Pada bab ini penulis menguraikan proses yang terjadi pada filter press, penggunaan Resistance Pressure Transmitter dalam proses squeezing, dan analisa data. BAB V
: KESIMPULAN DAN SARAN Pada bab ini berisikan kesimpulan dan saran. BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II.1
Pengertian Tekanan Tekan didefinisikan sebagai besarnya gaya untuk tiap satuan luas. Oleh
karena itu satuan yang dipakai untuk tekanan merupakan hasil bagi antara satuan gaya dan satuan luas, misalnya kg/cm2, lb/inch2 yang biasanya disingkat psi (pound/square inch) dan lain – lain. Selain bermacam – macam satuan yang dipakai untuk tekanan khusus untuk gas dikenal ada tiga macam tekanan yaitu : a. Tekanan absolute (absolute pressure) Yang dimaksud dengan tekanan absolut (absolute pressure) adalah tekanan gas sebenarnya. Besarnya tekanan absolut dinyatakan dengan psia (pound per square inch absolut). b. Tekanan gage (gauge pressure) Yang dimaksud dengan tekanan gage (gauge pressure) adalah besarnya tekanan suatu gas dibanding dengan tekanan udara luar atau atmosfir. Besarnya tekanan gage dinyatakan dalam psig (pound per square inch gage).
c. Tekanan vakum (vacuum pressure) Yang dimaksud tekanan vakum (vacuum pressure) adalah sama dengan tekanan gage hanya tekanan ini lebih kecil daripada tekanan atmosfir.
II.1.1 Elemen – elemen Sensor yang Biasa Digunakan Dalam Mengukur Tekanan Elemen – elemen yang biasa digunakan untuk mengukur baik tekanan absolut, gage, vakum, maupun beda tekanan (differential pressure) yaitu : 1. Elemen kolom cairan Dengan elemen kolom cairan ini, tekanan yang akan diukur dapat ditentukan dengan mengetahui tinggi dan berat jenis cairan. Seperti diketahui besarnya tekanan yang diberikan oleh cairan setinggi h adalah : P= ρ ×g×h dimana : P = tekanan h
= tinggi cairan
(2.1)
(N/m2) (m)
ρ = masss jenis cairan
(kg/m3)
g = gravitasi
(m/s2)
Pengukur tekanan dengan menggunakan elemen kolom cairan diantaranya: a. Barometer Barometer khusus dipakai untuk mengukur tekanan atmosfir. Suatu tabung gelas berisi cairan dan dicelupkan kedalam bak yang berisi cairan yang sama. Ujung atas tabung divakumkan dan kemudian
ditutup. Cairan yang biasa dipakai adalah air raksa. Air raksa didalam tabung akan turun, tetapi tidak terus sampai habis karena adanya tekanan atmosfir yang mengimbangi tekanan air raksa dalam tabung seperti terlihat pada gambar 2.1. Dengan mengukur tinggi air raksa h didalam tabung, tekanan atmosfir dapat ditentukan : Pa ≈ h
(cm Hg)
(2.2)
Perlu diketahui bahwa sebenarnya tekanan diatas air raksa didalam tabung tidak vakum sama sekali, tetapi ada tekanan uap air raksa yang mana besarnya kecil sekali yaitu sebesar 0,0012 mm Hg pada temperatur kamar (20°C).
Gambar 2.1 Barometer
b. Manometer Pipa U Pipa yang berbentuk huruf U yang bentuk ujungnya tertutup dan vakum seperti terlihat pada gambar 2.2 dapat dipakai untuk mengukur tekanan absolut. Seperti pada barometer, maka besarnya tekanan absolut yang dihubungkan dengan kaki terbuka adalah seperti rumus 2.1 diatas yaitu P= ρ ×g×h
Cairan yang dipakai tidak harus air raksa, ini tergantung pada daerah tekanan yang akan diukur. Untuk tekanan yang tinggi dipakai cairan – cairan yang besar (berat jenisnya besar) sedangkan untuk cairan yang ringan dipakai untuk mengukur tekanan yang rendah. Untuk mengukur perbedaan tekanan dipakai manometer pipa U yang kedua ujungnya terbuka seperti terlihat pada gambar 2.3 Perbedaan tinggi cairan dapat dilihat pada skala yang diletakkan diantara kedua kaki manometer.
Gambar 2.2 Manometer Pipa U Tertutup
Gambar 2.3 Manometer Pipa U Terbuka
c. Manometer Lonceng (Bell Manometer) Pada gambar 2.4 terlihat manometer lonceng (bell manometer) untuk mengukur tekanan gage. Tekanan yang diukur dimasukkan ke dalam lonceng (sungkup) melalui suatu pipa saluran. Bila luas bagian dalam lonceng adalah A, maka gaya yang mendorong lonceng keatas adalah : F=P×A dimana : F = gaya
(2.3) (N)
P = tekanan
(N/m2)
A = luas penampang
(m2)
Gaya ini menyebabkan pegas bergerak sejauh s. Bila konstanta pegas adalah K maka menurut hukum Hooke : F=K×s dimana : K = konstanta pegas s = jarak
(2.4) (N/m) (m)
Dari dua persamaan ini akan didapat : P=
K×s A
(2.5)
Jadi dengan mengukur h dapat diketahui besarnya tekanan yang akan diukur. Dengan pertolongan engsel dan jarum penunjuk, besarnya tekanan ini dapat langsung dibaca pada skala.
