Upload
herdwihascaryo
View
1.354
Download
0
Tags:
Embed Size (px)
Citation preview
Instrumentasi dan Kalibrasi
1
BAB 1
INSTRUMENTASI
PENDAHULUAN
Instrumentasi berasal dari istilah asing yaitu “instrumentation”. Instrumentasi yang
dibahas di sini terkait dengan pengukuran (measurement) khususnya pengukuran secara
elektronik. Ada beberapa definisi tentang instrumentasi di Internet antara lain :
The installation and use of electronic, gyroscopic, and other instruments for the purpose of
detecting, measuring, recording, telemetering, processing, or analyzing different values or
quantities as encountered in the flight of a rocket or spacecraft. roland.lerc.nasa.gov/~dglover/dictionary/i.html
Any device used to monitor the performance of the structure during its construction and
throughout its useful life. An arrangement of devices installed into or near dams (i.e.,
piezometers, inclinometer, strain gages, measurement points, etc.) and used to evaluate the
structural behavior and performance parameters of the structure. Reclamation has utilized a
variety of instrumentation, most often piezometers, to evaluate the situations and conditions of
all four Horsetooth Dams. www.abouthorsetooth.com/html/glossary.asp
Berdasarkan definisi di atas, instrumentasi terkait dengan beberapa proses diantaranya
pendeteksian, pengukuran, perekaman, telemetri, pengolahan atau analisa data yang
dihasilkan. Dalam instrumentasi terdapat proses pengukuran. Sedangkan pengertian secara
umum dari kata mengukur adalah membandingkan besaran yang diukur dengan besaran
sejenis yang ditetapkan sebagai satuan. Sedangkan yang dimaksud dengan besaran adalah
sesuatu yang dapat diukur dan dinyatakan dengan angka-angka. Definisi lain tentang
pengukuran dapat dicermati dari definisi yang ada di web sebagai berikut:
The process of using dimensions, quantity, or capacity by comparison with a standard in order
to mark off, apportion, lay out, or establish dimensions. www.iteawww.org/TAA/Glossary.htm
Pengukuran dilakukan dengan alasan pengamatan gejala alam yang sifatnya fisik akan
menjadi lebih lengkap dan komunikatif bila dinyatakan dengan angka-angka, misalnya panas
sebuah benda sebesar 30 0 C, atau panjang benda sebesar 200 cm dan lain sebagainya.
Instrumentasi dan Kalibrasi
2
Pengukuran dilakukan dengan menggunakan sebuah sistem yang disebut dengan sistem
instrumentasi atau sistem pengukuran.
Pengukuran yang dimaksud disini adalah pengukuran elektrik ataupun elektronik baik
secara analog maupun dijital. Bahkan untuk saat ini, sistem pengukuran elektronik sudah
melibatkan mikroprosesor atau mikrokontroler sehingga memberikan fleksibilitas dan tingkat
akurasi yang lebih tinggi.
Isu utama dari sebuah alat ukur yang digunakan dalam sistem instrumentasi adalah
validitas dan reliabilitas. Validitas berarti ketepatan yang dimiliki alat ukur dalam
menghasilkan nilai pengukuran atau alat ukur dapat mengukur sesuai dengan yang diukur,
sedangkan realibilitas adalah keajegan alat ukur dalam menghasilkan nilai pengukuran.
MODEL SISTEM INSTRUMENTASI
Secara umum blok diagram sistem pengukuran dapat dilihat pada gambar adalah
sebagai berikut :
Sensor/Transduser
PengondisiSinyal
PengolahSinyal Display
Gambar-1. Model Sistem Instrumentasi
Nampak bahwa sistem instrumentasi terdiri dari 4 (empat) bagian utama, dimulai dari
sensor yang langsung menyentuh titik pengukuran, artinya bersentuhan langsung dengan
besaran yang diukur, dan berakhir dengan display (tampilan) yang berfungsi sebagai interface
bagi pengguna dalam melakukan instrumentasi.
Sensor (pengindera) atau transduser merupakan ujung depan dari sistem pengukuran.
Fungsi dari sensor dalam hal ini adalah mengubah besaran non listrik menjadi listrik, sehingga
memungkinkan pengukuran besaran non listrik melalui sistem pengukuran secara listrik atau
elektronik. Permasalahan utama dari sistem pengukuran secara elektrik maupun elektronik
terletak pada sensor. Sebelum ada sensor atau transducer, maka pengukuran secara elektrik
atau elektronik tidak dapat dilakukan. Misalnya, tidak akan termometer elektronik jika tidak
ada sensor atau transduser yang dapat mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik.
