bab ii landasan teori ii.i. pengenalan alat...
TRANSCRIPT
BAB II
LANDASAN TEORI
II.I. Pengenalan Alat Ukur.
Pengukuran merupakan suatu aktifitas dan atau tindakan membandingkan
suatu besaran yang belum diketahui nilainya atau harganya terhadap besaran lain
yang sudah diketahui nilainya, misalnya dengan besaran standart. Pekerjaan
membandingkan tersebut tiada lain adalah pekerjaan pengukuran atau mengukur.
Sedangkan pembandingnya yang disebut sebagai alat ukur. Pengukuran banyak
sekali dilakukan dalam bidang teknik atau industri. Sedangkan alat ukurnya
sendiri banyak sekali jenisnya, tergantung dari banyak faktor, misalnya objek
yang diukur serta hasil yang di inginkan. Yang perlu diperhatikan dalam
melakukan pengukuran adalah :
1. Standart yang dipakai harus memiliki ketelitian yang sesuai dengan
standart yang telah ditentukan
2. Tata cara pengukuran dan alat yang digunakan harus memenuhi
persyaratan.
Pengetahuan yang harus dimiliki adalah bagaimana menetukan besaran
yang akan diukur, bagaimana mengukurnya dan mengetahui dengan apa besaran
tersebut harus diukur. Ketiga hal tersebut harus mutlak dimiliki oleh orang yang
akan melakukan pengukuran.
Universitas Sumatera Utara
Pengetahuan akan alat ukur dan objek yang dihadapi adalah suatu syarat
agar pengukuran yang benar dapat dilakukan. Ini juga berarti bahwa cara
melakukan pengukuran yang benar akan diperoleh.
II.2. Metode Pengukuran
Dalam pengukuran dapat dilakukan dengan dua metode, yaitu :
a. Metode Pengukuran Langsung
Pengukuran dikatakan pengukuran langsung bila alat ukurnya atau
pembandingnya standart, yaitu suatu pengukuran yang mempunyai nilai
standart, misalnya ukuran panjang dan berat.
Gambar. 2.1. Metode dilihat langsung
Universitas Sumatera Utara
b. Metode Pengukuran Tidak Langsung
Pengukuran dikatakan tidak langsung bila pembandingnya adalah suatu
yang telah dikalibrasikan terhadap besaran standart, misalnya transmitter. Karena
sulitnya untuk mendapatkan alat ukur standar, sedangkan besaran yang akan
diukur banyak sekali macamnya, maka teknologi telah menghasilkan banyak cara
untuk menghasilkan alat ukur tidak langsung. Berdasarkan pada peranan dalam
fungsinya dapat dibedakan :
a. Alat ukur penunjuk : misalnya ammeter, voltmeter, termometer,
dan lain-lain.
b. Alat ukur perekan/rekorder : misalnya rekorder temperatur,
rekorder tekanan dan lain-lain.
c. Alat ukur pengendali : misalnya pengendali temperatur
(thermostat) pada pemanas air, strika listrik dan lain-lain.
Gambar. 2.2. Metode tidak langsung
Universitas Sumatera Utara
II.2.1. PRINSIP ALAT UKUR
Klasifikasi alat ukur dapat dilakukan berdasarkan aplikasinya, berdasarkan
bidangnya dan lain-lain. Untuk alat ukur tidak langsung apapun jenisnya terdapat
tiga bagian :
a. Bagian Input
b. Bagian Proses, dan
c. Bagian Otput
Ketiga bagian utama tersebut dapat digambarkan dalam blok diagram
gambar II.3 berikut ini :
Gambar 2.3. Sistem Dasar Alat Ukur
Bagian input adalah bagian dari alat ukur yang membaca atau merasakan
serta mencari informasi dari besaran yang dikehendaki dari objek pengukuran.
Bagian ini sering pula dikenal sebagai sensor atau transmitter.
