kalibrasi instrumen ukur
DESCRIPTION
instrumentasi dan pengukuranTRANSCRIPT
KALIBRASI INSTRUMEN UKUR
(KARAKTERISTIK DINAMIS)
1. Tujuan Praktikum Menentukan konstanta waktu instrument ukur; Menentukan waktu tanggap instrument ukur; dan Menentukan waktu naik instrument ukur.
2. Landasan TeoriKarakteristik dinamik menunjukkan performa instrument ukur ketika mengukur variable
yang berubah cepat. Kebanyakan sensor tidak dapat mengikuti perubahan cepat, namun memerlukan waktu beberapa saat sebelum mencapai tanggapan penuh. Waktu yang diperlukan terbgantung pada resistansi, kapasitansi, massa atau inersia, dan waktu mati instrument. Karakteristik dinamik dapat dinyatakan dengan taggapan undak (step response), tanggapan miring (ramp response), dan tanggapan frekuensi dari instrument ukur.
2.1 Tanggapan Undak (Step Respons)Tanggapan undak instrument ukur dalam mengukur varibel biasa digunakan untuk
menentukan karakteristik dinamik. Perubahan mendadak (undak) terjadi ketika variable terukur secara tiba-tiba berubah dari kondisi nilai tunak pertama (first steady state) ke kondisi nilai tunak kedua (second steady state). Sebagai contoh, perubahan mendadak sebesar 100°C dapat dilakukan dengan memindahkan sensor suhu dari es mencair ke dalam air mendidih.
Tanggapan undak sebuah instrument dapat digolongkan ke dalam: sangat teredam (overdamped), redaman kritik (crucially damped), atau osilasi teredam (underdamped). Tanggapan sangat teredam atau redaman kritik dinyatakan dalam waktu tanggap (response time) dan waktu naik (rise time), persentasi over-shoot, dan waktu mantap (settling time).
Dengan menganggap instrument ukur sebagai system orde-1, maka nilai pengukuran menikuti persamaan berikut.
(a) Perubahan naik
y = (yf – yo) (1 - ) + yo
(b) Perubahan turun
y = (y0 – yf) + y0
dengan :
y = nilai awal yang ditunjukkan instrument
y0 = nilai awal yang ditunjukkan instrument
τ = konstanta waktu
yf = nilai akhir yang ditunjukkan instrumen
Ket: nilai yang ditunjukkan instrument tidak selalu sama dengan nilai yang diukur
Konstanta waktu (time constant) adalah waktu yang diperlukan keluaran untuk mencapai 63.2 % dari nilai perubahan keseluruhan. Pada saat t = τ, maka pada
(a) Perubahan naik
y = 0.632 (yf – yo) + yo
(b) Perubahan turun
y = 0.368 (y0 – yf) + y0
Waktu tanggap (response time) adalah waktu yang diperlukan keluaran untuk mencapai presentase tertentu (95%) dari nilai perubahan keseluruhan
tr = 3τ
Waktu naik (rise time) adalah waktu yang diperlukan untuk berubah dari presentase tertentu (10%) ke persentase yang lebih besar (90%)
Waktu naik (10 – 90 %) = 2.197 τ
2.2 Ketidakpastian Pengukuran
Nilai ketidakpastian pengukuran menentukan seberapa besar penyimpangan nilai dari nilai rata – ratanya. Penentuan nilai ketidakpastian dilakukan dengan langkah berikut.
(1) Menghitung deviasi standar untuk seluruh pengukuran (sy).
sy =
dengan,
= nilai pengukuran ke-i
= rata – rata nilai pengukuran
N = jumlah data
(2) Menentukan nilai (t) dari table distribusi-t (lihat lampiran)(3) Nilai ketidakpastian adalah
Atau dalam persen skala penuh (FS, full scale)
(4) Maka nilai terukur adalah,
5. Alat, Bahan, dan Diagram Alir (Flow Sheet)
Termometer termokopel 1 buah Termometer digital dengan Sensor PT-100 1 buah Waterbath 1 buah Termos 1 buah
FLOW SHEET
Persiapan
Perubahan Naik
Isi waterbath
Panaskan air dalam waterbath sampai 800
Ukur suhu tunak air dalam gelas kimia
Ukur suhu air dalam gelas kimia dan waterbath
Ulangi langkah 1 dan 2 sebanyak 5 kali
Pindahkan ke dalam air panas dalam waterbath, tekan tombol stopwatch
setelah suhu termometer tepat mencapai 63% dari nilai perubahan
maksimum
Ganti termometer dengan sensor PT -100Celupkan sensor PT-100 ke dalam gelas
kimia yang berisi air dingin dan tunggu sampai mencapai keadaan tunak. Ukur nilai
