BAB I : KONTROL AKHIR

Tujuan Instruksional

Dalam bab ini, diberikan teknik-teknik umum yang dipergunakan untuk

mengimplementasikan fungsi elemen kontrol akhir. Setelah membaca bab ini, saudara

diharapkan mampu untuk :

1. Mendefinisikan tiga bagian dari operasi kontrol akhir

2. Memberikan dua contoh konversi sinyal listrik

3. Membuat diagram dan menguraikan prinsip kerja pneumatik nosel/flapper

4. Menguraikan prinsip kerja motor ac, motor dc, dan motor step

5. Menjelaskan fungsi dari penggerak posisi pneumatik dalam cara maju dan

cara kebalikannya

6. Membedakan katup-katup kontrol bukaan cepat, linier, dan persentase

sama dalam kaitannya dengan aliran versus posisi stem

7. Menjelaskan bagaimana teknik pengukuran katup kontrol memperoleh

ukuran yang tepat dari katup kontrol.

1.1. Pendahuluan

Pada suatu aplikasi proses kontrol tertentu, pengukuran dan evaluasi dari beberapa

variabel terkontrol dibawa oleh representasi analog berenergi rendah atau representasi digital

dari variabel. Sinyal kontrol yang membawa informasi umpan balik kembali ke proses untuk

melakukan aksi/tindakan korektif yang perlu juga dinyatakan oleh tingkat representasi yang

sama rendahnya. Secara umum, proses yang dikontrol itu sendiri dapat melibatkan kondisi

energi tinggi seperti aliran dari ribuan meter kubik cairan atau ratusan ribu newton gaya

hidrolik, seperti halnya yang terjadi di sebuah pabrik baja. Fungsi dari elemen kontrol akhir

adalah menterjemahkan sinyal-sinyal kontrol energi rendah ketingkat tindakan yang sesuai

dengan proses yang dikontrol. Hal ini dapat dipandang sebagai penguatan dari sinyal kontrol,

walaupun dalam banyak kasus, sinyal ini juga dikonversikan menjadi suatu bentuk yang sama

sekali lain.

Dalam bab ini, diberikan teknik-teknik umum yang dipergunakan untuk

mengimplementasikan fungsi elemen kontrol akhir bersama-sama dengan contoh-contoh

spesifik dibeberapa daerah proses kontrol. Sebuah transduser ideal dipergunakan untuk

1

mengukur sejumlah variabel dinamis di sebuah aplikasi proses kontrol, mempunyai efek yang

dapat abaikan terhadap kontrolnya itu sendiri. Biasanya, transduser ini berupa tranduksi fasip

berenergi rendah dari sejumlah variabel dinamis, yang bisa berupa sebuah parameter energi

tinggi Dengan demikian, seleksi tranduser pada dasarnya didasarkan pada spesifikasi

pengukuran tertentu dan proteksi-proteksi yang perlu (dari transduser) dari efek-efek tertentu

yang berasal dari lingkungan proses. Pada seleksi transduser, pada ahli teknologi. Proses

kontrol tidak perlu pengetahuan tentang mekanisme proses itu sendiri tetapi lebih memerlukan

efek-efeknya terhadap lingkungan.

Argumen-argumen ini tidak berlaku, jika kita memperhatikan elemen kontrol akhir. Elemen

kontrol akhir mempunyai efek pada proses, dan karenanya harus diseleksi setelah adanya

pertimbangan terinci dari mekanisme-mekanisme operasional proses. Oleh karena itu, seleksi

seperti ini bukan merupakan tanggung jawab para ahli teknologi proses kontrol saja.

Dalam kaitannya dengan hal ini, para ahli teknologi kontrol proses harus mampunyai latar

belakang yang cukup memadai tentang elemen kontrol akhir dan pengkondisian sinyalnya

guna mengetahui bagaimana peralatan ini melakukan interface dengan alat-alat kontrol proses

dan transduser-transdusernya. Para ahli teknologi juga harus mampu berkomunikasi dan

bekerja sama dengan baik dengan para engineer proses untuk masalah-masalah ini. Tujuan

bab ini dipilih guna memenuhi tanggung jawab ini.