Pengkondisi sinyal berfungsi untuk menyiapkan sinyal yang dikeluarkan oleh sensor,
sehingga dapat diproses pada rangkaian pengolah sinyal. Proses yang terjadi pada pengondisi
Instrumentasi dan Kalibrasi
3
sinyal salah satunya menentukan besarnya arus, tegangan atau menghilangkan gangguan
sehingga sinyal yang diproses pada pengolah sinyal benar-benar sesuai dengan karakteristik
besaran yang akan diukur.
Proses pengukuran terjadi pada pengolah sinyal. Pada bagian ini besarnya sinyal hasil
dari pengondisi sinyal dibandingkan dengan besaran yang sejenis yang sudah ditetapkan.
Agar proses pembandingan dapat sesuai dengan nilai besaran yang diukur, maka pada bagian
ini dilakukan kalibrasi dari besaran yang telah ditetapkan. Akurasi pengukuran ini sering
disebut juga dengan validitas sebuah alat ukur. Proses pengukuran dapat dilakukan secara
analog maupun dijital.
Ujung akhir sebuah sistem pengukuran adalah display atau tampilan. Fungsi bagian ini
adalah menyajikan informasi hasil pengukuran kepada kita yang menggunakan alat ukur.
Tampilan ini juga dapat disajikan dalam bentuk analog maupun dijital.
Instrumentasi dan Kalibrasi
1
BAB 2
SENSOR/TRANSDUSER DAN AKTUATOR
A. KARAKTERISTIK SENSOR/TRANSDUSER
Secara umum, karakteristik sensor atau transduser dibagi menjadi dua yaitu: (1)
Karakteristik Statis (Static Charasteristics); dan (2) Karakteristik Dinamis (Dynamic
Characteristics).
1. Karakteristik Statis
Karakteristik statis sebuah sensor/transduser sangat banyak yaitu:
a. Akurasi (Accuracy)
Sejauh mana sensor dapat menunjukkan hasil yang mendekati nilai sesungguhnya.
b. Presisi (Precision)
Presisi dapat diartikan dengan ketepatan dan sangat erat hubungannya dengan
akurasi. Contoh pada saat kita mengukur panjang sebuah balok menggunakan
mistar. Akurasi berkaitan dengan kesesuaian mistar menunjukkan ukuran sesuai
dengan panjang sesungguhnya, sedangkan presisi menjamin ketelitian dalam
membaca angka ukuran pada mistar tersebut.
c. Resolusi (Resolution)
Resolusi dapat diartikan dengan ketelitian, yaitu skala terkecil yang digunakan
dalam pengukuran.
d. Sensitifitas (Sensitivity)
Sensitifitas dapat diartikan sebagai kepekaan, yaitu perbandingan kenaikan
keluaran terhadap kenaikan masukan.
e. Selektifitas/Spesifisitas (Selectivity/Specificity)
Kemampuan sensor dalam memilih variabel yang akan ditampilkan nilaiarkan
hasil pengukurannya.
f. Sinyal minimum yang terdeteksi (Minimum Detectable signal/MDS)
Jika input transduser tidak tercampur dengan noise, kemampuan transduser
menampilkan nilai terkecil yang reliabel tanpa tambahan noise darinya dinamakan
sinyal minimum yang dapat dideteksi dari sebuah transduser.
Instrumentasi dan Kalibrasi
2
Selain beberapa karakteristik statis di atas, ada beberapa karekteristik statis
yang lain di antaranya :Threshold, Non linieritas (Nonlinearity), Distorsi (Distortion),
Comformance (Conformity), Histerisis (Hysteresis), Repeatability, Span, Noise,
Output Impedance, Grounding, Isolation, Instability and Drift, Overall Performance.
2. Karakteristik Dinamis
Karakteristik dinamis sebuah sensor/transduser antara lain :
Fungsi transfer, tanggapan frekuensi, Impulse Response, dan Step response.
SENSOR
Seperti dijelaskan sebelumnya, bahwa ujung depan sistem instrumentasi adalah sensor.
Pengertian sensor dapat dicermati dari beberapa definisi berikut ini.
A device that responds to a physical stimulus, such as thermal energy, electromagnetic energy, acoustic energy, pressure, magnetism, or motion, by producing a signal, usually electrical.
www.bandwidthmarket.com/resources/glossary/S2.html
A device that responds to a physical stimulus (heat, light, sound, pressure, motion, flow, and so on), and produces a measurable corresponding electrical signal
www.allaboutmems.com/glossary.html
Instrumentasi dan Kalibrasi
3
Berdasarkan definisi-definisi tersebut jelas bahwa fungsi utama dari sensor adalah
mengubah rangsangan fisik (energi non listrik) seperti energi termal, energi akustik, tekanan,
gerakan dan lain-lain menjadi sinyal listrik (energi listrik).