hambatan sensor PT-100 dengan multimeter pada posisi 200 ohm
Perubahan Turun
6. CARA PENGOLAHAN DATA
Caranya sama seperti pengukuran naik, tetapi dimulai dari suhu
panas ke suhu dingin
Pindahkan ke dalam air panas dalam waterbath, tekan tombol stopwatch
setelah suhu termometer tepat mencapai 63% dari nilai perubahan
maksimum
Ulangi langkah 1 dan 2 sebanyak 5 kali
5.1 DATA PENGAMATAN DAN CARA PERHITUNGAN
Pengukuran oleh termokopel
Pengukuran Naik
Percobaan Ke1 2 3 4 5
Suhu Air dingin (Td), oC 18 19 19 19 19Suhu Air Panas (Tp), oC 82 82 81 81 79Suhu Akhir = (0.63(Tp-Td)+Td 58.3 58.7 58.0 58.0 56.8
= 57.96
Pengukuran Turun
Percobaan Ke1 2 3 4 5
Suhu Air dingin (Td), oC 18 19 19 19 19Suhu Air Panas (Tp), oC 80 81 82 81 80Suhu Akhir = (0.37(Tp-Td)+Td 40.9 41.9 42.3 41.9 41.6
= 41.72
Pengukuran oleh sensor PT-100
Pengukuran naik
Percobaan Ke1 2 3 4 5
Suhu Air dingin (Td), oC 25.5 25.5 25 25 26.5Suhu Air Panas (Tp), oC 85 88 88 87.5 84Suhu Akhir = (0.63(Tp-Td)+Td 62.8 64.3 64.7 64.4 56.8
= 62.6
Pengukuran turun
Percobaan Ke1 2 3 4 5
Suhu Air dingin (Td), oC 25.5 25.5 25 25 25.5Suhu Air Panas (Tp), oC 88 81.9 87 81.5 83Suhu Akhir = (0.63(Tp-Td)+Td 48.3 46.3 47.9 45.9 46.7
= 47.02
Deviasi standar dari lima nilai pengukuran
Sy =
y1 = nilai pengukuran ke-i
= rata-rata nilai pengukuran
N = jumlah data.
a) Deviasi standar untuk pengukuran suhu naik
Sy naik =
suhu naik = 57.96
b) Deviasi standar untuk pengukuran suhu turun
Sy =
suhu turun = 41.77
c) Deviasi standar untuk pengukuran sensor PX-11 naik
Sy sensor naik =
sensor naik = 62.6
d) Deviasi standar untuk pengukuran sensor PX-11 turun
Sy sensor turun =
sensor turun = 47.02
Nilai Ketidakpastian Pengukuran
[Nilai t berdasarkan table distribusi-t untuk jumlah data (n = 5) = 2.776 ]
Nilai dalam besaran fisik Dalam persen skala penuh
Nilai Konstanta Waktu (
Pengukuran Naik
NO Konstanta Waktu ( )
Termokopel (detik) Sensor PT-100 (detik)1 3,54 11,882 2,47 9,93 2,84 10,964 2,77 15,125 2,91 10,84
Pengukuran Turun
NOKonstanta Waktu ( )
Termokopel (detik) Sensor PT-100 (detik)1 3.32 10,382 2.13 9,573 1.92 10,964 2.75 10,635 2.52 11,19
BESARANINSTRUMEN UKUR
Termokopel PT-100Konstanta Waktu (detik) 2,906 11,74KetidakpastianSatuan Teknik (detik) 0,87 (naik) ; 0.64 (turun) 4.11 (naik) ; 1.27 (turun)Persen skala penuh (%) 1,4% (naik) ; 1 % (turun) 11,0% (naik) ; 5.8 % (turun)
Waktu Tanggap dan Waktu Naik
BESARANINSTRUMEN UKURTermokopel PT-100
Waktu Tanggap (detik) 8,718 35,22Waktu naik (detik) 6,38 25,79
7. Pembahasan
Waktu pengukuran adalah salah satu faktor yang menentukan ketelitian. Bila
pengukuran dilakukan terlalu cepat, maka nilai yang diperoleh belum menunjukkan nilai
sebenarnya. Begitupun sebaliknya, bila pengukuran terlalu lama meskipun akan diperoleh
nilai sebenarnya, akan terjadi pemborosan waktu yang tidak perlu. Oleh karena itu harus
diketahui berapa lama pengukuran dilakukan agar dihasilkan nilai dalam batas toleransi yang
diterima. Besaran yang menentukan lama pengukuran disebut dengan konstanta waktu.
Selain konstanta waktu, terdapat besaran lain yang dapat menunjukkan secara nyata waktu
pengukuran yang diperlukan, diantaranya waktu tanggap dan waktu naik. Dengan mengetahui
waktu tanggap dan waktu naik, dapat diketahui seberapa cepat pengukuran dapat dilakukan.
Konstanta waktu, waktu tanggap (response time),dan waktu naik (rise time) pada
temperatur air dingin (18-25oC) dengan air panas (78-88oC) yang diukur dengan
menggunakan termometer termokopel dan termometer digital secara pengukuran naik dan
pengukuran turun, mempunyai nilai yang berbeda. Ini terbukti dari hasil pengukuran yang
didapatkan dan dapat dipastikan bahwa perbedaan yang terjadi adalah akibat dari perbedaan
ketelitian dari kedua instrument ukur tersebut.