1.2. Cara Kerja Kontrol Akhir

Cara kerja kontrol akhir melibatkan sejumlah langkah yang diperlukan untuk

mengkonversikan sinyal kontrol (yang dibangkitkan oleh alat kontrol proses) menjadi aksi

proporsional pada proses itu sendiri. Jadi, untuk menggunakan sinyal kontrol 4/20 mA untuk

memvariasikan suatu tingkat aliran yang besar, dari katakanlah 10,0 m3/menit sampai 50,0

m3/menit sudah tentu memerlukan beberapa operasi lanjutan. Operasi lanjutan tertentu

memvariasi berdasarkan disain kontrol proses akan tetapi generalisasi tertentu dapat dibuat

berdasarkan tahapan-tahapan dari sinyal kontrol sampai ke elemen kontrol akhir itu sendiri.

Untuk suatu aplikasi kontrol proses tertentu, konversi alat kontrol proses menjadi suatu fungsi

kontrol dapat dijelaskan secara bertahap seperti ditunjukkan pada gambar 1.1. Disini, sinyal

kontrol masukan boleh diambil dari berbagai bentuk, termasuk arus listrik, sinyal digital, atau

tekanan pneumatik.

2

Gambar 1.1: Elemen-elemen operasi kontrol akhir

1.2.1. Konversi Sinyal

Tahap ini mengacu pada modifikasi yang harus dibuat pada sinyal kontrol untuk

melakukan interfis dengan tahap kontrol berikutnya, yakni aktuator (penggerak). Jadi, jika

suatu elemen kontrol katup akan dioperasikan dengan aktuator motor listrik, maka sinyal

kontrol DC 4/2C mA harus dimodivikasi untuk mengoperasikan motor. Jika motor DC

digunakan mungkin dilakukan konversi dari arus ke tegangan dan amplifikasi.. Peralatan-

peralatan yang melakukan konversi sinyal seperti ini disebut transduser, karena mengkon-

versikan sinyal-sinyal kontrol dari bentuk yang satu kebentuk lainnya seperti dari arus

ketekanan, dari arus ketegangan, dan seterusnya.

1.2.2. Penggerak

Perhatikan gambar 1.1. Hasil konversinya memberikan sinyal yang telah diperkuat

dan/atau sinyal yang telah diubah yang dirancang untuk beroperasi (menggerakan) suatu

mekanisme guna mengubah variabel yang sedang di kontrol pada proses. Efek langsungnya

biasanya diimplementasikan oleh sesuatu di proses misalnya katup atau pemanas yang harus

dioperasikan oleh sejumlah perlengkapan. Aktuator adalah terjemahan dari sinyal kontrol

(terkonversi) menjadi tindakan pada elemen kontrol. Jadi, jika sebuah katup akan diope-

rasikan, maka aktuator adalah sebuah peralatan yang mengkonversikan sinyal kontrol menjadi

tindakan fisik berupa bukaan atau tutupan katup tersebut.

1.2.3. Elemen Kontrol

Akhirnya, kita memperoleh gambaran tentang elemen kontrol akhir. Peralatan ini

mempunyai pengaruh langsung pada variabel dinamis proses dan dirancang sebagai bagian

integral dari proses. Jadi, jika kita ingin mengontrol aliran, maka elemen kontrol yang berupa

sebuah katup, harus ada langsung di sistem aliran. Demikian juga, jika kita ingin mengontrol

3

Sinyal kontrol Actuator

Elemen kontrol akhir

Proses

Konversi sinyal

suhu, maka mekanisme atau elemen kontrol yang punya pengaruh langsung terhadap suhu

harus dilibatkan di proses. Ini bisa berupa kombinasi pemanasan/pendingin yang digerakan

secara listrik oleh relay atau katup pneumatik guna mengontrol fluks dari reaktan.

Pada gambar 1.2, diperlihatkan sebuah sistem kontrol yang dipaksa untuk mengontrol suhu

pembakaran kue yang ditentukan oleh warna kue tersebut. Sistem pengukuran optik

menghasilkan sinyal 4-20 mA yang merupakan reperentasi analog dari warna kue (dan

dengan demikian menunjukan pembakaran yang tepat).

Alat kontrol membandingkan pengukuran dengan set point dan mengeluarkan sinyal 4-20 mA

yang meregulasi kecepatan motor pengumpan sabuk ban berjalan guna mengatur waktu

pembakaran di oven

Gambar 1.2: Sistem proses kontrol yang memperlihatkan cara kerja kontrol akhir

4

Cara kerja kontrol akhir digambarkan oleh konversi sinyal yang

mentranformasikan sinyal 4-20 mA menjadi sinyal 50-100 V yang dibutuhkan

oleh kontrol kecepatan motor. Motor itu sendiri adalah penggerak, sedangkan

rakitan sabuk ban berjalan adalah elemen kontrol.