Gambar 2.4 Manometer Lonceng (Bell Manometer)
2. Elemen Elastis Terdapat tiga macam elemen elastis yang biasa dipakai untuk mengukur tekanan yaitu : a. diafragma b. bellow c. tabung bourdon Masing – masing dari ke tiga elemen elastis tersebut mempunyai daerah pengukuran tertentu. Elemen – elemen ini dipakai pada daerah elastisnya
sehingga masih tetap mengikuti hukum Hooke, defleksi sebanding dengan gaya atau tekanan yang menyebabkannya. Jadi dengan mengukur defleksinya tekanan yang akan diukur dapat diketahui.
a. Diafragma Diafragma pada dasarnya adalah lembaran datar dan tipis yang terbuat dari logam. Diafragma datar (flat diaphragm) seperti terlihat pada gambar 2.5.a dibawah mendefleksi sesuai dengan hukum – hukum pada umumnya yang dapat diaplikasikan ke lembaran datar untuk kondisi – kondisi muatan simetris. Bentuk dasar dari diafragma datar adalah sebuah jaringan datar yang dijepit pada bagian pinggirnya. Disini diafragma dipakai untuk mengukur beda tekanan. Tetapi defleksi yang terjadi akibat perbedaan tekanan ini kecil sekali sehingga sensitivitasnya juga kecil. Diafragma bergelombang (corrugated diaphragm) terdiri dari gelombang – gelombang atau lekuk – lekuk bundar seperti terlihat pada gambar 2.5.b dibawah. Bentuk ini bertujuan untuk meningkatkan kekerasan serta daerah efektif daripada diafragma, dengan demikian memberikan defleksi yang lebih besar daripada diafragma datar. Bentuk yang bergelombang menyebabkan
sensitivitas yang lebih
besar daripada diafragma datar. Selain kedua macam diafragma diatas yang merupakan diafragma tunggal (Single diapraghm), terdapat juga diafragma ganda (double
diapraghm) yang biasa disebut kapsul seperti terlihat pada gambar 2.5c. Sensitivitas kapsul lebih besar dibandingkan dengan diafragma tunggal. Untuk mendapatkan sensitivitas yang lebih besar lagi, beberapa kapsul di jadikan satu. Pengukuran tekanan gage ini lengkapi dengan pembatas atas dan pembatas bawah sehingga terhindar dari kerusakan apabila mendapat tekanan yang terlalu besar atau terlalu kecil. Bahan – bahan yang biasa dipakai untuk untuk diafragma adalah alloy metal elastis seperti kuningan, perunggu, phospohor, tembaga berrylium, stainless steel. Selain diafragma logam terdapat juga bukan logam yang biasa terbuat dari kulit sutra, teflon dan neoprene.
Gambar 2.5 Elemen Perasa Tekanan (a) diafragma datar; (b) diafragma bergelombang; (c) kapsul; (d)bellows; (e) tabung lurus; (f) tabung bourdon C; (g) tabung bourdon twist; (h) tabung bourdon helical (i) tabung bourdon spiral.
b. Bellow Pada gambar 2.5.d diatas terlihat bellow yang dipakai untuk mengukur tekanan gage (gauge pressure). Bellow juga dibuat untuk logam – logam yang dipakai untuk membuat diafragma. Daerah pengukuran bellow lebih tinggi daripada diafragma karena dapat dipakai untuk mengukur tekanan rendah. Elemen perasa tabung lurus seperti terlihat pada gambar 2.5.e diatas digunakan dalam desain tertentu untuk mengukur tekanan. Tabung dengan salah satu ujung disegel maka akan menyebabkan perubahan – perubahan tekanan yang akan dikirimkan ke ujung yang lain yang terbuka. Pergeseran ini ditransduksikan sebagai strain maupun sebagai perubahan – perubahan dalam frekuensi resonan tabung. c. Tabung Bourdon Tabung bourdon dibuat dari tabung yang pipih. Prinsip kerja tabung bourdon ini adalah bila terdapat perbedaan tekanan di dalam dan di luar tabung maka akan terjadi gaya keluar atau ke dalam karena luas permukaan dan dalam dari tabung bourdon berbeda. Tabung bourdon bentuk C seperti terlihat pada gambar 2.5.f diatas dibawah memiliki sudut lekukan antara 180° dan 270° dan ujung bagian kearah luar dengan tekanan yang meningkat.
Jenis – jenis tabung bourdon yang lain yaitu tabung bourdon twist, tabung bourdon helikal, tabung bourdon spiral dapat dilihat pada gambar 2.5.g sampai dengan 2.5.i diatas.
II.2
Metoda Pengukur Tekanan Yang Lain Selain elemen – elemen diatas yang digunakan untuk mengukur tekanan,
juga digunakan metoda yang lain seperti metoda kompresi gas seperti pada manometer McLeod, metoda tahanan listrik berdasarkan jembatan Wheatstone dengan menggunakan Strain – gage. Semua cara pengukuran diatas akan dibahas dibawah ini.