Ada beberapa jenis sensor dalam sistem elektronika, baik yang berupa komponen
tunggal atau rangkaian terintegrasi. Besaran yang dihasilkan biasanya resistansi, induktansi,
kapasitansi, arus atau tegangan. Suatu contoh, sensor cahaya LDR (Light Depending Resistor)
akan mengubah perubahan energi cahaya menjadi perubahan resistansi, sensor suhu LM35
akan mengubah energi panas (suhu) menjadi besaran arus atau tegangan.
TRANSDUSER
Selain istilah sensor, dalam teknik instrumentasi elektronika juga dikenal istilah
transduser yang memiliki fungsi hampir sama atau bahkan sama dengan sensor. Perbedaan
pengertian antara sensor dan transduser sangatlah tipis sehingga definisi juga tidak jauh
berbeda. Hal ini dapat dilihat pada definisi-definisi berikut ini.
A device for converting mechanical energy into electrical energy.
www.techfest.com/networking/cabling/cableglos.htm A device for transforming mechanical energy to electrical energy, or for transforming electrical energy to mechanical energy, such as in microphones and loudspeakers, but not motors or generators.
www.yung-li.com.tw/EN/info/Glossary_list.htm device designed to convert energy from one form to another
www.sleepnet.com/definition.html A device which converts one form of energy into another. The diaphragm in the telephone and the carbon microphone in the transmitter are transducers. They change variations in sound pressure (your voice) to variations in electricity, and vice versa.
www.marconi.com/html/glossary/glossaryt.htm A device that converts energy from one form to another, such as optical energy to electrical energy.
www.fiber-optics.info/glossary-t.htm A mechanism which converts energy from one form to another. For example, a diaphragm converts soundwaves to mechanical vibrations, while a microphone converts them to electrical current, and a loudspeaker or earphone converts electrical energy into soundwaves. The diaphragm, microphone and loudspeaker are all transducers.
www2.nlc-bnc.ca/gramophone/src/gloss.htm a device that converts energy from one form to another, retaining the amplitude variations of the energy being converted. Examples include a microphone, which converts acoustical energy
Instrumentasi dan Kalibrasi
4
into electrical energy; a loudspeaker, that does the reverse; a photocell that converts light energy to electrical energy.
www.owlnet.rice.edu/~elec201/Book/glossary.html
Berdasarkan definisi di atas, transduser dapat diartikan sama dengan sensor yaitu
mengubah besaran non listrik menjadi besaran listrik. Contoh transduser misalnya
mikropon, loudspeaker dan lain sebagainya. Motor dan generator tidak termasuk sebagai
transduser.
AKTUATOR
Aktuator merupakan perangkat yang menghasilkan aksi mekanik berdasarkan sinyal
inputnya, baik bersifat listrik maupun fluida (pneumatik dan hidrolik). Aktuator biasanya
digunakan pada sistim kendali. Sehingga input aktuator berasal dari sistem kendali dan aksi
mekanik yang dihasilkan aktuator digunakann untuk menggerakkan sistem yang dikendalikan.
Ada beberapa pengertian yang dapat digunakan untuk memperjelas definisi dari aktuator.
Misalnya :
mechanical action in response to an input signal, which may be either electric or fluidic. www.siemensauto.com/glossaries/electronics_glossary.html
A mechanical, pneumatic, hydraulic or electric device in a control system that furnishes the power to change and/or maintain the position of an element (such as an end-effector) the performs a task. The actuator responds to a signal received from the control system.
www.unt.edu/robotics/glossaryA-D.htm A device which transforms an electric signal into a measured motion using hydraulic, pneumatic or pyrotechnic (explosive) action.
www.spenvis.oma.be/spenvis/help/system/glossary.html
Instrumentasi dan Kalibrasi
5
MACAM-MACAM SENSOR/TRANSDUSER
3. Temperatur
Beberapa proses industri memerlukan pengukuran temperatur yang akurat, karena
temperatur tidak dapat dikendalikan secara pasti tanpa pengukuran yang tepat. Temperatur
merupakan kemampuan tubuh atau bodi dalam berkomunikasi atau melakukan transfer
energi. Di sisi lain, kita dapat mendefinisikan temperatur sebagai potensial dari energi
panas untuk merambat. Ingat bahwa panas mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur
rendah.
Sensor atau transduser temperatur yang digunakan dalam instrumentasi elektronik
antara lain :
a. Termokopel (Thermocouple)
Termokopel terdiri persambungan dua buah logam yang berbeda. Jika ujung
sambungan dipanaskan, maka pada ujung lain dari masing-masing logam akan
menghasilkan perbedaan tegangan. Semakin tinggi suhu titik persambungan,
maka akan semakin tinggi perbedaan tegangan dari masing-masing ujung logam
tersebut. Termokopel ini sangat luas digunakan dalam dunia industri dalam
pengukuran panas.
Iron
Constantan
Thermocouplejunction
X1
X2
Vout
Copper
Copper
Gambar-2. Termokopel
Termokopel biasanya digunakan untuk pengukuran suhu tinggi, karena
termokopel mampu mengukur panas sampai 2500 derajat Celcius.