Karena aplikasi teknik proses kontrol di industri bervariasi seperti jenis industri

itu sendiri, dalam hal ini tidak praktis jika kita ingin membahas teknik kontrol

akhir secara keseluruhan. Dengan mempelajari sejumlah contoh saja, pembaca

diharapkan siap untuk menganalisis dan memahami teknik-teknik lainnya yang

ada di industri.

1.3. Konversi Sinyal

Tujuan utama dari konversi sinyal adalah mengkonversikan sinyal kontrol

energi rendah menjadi sinyal energi tinggi untuk mengendalikan penggerak.

Sinyal-sinyal keluran alat kontrol biasanya ada dalam salah satu dari ketiga bentuk

berikut ini :

1. Sinyal arus listrik, biasanya 4 sampai 20 mA.

2. Sinyal tekanan pnemetik, biasanya 3 sampai 15 psi (0,2 - 1 Bar)

3. Sinyal-sinyal digital, biasanya tegangan-tegangan level TTL dalam format

seri atau paralel.

Ada sejumlah skema yang berbeda untuk konversi sinyal-sinyal ini kebentuk-

bentuk lain tergantung pada bentuk akhir yang diinginkan dan pada teknologi

yang dipakai yang dipakai untuk menghasilkan konversi ini. Di sub bab berikut ini

diberikan sejumlah skema konversi yang lebih umum. Dalam hal ini diharapkan

bahwa saudara selalu tanggap terhadap kemajuan teknologi dan metoda-metoda

baru tentang pengkondisian sinyal dan korversi sinyal.

1.3.1. Sinyal Listrik Analog

Banyak metoda pengkondisian sinyal analog yang didiskusikan pada bab 2

dipakai pada konversi-konversi yang dibutuhkan untuk kontrol akhir. Paragraf

berikut ini merangkumkan beberapa pendapat yang lebih umum.

5

Relay

Konversi yang umum adalah untuk menggunakan sinyal alat kontrol guna

mengaktifkan sebuah relay apabila kontrol on-off atau kontrol dua posisi sudah

mencukupi. Dalam beberapa kasus, sinyal arus rendah tidak cukup kuat untuk

mengendalikan sebuah relay industri yang berat, dan sebuah amplifier harus

dipakai untuk memperbesar sinyal kontrol pada suatu tingkat yang memadai untuk

melakukan pekerjaan ini.

Amplifier

Amplifier DC atau AC berdaya tinggi seringkali dapat memberikan konversi dari

sinyal kontrol energi rendah menjadi energi tinggi. Amplifier seperti ini dapat

berfungsi sebagai kontrol motor, kontrol panas, kontrol tingkat cahaya, dan

kebutuhan-kebutuhan industri lainnya.

Contoh 1.1 : Sebuah amplifier maknetis membutuhkan sinyal masukan 5-10 V

dari sinyal kontrol 4-20 mA. Rancang sebuah sistem konversi

sinyal yang dapat memberikan hubungan dia atas.

Penyelesaian : Pertama-tama kita harus mengkonversikan arus ke tegangan dan

selanjutnya memberikan penguatan serta bias yang dikehendaki.

Kita dapat memperoleh tegangan dengan memakai sebuah resistor

di jalur arus, katakanlah resistansinya adalah 100 ohm. Maka, 4-

20 mA menjadi 0,4 - 2,0 V. Sekarang sistem amplifier harus

memberikan keluaran :

Vout = KVin + Vs

Dimana K adalah penguatan dan Vs adalah tegangan bias. Kita

tahu bahwa masukan 0,4 V harus memberikan keluaran 5 V dan

masukan 2 V harus memberikan keluran 10 V. Dengan memakai

persamaan-persamaan simultan berikut kita bisa mencari K dan

Vs :

5 = 0,4 K + Va

10 = 2 K + Va

Dari sini kita peroleh :

6

5 = 1,6 K

K = 3,125

Dengan demikian : Va = 3,75

Jadi :

Vout = 3,125 Vin + 3,75.

Rangkaian pada gambar 7.3 berikut memperlihatkan bagaimana

hal ini dapat diimplementasikan memakai konvigurasi Op Amp.