II.2.1 Manometer McLeod Manometer (Gage) McLeod dipakai untuk mengukur tekanan yang sangat rendah (vakum). Disini dipakai metoda kompresi gas. Pada gambar 2.6.a telihat McLeod gage dalam keadaan sebelum terpakai. Karena dihubungkan dengan tekanan vakum, maka semua ruangan diatas cairan mempunyai tekanan yang sama dengan tekanan vakum yang diukur. Kemudian diputar 90°C sehingga kedudukannya seperti terlihat pada gambar 2.6.b. Permukaan pada empat kakinya mempunyai tendensi untuk sama tinggi. Tetapi karena didalam pipa ukur sudah ada gas yang bertekanan P1, maka tinggi cairan disini lebih rendah. Perubahan volume gas (kompresi) ini yang menyebabkan tekanan gas berubah. Misalnya
volumenya berubah menjadi V2 dan tekanan gas berubah. Misalnya menjadi P2, maka menurut hukum Boyle : P1V1 = P2V2
(2.6)
dimana : P1 = tekanan awal
(N/m2) V1 = volume awal
(m3)
P2 = tekanan akhir
(N/m2) V2 = volume akhir
(m3)
Selain itu terlihat dari gambar bahwa : P= ρ ×g×h V=h×A
(2.7)
Jadi P v = ( ρ × g × h) (h × A) P
=
ρ×g×A V
(2.8)
× h2
(2.9)
Dengan membuat skala kuadratis maka akan dapat langsung diukur tekanannya.
a
b
Gambar 2.6 Manometer McLeod (a) manometer Mcleod sebelum terpakai (b) manometer Mcleod setelah terpakai dan diputar 90
0
II.2.2 Strain –gage Pengukuran tekanan dengan metoda tahanan listrik mengubah besaran yang diukur menjadi tahanan. Strain-gage adalah salah satu elemen yang mengubah pergeseran mekanis yang diberikan dalam hal ini adalah tekanan
menjadi tahanan. Strain-gage merupakan sebuah alat berbentuk lembaran tipis yang dapat disatukan ke berbagai bahan guna mengukur regangan yang diberikan kepadanya. Strain-gage logam dibuat dari kawat tahanan berdiameter tipis. Tahanan dari kawat atau logam ini berubah terhadap panjang jika bahan pada mana gage disatukan mengalami tarikan atau tekanan (kompresi). Perubahan tahanan ini sebanding dengan regangan/tekanan yang diberikan, ini meliputi dua atau empat lengan dari strain-gage yang berfungsi sebagai jembatan wheatstone sehingga keluarannya diubah menjadi tegangan seperti pada gambar 2.7. Pada arah keatas menyebabkan tahanan bertambah, sedangkan pada arah kebawah menyebabkan tahanan menjadi berkurang pada lengan jembatan. Prinsip dari pengukuran ini adalah bentuk yang khusus dari pengukuran tahanan dengan menggunakan strain-gage.
Gambar 2.7 Strain-gage
II.2.2.1 Komponen Strain-gage Elemen perasa dari strain-gage terdiri dari komponen kawat logam atau timah yang memiliki perubahan dalam deformasi. Perbandingan yang berdasarkan atas spesimen dan struktur ini mengarah pada elemen yang dipakai dalam aplikasi penggunaannya,yang mana elemen tersebut adalah tipis dan mudah patah. Dalam hal pengiriman, penyimpanan dan penempelan pada spesimen ini harus benar – benar diperhatikan agar dapat dihubungkan secara kelistrikan pada besaran yang
diukur oleh alat instrumen. Strain-gage ini terdiri dari bagian – bagian yang ditunjukkan dalam gambar 2.8 dibawah ini yaitu : (1) permukaan spesimen, (2) ikatan efektif antara gege dan spesimen, (3) bahan pendukung yang terpasang, (4) elemen pengindraan dasar, (5) konektor, (6) lapisan pelindung yang dikaitkan dan disesuaikan
dengan
kondisi
lingkungan
dimana
strain-gage
digunakan.
Gambar 2.8 Sistem Strain-gage (1) permukaan spesimen; (2) ikatan bahan perekat; (3) lapisan dasar; (4) elemen perasa strain-gage; (5) sistem pewayaran; (6) lapisan pelindung
II.2.2.2 Bentuk – bentuk Strain-gage Bentuk elemen pengindera dipilih menurut regangan yang akan diukur, satu sumbu (uniaksial), dua sumbu (biaksial), atau arah ganda (banyak). Selain itu bentuk strain-gage yang lain adalah strain gage bentuk terikat (bonded straingage) dan strain-gage bentuk tak terikat (unbonded strain-gage) 1. Strain-gage bentuk terikat (bonded strain-gage) Bentuk strain-gage terikat terdiri dari jenis kawat-metal, foil atau semikonduktor yang terikat pada permukaan regangan atau pada lapisan tipis terisolasi seperti pada gambar 2.9 dibawah ini. Ketika permukaan tersentuh, regangan dikirimkan ke jaringan material melalui bahan perekat. Perubahan tahanan listrik dari jaringan menunjukkan indikasi dari regangan.