Instrumentasi dan Kalibrasi
6
Thermistor
Thermistor merupakan salah sensor suhu, dimana perubahan panas diubah
menjadi perubahan resistansi. Dengan kata lain thermistor merupakan sebuah
resistor yang sangat peka terhadap suhu. Semakin tinggi suhu akan
mengakibatkan nilai resistansi semakin rendah. Bahan yang digunakan biasanya :
nikel oksida, mangan, kobalt, tembaga atau logam lain yang peka terhadap suhu.
Gambar-3. Karakteristik resistansi thermistor terhadap suhu
Jangkauan panas yang dapat diukur oleh thermistor lebih rendah dibanding
termokopel. Ada dua macam thermistor berdasarkan karakteristik perubahan nilai
resistansinya, yaitu PTC dimana semakin besar suhu mengakibatkan resistansi
juga semakin besar, sedangkan NTC semakin besar suhu nilai resistansi akan
semakin turun.
b. RTD (Resistance Temperature Detector)
Logam murni seperti platina, nikel, tungsten dan tembaga memiliki koefisien
positif, artinya semakin tinggi suhu akan mengakibatkan meningkatnya
resistansi. Jangkauan pengukuran suhu menggunakan RTD antara 0 s.d 266 0 C.
Instrumentasi dan Kalibrasi
7
Gambar-3 RTD dan housing
Gambar-4. RTD beserta karakteristiknya
Gambar-5. Rangkaian pengukur suhu menggunakan RTD
Instrumentasi dan Kalibrasi
8
c. IC LM35
Sensor temperatur seri LM35 merupakan sebuah sensor temperatur berupa
rangkaian terintegrasi, dimana outputnya berupa tegangan yang secara linier
sebanding dengan temperatur Celcius (Centigrade). Sehingga LM35 memiliki
keistimewaan dibandingkan sensor temperatur linear yang bisanya dinyatakan
dalam Kelvin, yaitu pengguna tidak perlu mengurangi hasil output sensor dengan
bilangan konstan 273 0 . Selain itu LM35 tidak memerlukan kalibrasi eksternal,
dengan tingkat akurasi ±¼°C pada suhu kamar, atau ±¾°C untuk jangkah
pengukuran -55 to +150°C. Karakteristik lain dari IC LM35 adalah, memiliki
impedansi output yang rendah, output linier, mudah dioperasikan dan
digabungkan dengan rangkaian berikutnya misalnya rangkaian kendali. LM35
dapat dioperasikan dengan power supply tunggal maupun power supply ganda
(plus dan minus), dan hanya membutuhkan arus 60 µA, panas yang dihasilkan
juga tidak terlalu tinggi (kurang dari 0.1°C) meskipun tanpa pendingin. LM35
mampu mengukur temperatur dengan jangkah -55° to +150°C, sedangkan untuk
seri LM35C memiliki jangkah pengukuran -40° to +110°C. Kemasan seri LM35
dalam bentuk sama dengan kemasan transistor TO-46, sedangkan seri LM35C,
LM35CA dan LM35D juga tersedia dalam bentuk kemasan TO-92, dan seri
LM35D juga juga tersedia dalam kemasan TO-220.
Gambar-6. Penggunaan LM35
Instrumentasi dan Kalibrasi
9
(a) (b)
(c) (d)
Gambar-7. Kemasan LM35 model (a) TO-46; (b) SO-8; (c) TO-92 dan (d) TO-220
Contoh-contoh aplikasi LM35 dalam pengukuran temperatur dapat dilihat pada
gambar-gambar berikut ini.
Gambar-8. Contoh aplikasi LM35
Gambar-9. Contoh aplikasi LM35 (Lanjutan)
Tabel-1 berikut ini menunjukkan perbandingan jenis-jenis sensor temperatur
terhadap jangkauan suhu yang dapat diukur, linearitas, keuntungan dan kerugian masing-
masing.
4. Cahaya
Sensor cahaya merupakan pengembangan hasil penemuan Heinrich Hertz pada
tahun 1887 tentang efek fotolistrik. Sensor cahaya ini banyak digunakan karena sensor
Instrumentasi dan Kalibrasi
10
bersifat tidak memerlukan kontak/hubungan. Secara umum, sensor cahaya dikategorikan
menjadi (3) tiga jenis perangkat yaitu photoconductive, photovoltaic dan photoemissive.
a. Photoconductive
Transduser photoconductive, adalah transduser yang mengubah perubahan
intensitas cahaya menjadi perubahan konduktifitas. Ada jenis, yaitu : (1) bulk
photoconductors, misalnya photoresistor, dan (2) PN junction photoconductor
seperti photodioda, phototransistor dan photo Darlington.