Bagian pemroses adalah bagian dari alat ukur yang berfungsi sebagai
pengolah informasi yang didapat dari sensor, kemudian dijadikan informasi baru
yang lebih mempunyai arti atau makna. Selanjutnya bagian output adalah bagian
Universitas Sumatera Utara
dari alat ukur yang bertugas menyajikan hasil pengukuran yang dikeluarkan oleh
bagian pemroses dalam bentuk informasi yang mudah dimengerti untuk keperluan
selanjutnya, bagian ini misalnya display digital atau dekoder. Mengetahui bagian-
bagian dari alat ukur diatas secara mendasar adalah perlu, agar pengukuran dapat
dilakukan dengan benar dan hasil yang benar pula.
II.3. KARAKTERISTIK ALAT UKUR
Mengetahui karakteristik alat ukur adalah penting agar pekerjaan
pengukuran secara menyeluruh (persiapan, pelaksanaan dan analisis) dapat
diandalkan keberhasilannya. Seseorang tidak akan dapat merancang pengukuran
dengan benar tanpa mengetahui arti karakteristik dari alat ukur. Beberapa
karakteristik penting dari alat ukur adalah:
a. Ketelitian atau Keseksamaan (Accuracy)
Ketelitian atau accuracy didefenisikan sebagai ukuran seberapa jauh hasil
pengukuran mendekati harga sebenarnya. Ukuran ketelitian sering dinyatakan
dengan dua cara, atas dasar perbedaan atau kesalahan (error) terhadap harga yang
sebenarnya, yaitu :
- Kesalahan terhadap harga sebenarnya dalam proses :
- Kesalahan dalam persen terhadap skala penuh, yaitu ;
%100arg
argarg×
−=
sebenarnyaahsebenarnyaahterukuraheh
%100argarg×
−=
maksimumskalasebenarnyaahterukuraheh
Universitas Sumatera Utara
b. Kecermatan atau Keterulangan (Precision/Repeatibility)
Adalah yang menyatakan seberapa jauh alat ukur dapat mengulangi
hasilnya untuk harga yang sama. Dengan kata lain, alat ukur belum tentu akan
dapat memberikan hasil yang sama jika diulang, meskipun harga besaran yang
diukur tidak berubah. Hal diatas berarti bahwa jika suatu mikrometer
menghasilkan angka 0,0002 mm, dan hasil yang sama akan diperoleh kembali
meskipun pengukuran diulang-ulang, dikatakan bahwa mikrometer tersebut sangat
cermat.
c. Resolusi
Resolusi adalah nilai perubahan terkecil yang dapat dirasakan oleh alat
ukur. Sebagai contoh : suatu timbangan pada jarum penunjuk yang menunjukkan
perubahan 0,1 gram (terkecil yang dapat dilihat) maka dikatakan bahwa resolusi
dari timbangan tersebut adalah 0,1 gram. Harga resolusi sering dinyatakan pula
dalam persen skala penuh.
d. Sensitivitas (Sebsitifity)
Sensitifitas adalah ratio antara perubahan pada output terhadap perubahan
pada input. Pada alat ukur yang linier, sensitivitas adalah tetap. Dalam beberapa
hal harga sensitivitas yang besar menyatakan pula keunggulan dari alat ukur yang
bersangkutan. Alat ukur yang terlalu sensitif adalah sangat mahal, sementara
belum tentu bermanfaat untuk maksud yang kita inginkan.
Universitas Sumatera Utara
II..4. FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KERJA ALAT UKUR
Banyak hal yang mempengaruhi kualitas kerja dari alat ukur. Dan tentunya
faktor-faktor ini juga mempengaruhi kualitas hasil pengukuran. Faktor yang
dimaksud tersebut berasal dari lingkungan terhadap alat ukur dan sebaliknya
adalah terdiri dari faktor temperatur, kelembapan, percepatan, media korosif,
radiasi nuklir dan media explosif.
a. Temperatur
Faktor ini dapat menyebabkan berubahnya sifat fisis dari bagian-bagian
alat ukur. Misalnya panjang atau dimensi fisis dari benda dapat berubah dengan
perubahan temperatur.
b. Kelembapan
Kelembapan adalah ukuran dari banyaknya uap air di udara. Kelembapan
sangat mempengaruhi kualitas dari macam-macam alat ukur maupun medianya.