Gambar 2.9 Konstruksi strain-gage tahanan terikat
Strain-gage tahanan terikat mempunyai keunggulan yang bagus karena relatif tidak mahal, tingkat keakurasian yang bagus kira-kira ± 0,10%, dapat diberikan tekanan yang kecil, tidak terlalu berdampak terhadap perubahan temperatur, bentuknya kecil. Strain-gage tahanan terikat dapat digunakan pada lingkungan yang berbeda-beda, seperti dapat dipasang pada turbin mesin jet yang dioperasikan pada suhu yang sangat tinggi dan pada cairan dengan suhu yang sangat rendah -452°F (-269°C). Strain-gage ini juga mempunyai berat yang ringan dan bentuk yang kecil, sensitivitas yang tinggi dan dapat digunakan pada keadaan statis atau dinamis. Foil elemen dapat digunakan hingga tahanan 120 sampai 5000 ohm, dengan panjang 0,008 inchi sampai 4 inchi. a. Kawat metal Kawat metal terikat telah dipakai pada kedua analisis tegangan (stress) dan transduser. Suatu kisi kawat halus ditempelkan pada permukaan benda yang regangannya hendak diukur. Kawat ditempelkan hingga tidak berkerut, yang dengan demikian akan mengikuti tegangan maupun tekanan benda. Karena bahan dan ukuran kawat sama dengan
pengukur
tak
terikat,
faktor
pengukur
dan
hambatan
dapat
dibandingkan seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.10 Strain-gage kawat-metal terikat b. Foil-metal Pengukur foil metal terikat menggunakan bahan yang mirip atau sama dengan pengukur kawat. Foil-metal terikat banyak dipakai pada sebagian besar pengukuran tegangan dan transduser. Elemen perasa dibentuk dari lembaran-lembaran yang tebalnya kurang dari 0,0002 inci dengan proses etsa-foto (photoetching), yang memungkinkan kelenturan pada bentuknya seperti ditunjukkan pada gambar 2.11 dibawah ini.
Gambar 2.11 Strain-gage foil-metal
c. Semikonduktor Semikonduktor digunakan terutama pada transduser, namun kadangkadang dijumpai pada pemakaian pengukuran tegangan jika regangan sangat kecil. Terbuat dari bagian yang sangat kecil dari kristal silikon yang diproses secara khusus dan tersedia dalam jenis n (negatif) dan jenis p (positif). Semikonduktor jenis p menaikkan hambatan terhadap
regangan tarik dan jenis n menurunkan hambatan. Keunggulannya adalah faktor pengukur yang tinggi sampai 150. Transduser yang didasarkan pada pengukur semikonduktor sering disebut transduser piezoresistif. Sayangnya faktor pengukur yang tinggi diikuti oleh kepekaan temperatur yang tinggi pula, ketidak linearan, dan kesukaran penempatannya. d. Semikonduktor diffus (diffused semiconductor) Semikonduktor diffus digunakan pada proses difusi yang diterapkan pada pembuatan rangkaian terpadu (integrated-circuit). Strain-gage semikonduktor difus menggunakan teknik photolithograpy dan difusi elemen padat dari Boron ke molekul yang terikat dari elemen tahanan. Semikonduktor diffus sering digunakan pada transduser tekanan, karena bentuknya yang kecil, tidak mahal, akurat, dapat digunakan berulang-ulang, dan memberikan sinyal keluaran yang besar. Kekurangannya adalah termasuk sensitivitasnya terhadap perubahan suhu yang dapat digunakan untuk desain transmiter. Pada transduser tekanan misalnya, diafragmanya adalah pemakaian silikon dan efek regangan direalisir dengan memberikan ketidak murnian (impurity) pada diafragma untuk membentuk pengukuran regangan instinsik pada lokasi yang diinginkan penggunaannya. 2. Strain-gage tanpa ikatan (unbonded strain-gage) Strain-gage ini terdiri dari sebuah kerangka diam dan sebuah jangkar yang ditopang pada pertengahan kerangka. Jangkar hanya dapat bergerak dalam satu arah. Gerakannya dalam arah tersebut dibatasi oleh empat filamen
kawat sensitif regangan, dililitkan antara isolator-isolator kaku yang terpasang pada kerangka dan pada jangkar. Panjang filamen-filamen adalah sama dan disusun seperti pada gambar 2.12.a. Bila sebuah gaya luar diberikan terhadap strain-gage, jangkar bergerak dalam arah yang diperlihatkan. Panjang elemen A dan D bertambah, sedangkan panjang elemen B dan C berkurang. Perubahan tahanan dari keempat filamen sebanding dengan perubahan panjang, dan ini dapat diukur dengan sebuah jembatan wheatstone seperti pada gambar 2.12.b. Arus tidak seimbang yang ditunjukkan oleh alat pencatat arus, dikalibrasi agar menunjukkan besarnya perpindahan jangkar. Transduser menjadi sebuah pengukur tekanan jika jangkar dihubungkan kesebuah tiupan logam (metallic bellow), diafragma atau membran.