Photoresistor
Beberapa tahun sebelum Hertz menemukan efek fotolistrik, Willoughby Smith
mengemukakan bahwa resistansi sepotong selenium akan menurun jika diberi
cahaya. Konsep ini sama dengan prinsip yang terjadi pada photoresistor. Bahan
yang digunakan untuk photoresistor antara lain Cadmium Sulfit (CdS) atau
Cadmium Selenide (CdSe). Photoresistor ini juga sering disebut dengan LDR
(Light Depending Resistor).
Gambar-10. Potongan penampang Photoresistor
Instrumentasi dan Kalibrasi
11
Gambar-11. Contoh penggunaan photoresistor untuk rangkaian pembagi tegangan
Photodiode
Intensitas cahaya juga dapat dideteksi oleh junction PN dalam semikonduktor
seperti photodiode dan phototransistor. Arus yang dihasilkan oleh photodiode
biasanya relatif kecil, sehingga perlu rangkaian penguat agar hasil keluarannya
dapat terbaca. Kadang-kadang rangkaian penguat ini sudah dijadikan satu dengan
sensor photodiode dalam satu kemasan, sehingga keluaran yang dihasilkan sudah
layak untuk proses berikutnya. Gambaran lengkap dari photodiode beserta contoh
aplikasinya dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar-11. Photodiode
Instrumentasi dan Kalibrasi
12
Gambar-12. Aplikasi Photodiode
Phototransistor
Phototransistor hampir sama dengan photodiode yaitu termasuk bersifat
photosesnsitive. Perbedaannya, phototransistor memiliki arus yang besar dan
memiliki penguatan, sehingga penginderaan menjadi lebih peka dan mudah
terbaca. Keterangan lengkap beserta contoh aplikasi phototransistor dapat dilihat
pada gambar berikut ini.
Gambar-13. Phototransistor
b. Photovoltaic
Photovoltaic adalah sensor cahaya yang menghasilkan tegangan. Besarnya
tegangan yang dihasilkan tergantung intensitas cahaya yang mengenainya.
Instrumentasi dan Kalibrasi
13
Contoh aplikasi photovoltaic dengan menggunakan penguat operasional dapat
dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar-14. Aplikasi photovoltaic
c. Photoemissive
Photoemissive transducer pada prinsipnya mengeluarkan elektron pada saat
terkena cahaya, misalnya tabung hampa. Meskipun tabung hampa sudah
digantikan dengan semikonduktor, tetapi masih ada dua jenis sensor tabung
hampa yang digunakan di industri sebagai sensor cahaya yaitu phototube dan
photomultiplier. Gambaran lengkap dari sensor cahaya photoemission dapat
dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar-15. Phototube
Instrumentasi dan Kalibrasi
14
Gambar-16. Photomultiplier
Instrumentasi dan Kalibrasi
15
BAB 3
INSTRUMENTASI dan VARIABEL CONTROL
3.1 PRESSURE / TEKANAN
Tekanan dalah gaya tiap satuan luas. Dalam industri, tekanan biasa dinyatakan dengan
head, yaitu tekanan yang diberikan oleh tinggi cairan tertentu. Dalam pengukuran, tekanan
dibedakan menjadi tekanan mutlak (absolut) dan tekanan relatif (gauge).
Berikut contoh dan prinsip kerja instrumentasinya dengan variabel pressure/tekanan:
a. Bellows (tipe elastisitas)
Bellows adalah berbentuk pipa yang sisinya berlekuk-lekuk sehingga dapat
memanjang atau memendek. Jika tekanan dikenakan pada bagian luar bellows,
ujung bebas akan tertekan dan secara keseluruhan pipa akan memendek. Besar
gerak pemendekan pipa sebanding dengan besar tekanan yang dikenakan.
Bellows ini dipakai pada PIC untuk control valve
Instrumentasi dan Kalibrasi
16
b. Tipe Sensor Regangan (Strain-gauge)
Defleksi diafragma akibat tekanan akan meregangkan kawat yang direkatkan
padanya, sehingga resistansi kawat berubah sebanding dengan tekanan
c. Tipe Piezo-electric
Sensor tekanan tipe ini bekerja berdasar efek piezo-elektrik, yaitu listrik yang
dihasilkan sebanding dengan besar gaya yang menekan
Strain Gauges
Strain gauges digunakan untuk mengukur tekanan atau tarikan. Jika sebuah
konduktor ditarik atau ditekan maka diameter akan berubah. Perubahan diameter ini akan
mempengaruhi nilai resistansi. Dengan demikian sensor strain gauge ini akan mengubah
besaran tekanan menjadi resistansi.
Bahan yang digunakan untuk strain gauge adalah nikel, mangan, nikrom,
constantan dan besi. Adapun jenis strain gauge adalah : (1) Wire wound strain gauges; (2)
Instrumentasi dan Kalibrasi
17
Foil type strain gauges dan (3) Semiconductor strain gauges. Berikut ini macam-macam
strain gauge resistansi.