Misalnya kertas sangat peka terhadap perubahan kelembapan. Persoalan ini sering
terjadi pada alat ukur perekam (rekorder). Juga pada alat ukur elektronik dapat
rusak atau berubah karakteristiknya karena kelembapan.
c. Percepatan
Bila daerah dimana alat ukur berada mengalami getaran atau gerakan
maka tidak mungkin pengukuran dengan baik. Apalagi bila alat ukur tersebut
mempunyai bagian-bagian yang bergerak, misalnya suatu timbangan mekanis
Universitas Sumatera Utara
yang diletakkan diatas papan yang bergetar, maka penunjukkannya tidak akan
teliti.
d. Media korosif
Alat ukur tekanan, temperatur, laju aliran yang terbuat dari bahan- bahan
korosif memerlukan rancangan khusus. Misalnya termokopel tidak dapat lagi
digunakan untuk mengukur temperatur larutan FeCl.
e. Radiasi Nuklir
Radiasi dapat mempengaruhi banyak sifat dari material, sehingga alat ukur
untuk bidang ini memerlukan rancangan khusus.
f. Media Explosif
Alat ukur untuk media yang mudah meledak atau terbakar harus dirancang
aman dan dapat menetralisir usaha-usaha yang dapat mempengaruhinya.
II.5. JENIS – JENIS ALAT UKUR TEMPERATUR
II.4.1. Jenis – Jenis Alat Ukur dengan metode pemuaian :
1. Termometer Air Raksa
Prinsip kerja berdasarkan perubahan temperature menyebabkan
perubahan volume, agar perubahan volume tersebut dapat tampak lebih
jelas (lebih sensitive) maka digunakan system reservoir dan kapiler.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4. Termometer Air Raksa
2. Termometer Bimetal
Dua buah logam dengan koefisien muai panjang berbeda, dan
diletakkan berdasarkan bersama-sama. Karena satu logam mempunyai
koefisien muai panjang yang lebih besar, maka kenaikan temperature akan
ditunjukkan oleh penyimpangan (defleksi) dari bimetal. Penurunan
temperature akan disertai dengan gerakan pada arah yang berlawanan.
Bimetal ini selain pengukur temperature sering pula digunakan sebagai
elemen control pada system pengontrol temperature (pada kontroler jenis
on-off).
Konstruksi antara lain :
Spiral
Bentuk U
Washer
Helik
Universitas Sumatera Utara
Helik ganda
Gambar 2.5. Termometer Bimetal
3. Termokopel
Termokopel terdiri dari sambungan (junction) dari dua logam yang
berbeda. Pada sambungan ini tedapat tegangan listrik yang tergantung
temperature junction. Perubahan temperature akan memberikan harga
tegangan yang berubah pula.
Pada termokopel tedapat 3 efek yang saling berkaitan yaitu :
1. Efek Seebeck
Bila dua logam yang berbeda dan dihubungkan seperti pada gambar v-
3 maka akan timbul tegangan listrik antara kedua terminal yang
besarnya tergantung pada temperature pada junctionnya (temperature
pada titik hubung antara kedua logam tersebut).
Universitas Sumatera Utara
2. Efek Peltier
Bila pada junction tersebut mengalir arus listrik maka tegangan litrik
yang terjadi akan berubah naik atau turun tegantung dari arah arus
listrik yang mengalir pada junction tersebut.
3. Efek Thomson
Bila sepanjang logam tersebut terdapat gradient temperature maka
besarnya tegangan tersebut juga akan berubah.