Gambar 2.12 Strain-gage tidak terikat (a) Prinsip konstruksi (b) rangkaian jembatan wheatstone
Pengukuran regangan secara simultan dalam arah lebih dari satu dapat dilakukan dengan menempatkan gage elemen tunggal pada lokasi yang sesuai. Namun untuk menyederhanakan pekerjaan ini dan untuk menghasilkan ketelitian yang lebih besar tersedia gage elemen dalam ganda atau gage rosette. Rosette dua elemen yang diperlihatkan pada gambar 2.13 sering digunakan dalam transduser gaya. Gage dirangkaikan dalam sebuah rangkaian jembatan wheatstone agar keluaran yang dihasilkan lebih besar. Untuk analisis tegangan geser, elemen-elemen aksial dan melintang bisa memiliki tahanan yang berbeda yang dapat dipilih sehingga gabungan keluaran sebanding dengan tegangan geser sedangkan keluaran dari elemen aksial sebanding dengan regangan. Rosette tiga elemen sering digunakan untuk menentukan arah dan besarnya regangan utama yang dihasilkan dari pembebanan struktural yang kompleks. Jenis yang paling terkenal memiliki simpangan sudut sebesar 45° atau 60° antara elemen-elemen pengindra seperti pada gambar 2.14. Rosette 60° digunakan bila arah regangan utama tidak diketahui. Rosette 45° memberikan resolusi sudut yang lebih besar dan biasanya digunakan bila arah regangan utama diketahui.
Gambar 2.13 Rosette dua elemen (a) tumpukan foil 90°;(b) foil datar 90°;(c) foil geser datar 90°
Gambar 2.14 Rosette tiga elemen (a) foil datar 60°; (b) tumpukan kawat 45° II.2.2.3 Elemen Pengindera Metalik Strain-gage metalik dibentuk dari kawat tipis atau dari lembaran kawat logam tipis. Umumnya, ukuran kawat gage adalah kecil, mengalami kebocoran paling kecil dan dapat digunakan pada pemakaian suhu tinggi. Elemen-elemen foil sedikit lebih besar dalam ukuran dan lebih stabil daripada gages kawat. Mereka dapat digunakan pada kondisi suhu yang ekstrim dan dalam pembebanan yang lama, dan mendisipasikan panas yang diinduksi sendiri dengan mudah. Berbagai jenis bahan tahanan telah dikembangkan untuk pemakaian dalam gagegage kawat dan foil yaitu : 1. Constantan Constantan adalah paduan (alloy) tembaga-nikel dengan koefisien temperatur yang rendah. Biasanya constantan ditemukan dalam gage yang digunakan untuk pengukuran strain dinamik, dimana perubahan level strain tidak melebihi ± 1500 µcm. Batas temperatur kerja adalah 10°C sampai 200°C. 2. Nichrome V Nichrome V adalah paduan nikel-chrome yang digunakan untuk pengukuran strain statik sampai 375°C. Dengan kompensasi temperatur,
paduan ini dapat digunakan untuk pengukuran statik sampai 650°C dan pengukuran dinamik sampai 1000°C. 3. Dynaloy Dynaloy adalah paduan nikel-besi dengan faktor gage yang rendah dan ketahanan yang tinggi terhadap kelelahan. Bahan ini digunakan untuk pengukuran strain dinamik bila sensitivitas temperatur yang tinggi dapat ditolerir. Rangkuman temperatur dari gage dynaloy umumnya dibatasi oleh bahan-bahan pembawa dan semen perekat. 4. Stabiloy Stabiloy adalah perpaduan nikel-chrome yang dimodifikasi dengan rangkuman kompensasi temperature yang lebar. Gage ini memiliki stabilitas yang sangat baik dari temperatur Crygonic sampai 350°C dan ketahanan yang baik terhadap kelelahan. 5. Paduan platina tungsten Paduan platina tungsten memberikan stabilitas yang sangat baik dan ketahanan yang tinggi terhadap kelelahan pada temperatur tinggi. Gage ini disarankan untuk pengukuran uji statik sampai 700°C dan pengukuran dinamik sampai 850°C. Karena bahan ini memiliki koefisien temperatur yang relatif besar, maka untuk memperbaiki kesalahan ini harus digunakan suatu bentuk kompensasi temperatur.
II.2.2.4 Desain Strain-gage Strain-gage digunakan untuk pengukuran pergeseran, gaya, tekanan, perputaran dan berat. Transduser strain-gage biasanya terdiri dari empat lengan
elemen elektrikal yang dihubungkan dengan sebuah rangkaian jembatan wheatstone. Pada gambar 2.15.a dibawah menunjukkan sebuah tiang vertikal ditujukan untuk sebuah gaya pada sumbu vertikal. Sebuah gaya ditempatkan untuk mendukung sebuah kolom deformasi elastis dan mengubah tahanan listrik dari masing-masing lengan strain-gage. Dengan menggunakan sebuah jembatan wheatstone nilai tahanan dapat diukur. Strain-gage yang diikatkan pada sebuah pegas dapat digunakan untuk mengukur gaya seperti pada gambar 2.15.b. Strain-gage dilekatkan pada bagian atas ketika diberikan tegangan dan diletakkan pada bagian bawah ketika diberikan pemampatan atau kompresi. Transduser dilekatkan pada sebuah rangkaian wheatstone dan digunakan untuk menentukan gaya yang diberikan. Strain-gage juga digunakan pada dunia industri pada transmiter tekanan (pressure transmitter). Gambar 2.15.c menunjukkan bellow sebuah sensor tekanan yang mana tekanan referensi diberikan pada sisi sebelah kanan bagian dalam dari bellow, dan sisi sebelah kiri diberikan tekanan proses. Ketika terjadi perbedaan antara dua tekanan, maka elemen perasa dari strain-gage dapat mengukur besarnya tekanan yang diberikan. Sebuah diafragma, jenis dari transduser tekanan digunakan ketika empat lengan strain-gage dilekatkan pada diafragma seperti pada gambar 2.15.d. Ketika tekanan proses dikenakan pada diafragma, maka dua diafragma pada bagian tengah diberikan tekanan, dan dua lagi dari diafragma diberikan pemampatan atau kompresi. Hal ini akan mengakibatkan perubahan tahanan dari strain-gage dan nilai dari tekanan proses dapat diukur. Strain-gage jenis ini digunakan pada suhu
yang sama, sehingga dapat mengurangi kesalahan pengoperasian dari perubahan suhu.
