Instrumentasi & Pengukuran IAgoeng H. Rahardjo, ST, MT
Sistem Pengukuran
Pengukuran adalah kegiatan membandingkan suatu besaran yang tak
diketahui dengan besaran standar yang telah terdefinisikan Fungsi:
untuk memperoleh suatu angka yang obyektif (independen terhadap
pengamat) dan empiris (diperoleh berdasarkan eksperimental)
mengenai sifat/kualitas suatu obyek/kejadian, yang mana harus ada
suatu keterkaitan antara kuantitas-kuantitas numerik dan
sifat-sifat yang dijelaskannya. Metoda pengukuran ada dua:
Perbandingan langsung dengan standar primer ataupun sekunder
Perbandingan tak langsung dengan standar, dengan menggunakan sistem
yang telah terkalibrasi
Pengukuran
Terdapat tiga hal penting dalam kegiatan pengukuran:
Instrumen yang telah diketahui besaran dan ketelitiannya Tata
cara membandingkannya Kesimpulan yang diambil dari membandingkan
tersebut
Hasil pengukuran tidak pernah sempurna, hal ini disebabkan oleh
adanya keterbatasan-keterbatasan:
Alat ukur atau instrumen yang dipakai tidak sempurna Penyetelan
dengan pembanding tidak mencukupi Pembacaan skala adalah
terbatas
Elemen Dasar Sistem PengukuranObyek Besaran Fisis Sensor
Pengkondisi Sinyal Peraga Data Kuantitas Pengamat
Sistem Pengukuran
Tahap detektor-transduser: mendeteksi besaran fisis dan
melakukan transformasi secara mekanik atau listrik untuk mengubah
sinyal (isyarat) menjadi bentuk yang lebih berguna. Transduser:
piranti yang dapat mentransformasi suatu efek fisis menjadi efek
fisis lain. Tahap antara: mengubah sinyal langsung dengan
penguatan, penyaringan, atau cara-cara lain agar didapatkan
keluaran yang dikehendaki. Tahap akhir: menunjukkan, merekam, dan
mengendalikan variabel yang diukur.
Presisi & Akurasi
Mana yang lebih baik?A. B.
Hasil pengukuran yang presisi (tepat), atau Hasil pengukuran
yang teliti (akurat)
Beberapa Istilah Penting
Akurasi (accuracy = ketelitian)
Presisi (precission = ketepatan)
Akurasi menunjukkan kemungkinan deviasi atau penyimpangan yang
terbesar antara pembacaan instrumen terhadap harga sebenarnya dari
masukan Presisi menunjukkan kemampuan instrumen itu menghasilkan
kembali bacaan tertentu dengan batas kepercayaan yang telah
ditentukan Kesalahan pengukuran adalah perbedaan antara nilai yang
didapat dari hasil pengukuran dengan nilai masukan sebenarnya Bias
merupakan perbedaan antara nilai rata-rata yang diperoleh dari
hasil pengukuran berulang dan nilai masukan sebenarnya
Kesalahan pengukuran (error)
Bias
Nilai ideal = Hasil pengukuran Akurasi
Akurasi
Akurasi suatu instrumen dapat dinyatakan dalam berbagai macam
bentuk:
Sebagai satuan variabel ukur
Contoh: akurasi = 10C Contoh: akurasi = 1% span Contoh: akurasi
= 1% fsd Contoh: akurasi = 1% reading
Sebagai prosentase terhadap span
Sebagai prosentase terhadap bacaan skala penuh
Sebagai prosentase terhadap hasil pembacaan
Presisi
Kepresisian suatu instrumen umumnya diperoleh berdasarkan
analisis statistik terhadap sejumlah sampel N pengukuran dan
dinyatakan dengan deviasi standar ()
Batas kepercayaan 50% (Probable Error): Batas kepercayaan 68%
(One Sigma): Batas kepercayaan 90% (90% error): Batas kepercayaan
95% (Two Sigma):
Batas kepercayaan 99,7% (Three Sigma): Batas kepercayaan 99,9%
(Maximum Error):
Pengukuran Berulang
Hijau: akurat
Biru: tidak akurat
Bias Kecil Presisi
Ungu: tidak akurat
Merah: tidak akurat
Bias Kecil Tidak Presisi Solusi: Rata-rata
frekuensi kejadian
Bias Besar Presisi Solusi: Kalibrasi
Bias Besar Tidak Presisi Solusi: Kalibrasi nilai rata-rata
pengukuran
error
0
Kalibrasi
Pengertian kalibrasi: pemeriksaan instrumen terhadap standar
yang diketahui. Tujuannya untuk mengurangi kesalahan dalam
ketelitiannya. Prosedur kalibrasi melibatkan perbandingan instrumen
itu dengan:
standar primer, atau standar sekunder, atau sumber masukan yang
diketahui
Karakteristik Statik & Dinamik
Karakteristik statik suatu instrumen mengacu pada pembacaan
keadaan mantap (steady state) instrumen tersebut yang diperoleh
dalam keadaan tenang Karakteristik dinamik suatu instrumen
digunakan untuk menjelaskan perilaku instrumen antara selang waktu
ketika kuantitas yang diukur berubah sampai dengan diperoleh
pembacaan yang tetap
Respon Dinamik Instrumen Orde-2
Delay time (td) Rise time (tr) Settling time (ts) Maximum
Overshoot (Mp)
Sensor & Transduser
Sensor : bagian dari instrumen yang digunakan untuk memperoleh
informasi mengenai kuantitas fisis tanpa melibatkan perasaan
manusia. Transducer: bagian dari instrumen yang mengkonversikan
sinyal dari suatu bentuk fisis menjadi sinyal lain dalam bentuk
fisis berbeda.