Gambar 2.6 Termokopel
Universitas Sumatera Utara
4. Termometer Tahanan
Termometer tahanan listrik berdasarkan perubahan tahanan listrik
suatu logam terhadap perubahan temperature, umumnya bila suatu logam
dipanaskan maka tahanan listriknya akan naik sesuai dengan
temperaturnya menurut hubungan.
Konstruksinya seperti pada gambar v-11, terdiri dari elemen perasa berupa
filament listrik diselubungi oleh sebuah pelindung. Sebagai filament listrik
yang baik umumnya digunakan platina, tembaga dan karbon. Bahan
tahanan harus mempunyai sifat :
a. penghantar panas
b. induktansi minimum
c. tidak tedapat tegangan listrik fisik
d. homogin
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7. Termometer Tahanan
II.6. Metode Pengukuran Temperatur.
Metode pengukuran temperatur ada dua macam yaitu :
1. Metode pemuaian panas yang diukur menghasilkan pemuaian dan
pemuaian ini dirubah kedalam bentuk gerak–gerak mekanik kemudian
dikalibrasi ke dalam angka–angka yang menunjukkan nilai panas (
temperatur ) yang diukur.
2. Panas yang diukur menghasilkan gaya gerak listrik ( Emf ) dan gaya
gerak listrik ini dikalibrasikan kedalam angka–angka yang
menunjukkan nilai proses ( temperatur ) yang diukur.
II.6.1. Sinyal Konverter
Pada gambar 3.6 memperlihatkan bentuk umum sebuah konverter P-I
Gambar 2.8.sinyal konverter
Universitas Sumatera Utara
Konverter P-I adalah suatu alat yang berhubungan dengan sensor dimana
untuk mengkonversikan tekanan yang dikirimkan oleh sensor untuk diubah
menjadi arus listrik standard 4-20 mA. Sinyal tekanan masukan diaplikasikan ke
bellow dan menghasilkan simpangan batang. Simpangan ini diukur oleh Linear
Variable Differential Transmitter (transformer diferensial variabel linear). Linear
Variable Differential Transmitter adalah suatu perubahan induksi magnet dari
kumparan primer ke kumparan sekunder, dimana dalam keadaan setimbang
magnet terletak ditengah dan kedua kumparan sekunder menerima fluks yang
sama. Sedangkan dalam keadaan tidak setimbang, fluks pada satu kumparan naik
dan yang lainnya turun. Pada keseimbangan, gaya kumparan (proporsional dengan
arus keluaran) sesuai dengan gaya dari bellow (proporsional dengan tekanan
sinyal masukan). Offset nol (4 mA) dalam sinyal elektrik cukup besar untuk
menggerakkan amplifier sehingga memungkinkan kedua kawat sinyal juga
berfungsi sebagai jaringan pasokan.
II.7. JENIS – JENIS AKSI KONTROL AUTOMATIK
II.7.1. Aksi Kontrol Automatik.
Kontrol automatik membandingkan harga yang sebenarnya dari
keluaran dengan harga yang diinginkan menentukan deviasi sampai
dengan nol atau sampai dengan harga terkecil yang masih diperbolehkan.
cara kontrol automatik ini yang menghasilkan sinyal kontrol disebut
dengan aksi kontrol ( Control Action ). Kontroler ( pengontrol ) automatik
di industri diklasifikasikan atas :
Universitas Sumatera Utara
a. Kontroler Aksi Dua Posisi ON – OFF
Ini adalah bentuk yang paling sederhana dari pengendalian loop
tertutup sistimnya akan sepenuhnya berfungsi atau sepenuhnya tidak
berfungsi tergantung pada besar kecilnya sinyal kesalahan yang
dihasilkan contohnya pengendalian Thermostatik dari pemanas
ruangan . pemanasan akan dilakukan apabila temperatur ruangan
dibawah nilai batas tertentu , dan akan dihentikan setelah temperatur
naik hingga batas atas tertentu pengendalian diatas telah cukup
memadai, dimana respon waktu ( time response ) dari sistem tersebut
secara efektif meniadakan perubahan yang mendadak pada
keluarannya . bahkan untuk situasi tertentu pengendalian ON – OFF
adalah yang paling sesuai karena piranti yang dikendalikan juga hanya
mengenal dua kondisi, ON – OFF ( terbuka penuh atau tertutup
penuh). Didalam dunia industri, telah banyak memanfaatkan
pengendalian ON – OFF sebagai pengendalian dalam membuka dan
menutup jenis katup tertentu yang mengatur aliran gas atau cairan.