Gambar 2.15 Desain strain-gage
II.2.2.5 Faktor Gage Strain-gage seperti disebutkan diatas adalah elemen yang digunakan untuk mengukur tekanan dan mengubah tekanan tersebut menjadi tahanan. Sensitivitas sebuah strain-gage dijelaskan dengan suatu karakteristik yang disebut faktor gage (gage factor), K, yang didefinisikan sebagai perubahan suatu tahanan dibagi dengan perubahan satuan panjang, atau Faktor gage K = dimana : K
∆R / R ∆l / l
2.10
= faktor gage
R = tahanan gage nominal
(Ω)
∆ R = perubahan tahanan gage
(Ω)
l
= panjang normal bahan percobaan (kondisi tidak teregang) (m)
∆ l = perubahan panjang bahan percobaan
(m)
Perubahan tahanan ∆ R pada sebuah konduktor yang panjangnya l dapat dihitung dengan menggunakan persamaan bagi tahanan dari sebuah konduktor yang penampangnya serba sama yaitu : R= ρ
panjang ρ ×l = luas (π / 4)d 2
2.11
(Ω)
(m)
dimana : R = tahanan
l = panjang konduktor
d = diameter konduktor
(mm) d = diameter konduktor
ρ = tahanan jenis
(
(mm)
Ω.mm 2 ) m
Tarikan (tension) terhadap konduktor menyebabkan pertambahan panjang ∆ l dan pengurangan secara bersamaan pada diameter ∆ d. Maka tahanan konduktor menjadi : R= ρ
(l + ∆l ) l (1 + ∆l / l ) =ρ 2 (π / 4)(d − ∆d ) (π / 4)d 2 (1 − 2∆d / d )
2.12
Persamaan 2.12 dapat disederhanakan dengan menggunakan bilangan Poisson ∝, yang didefinisikan sebagai perbandingan regangan dalam arah lateral terhadap regangan dalam arah aksial. Dengan demikian
∝=
∆d / d ∆l / l
2.13
dimana : ∝ = bilangan Poisson Substitusi persamaan 2.13 kedalam persamaan 2.12 memberikan : R= ρ
l (π / 4)d 2
1 + ∆l / l 1 − 2 µ∆l / l
2.14
Yang dapat disederhanakan menjadi : ∆l R = R + ∆ R = R 1 + (1 + 2 µ ) l
2.15
Pertambahan tahanan, ∆ R jika dibandingkan terhadap pertambahan panjang ∆ l selanjutnya dinyatakan dalam faktor gage K dimana : K=
∆R / R = 1 +2∝ ∆l / l
2.16
Bilangan Poison bagi kebanyakan logam terletak dalam rangkuman dari 0,25 sampai 0,35 ; dan berarti faktor gage akan berada dalam orde 1,5 sampai 1,7. Untuk penggunaan strain-gage sangat diinginkan sensitivitas tinggi. Sebuah faktor gage yang besar berarti suatu perubahan tahanan yang relatif besar; yang dapat lebih mudah diukur dari pada suatu perubahan tahanan yang kecil, misalnya pada kawat constantan nilai K adalah sekitar 2. Adalah menarik untuk melakukan suatu perhitungan sederhana guna mengemukakan efek apa yang dimiliki oleh pemberian tegangan geser (stress) terhadap perubahan tahanan sebuah strain-gage. Hukum Hooke memberikan hubungan antara tegangan geser dan regangan untuk sebuah kurva tegangan geser-regangan (stress-strain curve) yang linear, dinyatakan dalam modulus kekenyalan (elastisitas) dari bahan yang dipasang persatuan luas dan regangan sebagai perpanjangan benda yang tegeser persatuan luas hukum Hooke dituliskan sebagai berikut :
σ=
S E
2.17
Dimana : σ = regangan, ∆ l/l S = tegangan geser
(kg/m2)
E = modulus Young
(kg/m2)
Tabel 2.1 Faktor Gage untuk Bahan yang Berbeda Koefisien tahananBahan
Komposisi
Faktor gage K temperatur C 0,3 sampai 0,47
± 0,01 × 10-3
Constantan Cu 60, Ni 40
2,0 sampai 2,1
± 0,03 × 10-3
Nichrome
Ni 80, Cr 20
2,1 sampai 2,3
1 × 10-3
Nikel
Murni
-12,1
6,7 × 10-3
Alloy 479
Pt 92, Wo 8
4 sampai 6
0,24 × 10-3
Mangan
Cu 84, Mn 12, Ni 4
Silikon
-100 sampai + 200
Sumber : Element of Electrical and Electronic Instrumentation, Kurt S. Lion, hal 48
II.3
Sistem Kontrol Sistem kontrol telah memegang peranan peranan yang sangat penting
dalam perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Sistem kontrol telah menjadi bagian yang penting dan terpadu dari proses – proses dalam pabrik dan industri modern. Misalnya, kontrol otomatis dalam kontrol numerik dari mesin alat-alat bantu di industri manufaktur. Selain itu sistem kontrol juga merupakan bagian yang penting dalam operasi industri seperti pengontrolan tekanan, suhu, kelembaban, viskositas, dan arus dalam industri proses.