Transducer masukan: mengubah sinyal dari suatu bentuk fisis ke
bentuk sinyal listrik. Transducer keluaran: mengubah sinyal dari
bentuk sinyal listrik ke bentuk sinyal yang cocok untuk peraga atau
penggerak.
Contoh Transduser
Transduser pengukuran temperatur: perubahan temperatur pada
suatu zat/benda dapat mengakibatkan beberapa kemungkinan perubahan,
antara lain
perubahan dimensi benda (padat, cair, gas): contohnya pada
termometer air raksa, termometer bimetal, dan keping bimetal
perubahan resistansi listrik pada logam dan semikonduktor:
contohnya detektor termometer tahanan (RTD-resistance temperature
detector) dan termistor timbul efek termoelektrik e.m.f pada dua
logam berbeda yang saling dihubungkan: contohnya termokopel
perubahan intensitas atau warna dari radiasi yang dipancarkan oleh
benda panas: contohnya pada pirometer filamen menghilang
(disappearing filament pyrometer)
Klasifikasi Sensor
Berdasarkan catu daya:
Berdasarkan sinyal keluaran
Sensor Termodulasi Sensor Pembangkit Sendiri Sensor Analog
Sensor Digital
Berdasarkan mode operasi
Berdasarkan hubungan input-output
Sensor Mode Defleksi Sensor Mode Nul Sensor Orde-0 Sensor Orde-1
Sensor Orde-2 Sensor Orde tinggi Sensor Mekanik Sensor Termal
Sensor Magnetik Sensor Elektrik Sensor Optik Sensor Kimia
Berdasarkan besaran fisis yang diukur
Sensor Berdasarkan Catu Daya
Sensor Termodulasi
Memerlukan catudaya tambahan Sebagian besar daya keluaran sinyal
berasal dari catu daya tambahan Tidak memerlukan catu daya tambahan
Daya keluaran sensor berasal dari sinyal masukan sensor
Sensor Pembangkit Sendiri
Sensor Berdasarkan Sinyal Keluaran
Sensor Analog
Keluaran berubah secara kontinyu Informasi sinyal biasanya
diperoleh berdasarkan informasi amplitudo Keluaran berubah secara
diskrit Tidak memerlukan ADC Keluaran lebih mudah ditransmisikan
dibandingkan dengan sensor analog
Sensor Digital
Sensor Berdasarkan Mode Operasi
Sensor Mode Defleksi
Kuantitas yang diukur menghasilkan suatu efek fisis yang
sebanding di beberapa bagian instrumen, tetapi efeknya berlawanan
Defleksinya dijaga tetap nol dengan cara memberikan suatu efek
fisis tambahan yang sudah diketahui besarnya, tujuannya untuk
melawan efek fisis yang dihasilkan oleh kuantitas yang diukur
Sensor Mode Nul
Sensor Berdasarkan Hubungan Input (x)-Output (y)
Sensor Orde-0
Sensor Orde-1
y = K.x
Sensor Orde-2
T(dy/dt)+y = K.x (d2y/dt2)/ n2+2(dy/dt)/ n+y = K.x
Sensor Orde tinggi
Keterangan: K = gain statik T = konstanta waktu (time constant),
detik (s) n = frekuensi pribadi, rad/s = faktor redaman
