gage load cell 139 Strain gauge, 14 Susu 23 Synchro 16 Systematic error 83
Q
tabung Bourdon 11, 15 Tahap detektor transducer 1 intermediat 1 pembacaan 1 Tank volumetrik 84 Tap 15, 17 Tegangan rapat 25 Tegangan masukan 4, 111, 125 Tegangan masukan diferensial 125 Tekanan absolut 14, 25, 32, 38, 48 mutlak 9 relatif 9 vakum 9 Tembaga sulfat (larutan) 22 Temperatur kaki 125 tension 140 Termo-onggok 55 Termoelektrik 49, 52, 58, 64 Termoelektrik hukum termoelektrik 50, 51 Hukum Termoelektrik Hukum kehomogenan 62 Hukum logam perantara 62 termometer termometer digital 2 Termopil 55 Termostat 104, 105 Terpentin 23 Thermoelectric power 53 Thermowell extension pieces 73
Quadrant-edge 89 Quartz 97
R Raise of fall times 97 Random error 83 Rangkaian penyangga 128 Rectilinear 16 Reference junction 50 Regangan 7, 8, 12, 14, 33, 37, 42, 45, 75, 76, 78, 143, 144, 147 Reinhard Woltman 86 Rekorder 3 Relatif gerakan relatif 2 Relay 3, 104, 105, 107, 131 Reluctance pickup 92 Repeatibility 97 Resistansi 14, 15, 75, 78, 79, 137, 138 Resistif 14 Resistor geser 14 Resolver 16 Resonator kuarsa 26 Restriction jet 96 Reynolds 89 RF-proximity 101 Rim 101 ring 141
S
T
Transducer All purpose transducer 45 Transformator Diferensial 139 Transformer 16 Transmitter 29, 35, 41
U Ubub 15, 25, 26 Udara mampat 22 Ukur Mengukur 1, 35 Pengukuran 1, 7, 9, 10, 11, 12, 17, 25, 29, 33, 35, 36, 38, 39, 41, 45, 48, 49, 50, 51, 55, 59, 60, 64, 67, 73, 75, 76, 77, 80, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 89, 90, 93, 94, 98, 101, 102, 103, 105, 106, 113, 139, 140, 144, 145, 146, 147, 149 unbonded 142
V Vacancy defects 78 variable resistance 147 Vented gauge 14 Venturi 3, 25, 85, 86, 87, 90, 91 Venturimeter 90, 91 Viscous drag 101 Volumetric flow rate 93
W Wafer 39 Wind-tunnel 48 Wire-wound rotary trimmer 16 WR 114, 115
AUTHOR OF THE BOOKS 1. Bahasa Komputer Pascal (Pascal Computer Language), 1986, Penerbit Ganesha Exact Bandung. 2. Aliran Dua Fase dan Fluks Kalor Kritis (Two Phase Flow and Critical Heat Flux), 1993, Pradnyaparamita, Jkt. 3. Coal and its prospect in Indonesia, 1997. ISBN 979-8427-04-1. 4. Perpindahan Kalor Konveksi, (Convective Heat Transfer), 1997. ISBN 979-8427-084. 5. Kondenser Untuk PLTU (Condenser for Power Plant), 1997. ISBN 979-8427-05-X. 6. Perpindahan Kalor Radiasi (Radiative Heat Transfer), 1997. ISBN 979-8427-07-6. 7. Pengukuran Teknik 60 Soal dan Jawab (Engineering Measurement 60 problems and solution), 1998. ISBN 979-8427-04-X. 8. Konduktivitas Kalor Zat Padat, Cair dan Gas (Thermal Conductivity of Solid, Liquid and Gas), 1998. ISBN belum ada. 9. Studi Praktis Kebijaksanaan Migas Berdasarkan Studi dan Penelitian (Practical Study of Oil and Gas Policies based on Research), 1996. 10. Perpindahan Kalor untuk Mahasiswa Teknik (Heat Transfer for Engineering Student), 1999. 11. Penyelesaian Soal P. Kalor (Solution for Heat Transfer Problem), Vol-1, 1999.