Gambar-17. Macam-macam strain gauge resistif
3.1.1 Instalasi Piranti Ukur Tekanan
A. Pengukuran Tekanan Fluida Viskositas Tinggi
Remote-seal type pressure transmitter. Fluida terukur dari seal
liquid dipisahkan oleh diafragma. Pipa kapiler yang dipakai untuk
hubungan ke transmitter maksimum 5 m.
Reguler type pressure transmitter. Disini dipakai seal pot (tangki
pemi- sah cairan) yang dipasang antara transmitter dan fluida
terukur.
Instrumentasi dan Kalibrasi
18
B. Pengukuran Tekanan Fluida Korosif
Remote-seal type pressure transmitter. Diafragma dibuat dari bahan
ta-han korosi, misal monel, tantalum, dll. Demikian pula flange
dibuat dari bahan baja tahan karat (stainless steel) yang dilapisi
monel, tantalum, atau bahan lain yang tahan korosi.
Purging. Saluran penghubung antara pipa fluida dan transmitter
dialiri udara atau gas nitrogen pada laju alir rendah agar pengaruh
pada hasil pengukuran tidak besar.
Instrumentasi dan Kalibrasi
19
3.1.3 KALIBRASI TEKANAN Kalibrasi tekanan dilakukan dengan piranti ukur standar seperti mano-meter pipa-U atau
dead weight gauge calibrator. Gambar berikut variasi pipa-U untuk keperluan dan
pengukuran.
Dalam pemakaian di industri proses, manometer pipa-U kurang praktis. Gambar berikut
menyajikan jenis dead weight calibrator.
Instrumentasi dan Kalibrasi
20
3.2 TEMPERATURE
Suhu adalah ukuran derajat aktivitas termal partikel dalam material. Jika dua benda
berbeda suhunya, panas akan ditransmisikan dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih
dingin sampai kedua benda memiliki suhu yang sama (disebut keseimbangan termal).
3.2.1 Sistem Termal Isian
Sistem termal isian bekerja berdasarkan prinsip pemuaian fluida. Piranti ini dibedakan menjadi
dua jenis, yaitu berdasar perubahan volume dan tekanan.
A. Pada jenis pertama, sistem berisi cairan.
Instrumentasi dan Kalibrasi
21
B. Sistem berisi Uap
C. Sistem Isian Gas
Tabel Klasifikasi SAMA untuk sistem isian adalah sebagai berikut :
Klasifikasi Uraian
I
Liquid –filled volume –change (selain merkuri)
IA – Full compensation
IB – Case compensation
Instrumentasi dan Kalibrasi
22
II
Vapor-filled pressure-change
IIA – Dirancang untuk suhu di atas suhu lingkungan
IIB – dirancang untuk suhu dibawah suhu lingkungan
IIC – Dirancang u/ suhu diatas dan bawah suhu lingkungan
IID – Dirancang untuk seluruh suhu
III
Gas-Filled pressure-change
IIIA – full compensation
IIIB – case compensation
V
Mercury-filled volume change
VA – full compensation
VB – case compensation
3.2.2 Thermometer Bimetal
Bekerja dengan prinsip bahwa logam akan memuai jika dikenai panas dan koefisien
pemuaiannya untuk setiap jenis logam akan berbeda.
Elemen yang sensitif terhadap suhu adalah campuran antara dua jenis logam yang dikeraskan
menjadi lempengan berbentuk pita.
Instrumentasi dan Kalibrasi
23
3.2.3 Termometer Resistansi (RTD)
Metode pengukuran suhu yang teliti yaitu dengan menggunakan termometer resistansi
listrik. Piranti ini terdiri atas resistor yang harga resistansinya bergantung pada suhu.
3.2.4 Termokopel
Berisi pasangan konduktor yang terdiri atas dua logam atau paduan berbeda yang ujungnya
saling dihubungkan. Cara kerjanya didasarkan atas kombinasi efek termoelektrik. Ketika dua
titik hubung dua jenis logam yang berbeda (T1 dan T2), akan timbul tegangan listrik antara
titik M dan N.
Hubungan antara suhu dan tegangan adalah sebagai berikut.