Gambar 2.9. Kontroler Aksi Dua Posisi ON – OFF
Universitas Sumatera Utara
b. Kontroler Proporsional ( P )
Untuk mendapatkan pengendalian suatu proses yang lebih baik
tampak yang harus diperhatikan bukan saja ada tidaknya kesalahan
tetapi juga seberapa besar kesalahan yang terjadi tersebut .
pengendalian proporsional melakukan hal tersebut dengan melakukan
tindakan pengendalian yang sebanding / proporsional dengan besar
kesalahan yang terjadi . dalam prakteknya, ini berarti berapa besar
tindakan koreksi yang dilakukan sebanding dengan besar kesalahan
yang terjadi , dan selanjutnya makin mengecil setelah makin dekatnya
target yang diinginkan.
Gambar 2.10. Kontroler Proporsional ( P )
Universitas Sumatera Utara
c. Kontroler Aksi Integral
Aksi integral sering juga disebut dengan aksi reset . bila kita
sebagai kontroler kita mengadakan perbaikan dengan mengatur
kembali katup kontrol dengan tujuan menyamakan suhu air keluar
dengan set poin .setelah mengadakan perbaikan dan menunggu sesaat
kita dapat melihat bahwa suhu air memang menurun , akan tetapi
belum sama dengan set poin bila demikian halnya kita akan
mengadakan perbaikan selanjutnya dan menunggu sesaat sampai kita
dapat melihat hasilnya. Akhirnya setelah mengadakan perbaikan
beberapa kali ( TI , T2 , T3 ) suhu air keluar dapat disamakan dengan
set poin . apa yang kita lakukan tersebut adalah mengatur kembali
bukaan katup ketika suhu air keluar menyimpang dari set poin .reset
manual tidak akan memadai untuk suatu proses dengan perubahan
yang terus – menerus .untuk itu harus disediakan suatu mekanisme
yang dapat memberikan aksi reset dan mekanisme itu kemudian
ditambahkan ke kontroler proporsional . tidak dapat dihindari bahwa
penggunaan mekanisme reset pada kontroler membuat out put
kontroler naik atau turun selama terdapat penyimpangan antara set
poin dengan variabel proses . sehingga besaran aksi reset dapat
ditentukan oleh :
1. Berapa jauh variabel proses menyimpang dari set poin
2. Berapa lama variabel proses menyimpang dari set poin
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11. Kontroler Aksi Integral
d. Kontroler Aksi Derivative
Aksi ini juga disebut aksi laju ( rate ) karena aksi ini mendahului
perubahan pada masukan ( variabel proses ) kontroler itu sendiri . pada
kurva I dan II dibawah ini terlihat bahwa sama – sama menunjukan
suhu air keluar naik 100 C untuk itu aksi proporsional untuk kedua
kurva itu sama .akan tetapi luas bidang pada kurva I sedikit lebih kecil
dari luas bidang kurva II namun didapat kurva I menunjukkan
penyimpangan yang lebih cepat dibandingkan dengan kurva II.
Gambar 2.12. Kontroler Aksi Derivative
Universitas Sumatera Utara
Output kontroler aksi derivative dapat ditentukan dengan rumusdibawah ini :
Md : D de / dt dimana
Md = prosen luaran kontroler derivative
De/dt = laju perubahan error
Bilo aksi derivative ditambahkan pada kontroler aksi proporsional + integral maka
keluaran kontroler akan menjadi :
Mp + i + d =
Universitas Sumatera Utara