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 (2.1)

dimana : P = tekanan (N/m2)

h = tinggi cairan (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 (2.3)

dimana : F = gaya (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 (2.4)

dimana : K = konstanta pegas (N/m)

s = jarak (m)

Dari dua persamaan ini akan didapat :

P = A

sK × (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) (2.8)

P = 2hV

Ag×

××ρ (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 strain-

gage) 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 kadang-

kadang 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 gage-

gage 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 = llRR

//

∆∆ 2.10

dimana : K = 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 = 2)4/( dl

luaspanjang

πρρ ×

= 2.11

dimana : R = tahanan (Ω) l = panjang konduktor (m)

d = diameter konduktor (mm) d = diameter konduktor (mm)

ρ = tahanan jenis (mmm 2.Ω )

Tarikan (tension) terhadap konduktor menyebabkan pertambahan panjang ∆ l dan

pengurangan secara bersamaan pada diameter ∆ d. Maka tahanan konduktor

menjadi :

R = )/21()4/(

)/1())(4/(

)(22 ddd

llldd

ll∆−

∆+=

∆−∆+

πρ

πρ 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

∝ = lldd

//

∆∆ 2.13

dimana : ∝ = bilangan Poisson

Substitusi persamaan 2.13 kedalam persamaan 2.12 memberikan :

R =

∆−∆+

llll

dl

/21/1

)4/( 2 µπρ 2.14

Yang dapat disederhanakan menjadi :

R = R + ∆R = R

∆

++ll)21(1 µ 2.15

Pertambahan tahanan,∆R jika dibandingkan terhadap pertambahan panjang ∆ l

selanjutnya dinyatakan dalam faktor gage K dimana :

K = llRR

//

∆∆ = 1 +2∝ 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 :

ES

=σ 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

Bahan Komposisi Faktor gage K Koefisien tahanan-

temperatur C

Mangan Cu 84, Mn 12, Ni 4 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

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 Output

Proses

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.

PROSES

UMPAN BALIK

INPUT OUTPUT+-

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.