II.3.1 Pengertian Sistem Kontrol Sistem kontrol adalah suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen atau elemen pendukung yang digunakan untuk mengukur nilai dari variabel sistem
yang dikontrol dan menerapkan variabel tersebut kedalam sistem untuk mengoreksi atau membatasi penyimpangan nilai yang diukur dari nilai yang dikehendaki.
II.3.2 Pengertian Sistem Kontrol Otomatis Sistem kontrol otomatis adalah sistem kontrol umpan balik dengan acuan masukan atau keluaran yang dikehendaki dapat konstan atau berubah secara perlahan dengan berjalannya waktu dan tugas utamanya adalah menjaga keluaran sebenarnya berada pada nilai yang dikehendaki dengan adanya gangguan. Banyak contoh sistem kontrol otomatis, beberapa diantaranya adalah pengaturan otomatis tegangan pada “plant” daya listrik ditengah – tengah adanya variasi beban daya listrik dan kntrol otomatis tekanan, kekentalan dan suhu dari proses kimiawi.
II.3.3 Sistem Kontrol Rangkaian terbuka dan Rangkaian Tertutup Sistem kontrol rangkaian terbuka (open-loop control system) merupakan sistem yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Dengan kata lain, sistem kontrol rangkaian terbuka keluarannya tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Suatu contoh sederhana adalah mesin cuci. Perendaman, pencucian dan pembilasan dalam mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran yaitu tingkat kebersihan kain. Setiap gangguan yang terjadi akan menimbulkan pengaruh yang tidak diinginkan pada outputnya, seperti terlihat pada gambar 2.16 dibawah ini. Input
Proses
Output
Gambar 2.16 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka Sistem kontrol rangkaian tertutup (closed-loop control system) merupakan sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan sehingga besaran yang dikendalikan dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan melalui alat pencatat (indikator atau rekorder). Perbedaan yang terjadi antara besaran yang dikendalikan dan penunjukkan pada alat pencatat digunakan sebagai koreksi, seperti terlihat pada gambar 2.17 dibawah ini.
INPUT
+
PROSES
OUTPUT
UMPAN BALIK
Gambar 2.17 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup
Masing-masing dari sistem Kontrol baik itu loop terbuka maupun loop tertutup mempunyai kelebihan dan kelemahan yaitu : Kelebihan sistem loop terbuka adalah : 1. Konstruksinya sederhana dan perawatannya mudah. 2. Lebih murah daripada sistem kontrol loop tertutup. 3. Tidak ada persoalan kestabilan. 4. Cocok digunakan jika keluaran sulit diukur atau secara ekonomi tidak layak. ( sebagai contoh, mengusahakan suatu peralatan untuk mengukur kualitas keluaran pemanggang roti adalah cukup mahal). Kelemahan sistem kontrol loop terbuka adalah : 1. Gangguan dan perubahan kalibrasi akan menimbulkan kesalahan, sehingga keluaran mungkin berbeda dengan yang diinginkan.
2. Untuk menjaga kualitas yang diperlukan pada keluaran diperlukan kalibrasi ulang dari waktu ke waktu. 3. Dapat digunakan pada sistem jika terdapat gangguan yang tidak dapat diramalkan dan atau perubahan yang tidak dapat diramal pada komponen sistem. Sedangkan kelebihan sistem kontrol loop tertutup adalah : 1. Tidak memerlukan kalibrasi ulang dari waktu ke waktu. 2. Dapat digunakan untuk komponen-komponen yang relatif kurang teliti dan murah untuk mendapatkan pengontrolan “plant” yang teliti. 3. Dapat digunakan pada sistem jika terdapat gangguan yang tidak dapat diramalkan dan atau perubahan yang tidak dapat diramal pada komponen sistem. Kelemahan sistem kontrol loop tertutup adalah : 1. Kestabilan selalu merupakan persoalan utama karena cenderung terjadi kesalahan akibat koreksi berlebih yang dapat menimbulkan osilasi pada amplitudo konstan maupun berubah. 2. Harga lebih mahal daripada sistem kontrol loop terbuka.