Dengan,
C1 dan C2 = konstanta termoelektrik material
T1 dan T2 = Suhu titik hubung
22122110 )()( TTCTTCv −+−=
Instrumentasi dan Kalibrasi
24
d. Rangkaian Termokopel hubungan Tunggal
e. Rangkaian Termokopel hubungan ganda
f. Pengukuran GGL langsung
g. Pengukuran GGL dengan titik reverensi nol
3.2.4.1 TIPE TERMOKOPEL
Tabel Tipe termokopel Menurut Standard Instrument Society Of America (ISA)
Instrumentasi dan Kalibrasi
25
Tipe Bahan Rentang Suhu (C) GGL (V)
B Platina, 6% Rodium (+) dan Platina, 30% Rodium (-)
0… 1820 0… 13,814
R Platina (+) dan platina, 13% Rodium (-)
-50… 1768 -0,226… 21,108
S Platina (+) dan platina, 10% Rodium (-)
-50… 1768 -0,236… 18,698
J Besi (+) dan Konstantan (-) -210… 760 -8,096… 42,922
K Khromel (+) dan Alumel (-) -270… 1372 -6,458… 54,875
T Tembaga (+) dan Konstantan (-) -270… 400 -6,258… 20,869
E Khromel (+) dan Konstantan (-) -270… 1000 -9,835… 76,358
3.2.5 PYROMETER
Pirometer digunakan untuk mengukur suhu berdasar prinsip radiasi termal yang dipancarkan
benda. Kelebihan pirometer adalah, tidak menyentuh objek terukur. Dengan demikian
pengukuran hampir tidak mempengaruhi suhu benda. Pirometer banyak digunakan untuk
mengukur lelehan besi dan suhu tanur pembakaran
Instrumentasi dan Kalibrasi
26
3.3 FLOW / ALIRAN
Alat ukur flow disebut dengan Flowmeter. Flowmeter dibedakan menjadi
beberapa jenis :
• Beda Tekanan (differential pressure atau head meter) orifice plate,
venturi tube, flow nozzle, pitot tube, elbow dan rotameter.
• Perpindahan positif (positive displacement) : piston, oval-gear, nutating-
disk dan rotary vane types.
• Velocity Meter : Turbine Flowmeter
• Mass Flowmeter : Coriolis
• Magnetic Flowmeter
3.3.1 BEDA TEKANAN
Hubungan antara kecepatan dan tekanan dalam pipa antara titik 1 dan 2 dengan
meniadakan pengaruh gesekan, diberikan oleh persamaan Bernoulli (1700 – 1782).
p1V + ½ mv12 + mgz1 = p2V + ½ mv2
2 + mgz2
karena, v = m/ρ dan Q = v A, maka laju alir volume, Q, untuk kondisi ideal ialah,
*** Prinsip Pengukuran
• Kompensasi kehilangan energi dilakukan dengan memasukkan faktor koefisien
kecepatan (Cv) ke dalam persamaan tersebut
• Faktor-faktor yang mempengaruhi laju alir fluida adalah viskositas, densitas,
dan gesekan fluida dalam pipa
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
−
−= 21
212
12
2 2/1
zzppgAA
AQρ
Instrumentasi dan Kalibrasi
27
3.3.2 ORIFICE METER
Jarak minimum dari pelat orifice
Instrumentasi dan Kalibrasi
28
3.3.3 TABUNG VENTURI
Ukuran tabung venturi menurut ASME
Laju alir fluida yang melalui pipa dirumuskan sebagai
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
−
−= 21
212
12
2 2/1
zzppgAA
ACQ v
ρ
Instrumentasi dan Kalibrasi
29
3.3.4 FLOW NOZZLE
Flow nozzle serta ukuran yang dianjurkan oleh ASME
Dall flow tubes
3.3.5 ELBOW METER
Penempatan sensor tekanan pada elbow meter
Laju alir volume, Q, diperoleh dengan persamaan 3.9. Nilai koefisien elbow meter (C)
berkisar antara 0,56 dan 0,88
Instrumentasi dan Kalibrasi
30
3.3.6 CORIOLIS
Coriolis mass flowmeter terdiri dari unit sensor dan unit transmiter elektronik. Unit sensor
dapat berupa satu atau dua flow tube. Unit sensor menggunakan mekanisme magnetic coil
untuk menggetarkan flow tube, yang bergetar dengan frekuensi atau harmoni alami seperti
garputala. Aplitudo puncak getaran umumnya kurang dari 1/10 inch.
Fluida yang melewati tube akan menghasilkan gaya coriolis, yang selalu melawan arah
aliran dan menyimpangkannya. Fulida yang makin cepat sisi inlet dan lambat di sisi outlet
akanmenyebabkan tube memuntir. Jumlah puntiran berbanding lurus dengan laju alir
massa yang melewati tube. Dua detektor ditempatkan di masing-masing sisi dari flow
tube, mengirimkan informasi ini (sebagai suatu shift perbedaan fasa) kepada unit
transmiter elektronik, untuk kemudian diproses dan di-display.
a. Efek Coriolis Vibration
(a) Kondisi Tanpa aliran (b) Kondisi ada alian
Instrumentasi dan Kalibrasi
31
b. Efek Coriolis Rotation
(a) Kondisi Tanpa aliran (b) Kondisi ada alian
3.3.7 TURBINE FLOW METER
Digunakan untuk cairan/gas dengan flow rendah Terdiri dari 3 komponen dasar: rumah
rotor dan magnetic pick-up coil Rotor mempunyai sudu banyak (multi-bladed) yang
dipasang pada aliran fluida dengan bantalan yang bergerak bebas. Sumbu rotasi rotor tegak
lurus terhadap arah aliran Rotor berputar akibat aliran fluida yang mengenainya
Kecepatan rotasi menunjukkan kecepatan flow
Kecepatan rotasi dideteksi oleh electromagnetic pick-up coil, yang bekerja berdasarkan
prinsip medan magnetik yang bergerak melalui sebuah coil.