Dalam percobaan ini penampilan instrument ukur ketika instrument ukur mengukur
variabel dengan perubahan yang sangat cepat. Media pengujian instrumen ukur adalah
dengan mengunakan air dingin dan air panas. Sedangkan pada umumnya instrument tidak
bisa mengikuti perubahan yang cepat, karena instrument ukur memerlukan waktu untuk
berubah atau memberikan keterangan tentang ukuran yang diinginkan. Hal ini disebabkan
karena instrument ukur tersebut mengalami tahapan yang disebut tanggapan undak (step
response) atau mengalami perubahan yang sangat cepat sekali dari variable ukur pertama ke
variable ukur kedua yang dialami ketika termometer dengan suhu air dingin (18-25oC) dan
suhu diatas 80 oC ketika ada dalam air panas. Selain itu, tingkat sensitifitas dari tiap
termometer berbeda, sehingga hasilnya juga berbeda. Ketika dalam melakukan percobaan,
seperti dalam memegang termometer serta dalam pembacaan angka juga berpengaruh
terhadap nilai.
Dari data konstanta waktu yang ada pada data pengamatan di atas terdapat perbedaan
konstanta waktu pada saat pengukuran naik dan pengukuran turun dari thermokopel.
Seharusnya secara teoritis, nilai konstanta waktu pada pengukuran naik dan pengukuran turun
adalah sama. Sehingga dari data tersebut dapat dilihat bahwa termometer digital lebih cepat
menanggapi kenaikan temperatur daripada penurunan temperatur yang disebabkan
karakteristik bahan termometer yang mudah menyerap panas.
Faktor yang mempengaruhi ketidakpastian pengukuran diantaranya penentuan waktu
memberhentikan stopwatch dalam menghentikan pengkuran naik ataupun turun. Kurang
telitinya dalam mengamati perubahan suhu sehingga dalam menentukan waktu juga kurang
tepat. Human error, serta kesalahan paralak operator dalam mengoperasikan alat ketika
pembacaan itu dilakukan. Dalam pembacaan suhu terukur oleh alat yang diambil saat suhu
belum menunjukkan nilai yang konstan, kesalahan paralaks, random error, maupun
pengukuran suhu dalam kondisi yang tidak stabil
Dalam hal ini perlu di lakukan usaha untuk memperkecil ketidakpastian sehingga
didapatkan hasil yang lebih akurat, yaitu dengan cara melakukan pengukuran berulang-ulang
dan melakukan hitung perataan terhadap hasil pengukuran dan kesalahan pengukuran.
8. Simpulan
Hasil Pengukuran dan Ketidakpastian
Termokopel Sensor PT-100Naik Ketidakpastian Turun Ketidakpastian Naik Ketidakpastian Turun Ketidakpastian58.3
0.87
40.9
0.64
62.8
4.11
48.3
1.2758.7 41.9 64.3 46.3
58 42.3 64.7 47.958 41.9 64.4 45.9
56.8 41.6 56.8 46.7
1. Ketergantungan hasil pengukuran terhadap instrument ukur disebabkan oleh beberapa hal:
tingkat sensitifitas dari tiap termometer berbeda
Karakteristik bahan yang berbeda dari berbagai thermometer. Ada yang lebih cepat
menyerap panas atau lebih lambat.
Perlakuan pada thermometer juga mempengaruhi hasil (contohnya cara memegang)
Alat ukur memiliki nilai step response yang berbeda-beda
2. Faktor yang mempengaruhi ketidakpastian pengukuran diantaranya :
Penentuan waktu memberhentikan stopwatch dalam menghentikan pengkuran naik
ataupun turun.
Kurang telitinya dalam mengamati perubahan suhu sehingga dalam menentukan
waktu juga kurang tepat
Human error
Kesalahan paralak operator dalam mengoperasikan alat ketika pembacaan itu
dilakukan.
Dalam pembacaan suhu terukur oleh alat yang diambil saat suhu belum menunjukkan
nilai yang konstan
Pengukuran suhu dalam kondisi yang tidak stabil
4. Saran dari kami agar hasil percobaan dapat lebih baik lagi yaitu dengan dilakukan usaha
untuk memperkecil ketidakpastian sehingga didapatkan hasil yang lebih akurat, yaitu dengan
cara melakukan pengukuran berulang-ulang dan melakukan hitung perataan terhadap hasil
pengukuran dan kesalahan pengukuran.
DAFTAR PUSTAKA
Anderson, N. A. (1980). Instrumentation for Process Measurement and Control. Chilton Co., Radnor, Pennsylvania.
Bateson, R.N. (1993). Introduction to Control System Technology. Maxwell Macmillan International, Singapore.
Dally, J. W., et. al. (1993). Instrumentation for Engineering Measurements. Edisi-2, John Wiley & Sons, Inc., Singapore
Doebelin, E. O. (1990). Measurement Systems. McGraw-Hill Int. Ed., Singapore