II.4
Transmiter Transmiter adalah salah satu elemen dari sistem pengendalian proses. Alat
untuk mendeteksi besaran fisis suatu proses digunakan sensor, keluaran (output) dari sensor tersebut dapat ditunjukkan ditempat dimana sensor tersebut dipasang (local indicator), bisa juga dikirim untuk kemudian ditunjukkan ditempat lain seperti di ruang kendali
II.4.1 Transmiter Pnuematik Transmiter pneumatik menggunakan udara bertekanan tinggi (pneumatic) sebagai medianya. Udara bertekanan dibangkitkan oleh kompresor. Udara ini diberikan kepada transmiter sebagai suplai yang mempunyai tekanan berkisar 20 psi. Untuk selanjutnya transmiter mengeluarkan sinyal standar yang tekanannya berkisar 3-15 psi. Jenis transmiter pneumatik yang sering digunakan untuk pengukuran adalah transmitter beda tekanan (Differential Pressure Transmitter), seperti terlihat pada gambar 2.18 dibawah ini.
Gambar 2.18 Transmiter Pneumetik Beda Tekanan
Pada suatu transmiter dilihat dari segi sarana penyambungannya kemedia yang akan diukur pada umumnya ada dua sisi, yaitu sisi tekanan tinggi (high) dan sisi tekanan rendah (low), dimana kedua sisi tesebut dipasang pada daerah antara diafragma kapsul. Sisi yang memiliki tekanan rendah akan mengalir pada sebelah
kanan dari diafragma kapsul. Pada sisi tekanan tinggi fluida mengalir lebih besar daripada fluida pada sisi tekanan rendah, sehingga daya dorong dari diafragma sebelah kiri menuju diafragma sebelah kanan akan bertambah besar. Perubahan gaya dari diafragma tersebut kemudian disalurkan melalui batang lentur untuk menggerakkan batang gaya, dimana batang tersebut bergeak berputar berlawanan arah jarum jam. Dengan diafragma penyekat yang bertindak sebagai titik tumpu dan sebagai hasilnya, rongga antara pemancar (nozzle) dan pembalik (flapper) menjadi lebih kecil dan udara akan secara normal keluar dari rongga pemancar tersebut dan dibatasi agar tekanan yang dihasilkan oleh pemancar meningkat dan keluaran tersebut akan mendapat penguatan dari pneumatic amplifier. Bagian dari keluaran digunakan sebagai pengembus umpan balik (feed back bellow) yang diubah dalam bentuk penguatan yang digunakan oleh batang batasan (range bar) dan menggunakan roda batasan (range whell) sebagai titik tumpu. Dengan membuat perubahan kedudukan pada pembalik akan mengurangi tekanan pemancar. Hasil akhirnya akan terjadi perbedaan tekanan antara sebelum dan sesudah diafragma. Celah antara pembalik dan pemancar yang telah dikecilkan akan meningkatkan pengeluarannya dan menstabilkannya, dengan cara ini kedua tekanan akan seimbang.
II.4.2 Transmiter Elektronik Sama halnya dengan transmiter pneumatik, transmiter elektronik juga terdiri dari dua bagian pokok yaitu bagian perasa (detektor) dan bagian pengirim. Gambar 2.19 dibawah ini menunjukkan struktur dari transmiter elektronik
Gambar 2.19 Struktur Transmitter elektronik
Prinsip kerja dari transmiter elektronik pada gambar 2.19 adalah sebagai berikut : Batang pemuntir dari detektor (bagian perasa) disambungkan dengan pengimbang utama dari bagian pengirim, sehingga pergerakan dari batang pemuntir menghasilkan pergerakan pada pengimbang utama. Pergerakan dari pengimbang utama mengubah jarak antara kedua ferrite dari detektor bagian pengirim. Berubahnya jarak antara kedua ferrite menghasilkan perubahan pada induktansi dari pick-up coil. Perubahan induktansi pick-up coil menghasilkan perubahan pada output osilator dari kesatuan OPD (oscillator power detector). Perubahan pada output osilator menghasilkan perubahan nilai arus listrik yang keluar dari transmiter. Dengan demikian, perubahan pada variabel proses yang dirasakan oleh detektor pada bagian perasa dapat menghasilkan perubahan pada nilai arus listrik yang keluar dari bagian pengirim. Dengan demikian akan
dihasilkan kedudukan dimana perubahan jarak antara kedua ferrite akan sebanding dengan perubahan variabel proses yang dirasakan detektor.
II.5
Katup Kendali (Control valve) Katup kendali adalah jenis final control element yang paling umum
digunakan untuk pengendalian proses, sehingga orang cenderung mengartikan final control element sebagai katup kendali. Katup kendali berfungsi untuk mengatur aliran fluida sehingga dapat ditentukan sesuai dengan yang dikehendaki oleh kontroler. Sebuah katup kendali terdiri atas dua bagian yaitu actuator dan valve, seperti terlihat pada gambar 2.20 dibawah ini.
Gambar 2.20 Konstruksi Katup Kendali
Bagian aktuator adalah bagian yang bergerak untuk membuka atau menutup valve. Jenis yang banyak digunakan adalah pneumatic operated actuator. “Spring and diaphragm” pneumatic actuator yang banyak digunakan oleh karena kemampuan dan bentuknya yang sederhana.
Bagian valve adalah komponen mekanis yang menentukan besarnya aliran yang masuk ke proses. Dalam kesatuannya sebagai unit control valve, actuator dan valve harus melakukan tugas koreksi berdasarkan sinyal manipulated variabel yang keluar dari kontroler.