Instrumentasi dan Kalibrasi
32
3.4 LEVEL CAIRAN
3.4.1 Prinsip Pengukuran
Pengukuran tinggi permukaan atau berat material yang disimpan dalam bejana dapat
dilakukan secara langsung atau tak langsung. Termasuk metode langsung adalah gelas
duga (sight glass). Sedangkan dalam metode tak langsung memakai prinsip pengukuran
tekanan hidrostatik pada titik tertentu, menurut persamaan dibawah ini.
dengan, p = tekanan hidrostatik (Pa)
ρ = densitas cairan (kg m-3)
h = tinggi cairan diatas titik pengukuran (m)
g = percepatan gravitasi (9,81 m s-2)
Pelaksanaan pengukuran tinggi cairan dapat menggunakan beberapa metode berikut :
► Metode apungan (float method)
► Metode anjakan (displacement method)
► Metode tekanan
► Metode kapasitansi
► Metode radiasi (sinar gamma dan ultrasonik)
► Metode termal
3.4.2 Metode Apungan
- Prinsip
Metode apungan mengukur tinggi permukaan berdasar prinsip gaya apung yang diberikan
oleh cairan adalah sebanding dengan tinggi permukaan cairan disekitarnya
ghp ρ=
Instrumentasi dan Kalibrasi
33
- Penerapan
Metode apungan diterapkan untuk tangki terbuka dengan rentang pengukuran antara 75 mm
dan 15 m. Suhu operasi maksimum adalah 260 oC dengan ketidaktelitian 1% skala penuh.
3.4.3 Metode Anjakan
- Prinsip
Metode anjakan mengukur tinggi permukaan cairan didasarkan atas kenyataan bahwa gaya
apung pada batang apung sebanding dengan tinggi permukaan cairan di sekitarnya
Gaya yang bekerja pada batang apung adalah sama dengan berat batang dikurangi gaya apung
oleh cairan di sekitarnya. Gaya neto sebesar
Dengan:
- f = gaya neto (N)
- m = massa batang (kg)
- g = gravitasi (9,81 m s-2)
- ρ = densitas cairan (kg m-3)
gAhmgf ρ−=
Instrumentasi dan Kalibrasi
34
- A = luas penampang batang (m2)
- h = panjang batang yang berada di dalam cairan
- Penerapan
Metode anjakan dapat digunakan untuk tangki terbuka atau tertutup dengan rentang
pengukuran berkisar antara 0,15 dan 3,6 meter. Suhu operasi hingga 450 oC dengan
ketidaktelitian 0,5% skala penuh. Dengan pemilihan yang tepat, tipe ini dapat dipakai
untuk semua jenis cairan. Fluktuasi densitas atau tekanan dapat ditangani dengan baik.
Dapat digunakan untuk pengukuran suhu tinggi dan tinggi bidang batas dua cairan.
3.4.4 METODE RADIASI
3.4.4.1 Metode Radiasi Sinar Gamma
Metode ini di dasarkan atas kenyataan intensitas sinar gamma yang menembus
cairan tergantung pada ketebalan atau tinggi permukaan cairan. Hampir semua kondisi
cairan (jernih, kental, mengandung padatan, bidang batas) bahkan padatan, dapat
diukur dengan baik kecuali cairan berbusa. Kelemahannya perlu biaya tinggi dan
harus ada lisensi khusus pemakaian sinar radioaktif. Penerapannya baik pada tangki
terbuka atau tertutup dalam rentang pengukuran yang luas
3.4.4.2 Metode Radiasi Sinar Ultrasonic
Instrumentasi dan Kalibrasi
35
Metode radiasi ultrasonik didasrkan atas efek gema yang dipantulkan oleh
permukaan cairan. Metode ini sangat handal, akurasinya baik, dan efek korosi dan
efek korosidan kontaminasinya dapat minimum. Kelemahannya adalah terganggu
oleh adanya debu, busa, pengembunan uap, dan relatif mahal. Metode ini dapat
diterapkan dengan baik pada tangki terbuka atau tertutup dalam rentang pengukuran
yang luas. Suhu operasi hingga 150 0C dengan ketidaktelitian 1% skala penuh.