Gambar 1.3: Rangkaian Op Amp yang dipakai untuk memberikan kebutuhan- kebutuhan pengkondisian sinyal contoh 1.1

Kontrol Motor

Banyak rangkaian kontrol motor yang dirancang sebagai unit paket yang

menerima sinyal DC tingkat rendah untuk mengontrol kecepatan motor secara

langsung. Jika sistem seperti ini tidak tersedia, dapat dibuat rangkaian-rangkaian

dengan memakai amplifier dan SCR atau TRIAC guna melakukan kontrol ini.

Rincian dari sistem kontrol seperti ini di luar lingkup teks. Elemen-elemen dasar

dari motor listrik dan kontrol tersebut dibicarakan lebih lanjut pada bab ini.

7

1.3.2. Sinyal Listrik Digital

Konversi sinyal digital menjadi bentuk yang diinginkan oleh operasi kontrol akhir

biasanya biasanya dilakukan memakai sistem yang telah dibicarakan pada bab 3.

Disini kita singgung sekali lagi elemen-elemen dasar dari keluaran yang

melakukan interface antara komputer dan kontrol akhir.

Kontrol On/Off

Ada sejumlah kasus dalam kontrol proses dimana algoritma kontrol dicapai

dengan komando-komando sederhana bagi perlengkapan luar guna mengubah

kecepatan, menyalakan (atau mematikan), menggerakan ke atas, dan seterusnya.

Dalam kasus-kasus seperti ini komputer dapat membebani jalur keluaran dengan 1

atau nol (0). Dengan demikian kita dapat memakai sinyal sederhana ini untuk

menutup sebuah relay atau mengaktifkan beberapa rangakain luar.

DAC

Pada waktu keluaran digital harus memberikan kontrol yang halus sebagaimana

halnya pada pengaturan posisi katup, komputer harus memberikan keluaran pada

DAC yang selanjutnya menentukan keluaran anolog yang tepat. Pada waktu

sebuah komputer harus memberikan keluaran-keluaran bagi sejumlah elemen

kontrol akhir, sebuah sistem atau modul keluaran data seperti yang diuraikan pada

bab 3 dapat dipergunakan. Modul-modul terpadu ini mengandung channel

addresing, DAC, dan elemen-elemen lain yang dibutuhkan dari sebuah sistem

interface keluaran.

Contoh 1.2 : Sebuah kata digital 4 bit akan dipakai untuk mengontrol

penyetelan pemanas resistif 2 ohm. Keluaran panas bervariasi

sebagai masukan 0 - 24 V bagi pemanas. Dengan memakai DAC

10 V dan sebuah amplifier serta amplifier arus tinggi

berpenguatan 1, hitunglah :

(a). Penyetelan dari disipasi panas minimum sampai

maksimum.

(b). Bagaimana daya bervariasi dengan perubahan LSB.

8

Penyelesaian : (a). Sebuah kata digital 4 bit mempunyai 16 keadaan. Jadi, DAC

mengeluarkan tegangan dari 0 V untuk sebuah 00002 masukan

sampai 9,375 V untuk masukan 11112. Jika kita memakai

penguatan sebesar 2,56; maka masukan pemanas menjadi 0 - 24

V dalam tahapan 1,5 V.

Dissipasi panas dapat dicari dari :

P = (1-1)

Selanjutnya, untuk minimum P = 0 karena V = 0 dan untuk

maksimum :

Pout =

Pmaks = 288 W

(b). Variasi dalam pemanasan dengan tegangan tidaklah linier

karena daya bervariasi sebagai kuadrat tegangan kita dapat

mencari kenaikan daya untuk suatu perubahan tak hingga di

tegangan dengan menurunkan persamaan 1.1

Untuk langkah digital terhingga, diperoleh :

=

yang merupakan perubahan dalam pemanasan per langkah

perubahan di tegangan yang berkaitan dengan sebuah perubahan

bit.

Karena ΔV = 1,5 V, maka :

Δ P = W/LSB R

Ini berarti bahwa perubahan bit pertama menghasilkan

perubahan daya sebesar 1,125 W dan bit terakhir sebesar 34,875

W.

Aksi Langsung

9

Sebagaimana pemakaian teknik digital dan teknik komputer pada kontrol

proses menjadi lebih meluas, banyak metoda-metoda baru tentang kontrol akhir

yang dikembangkan sehingga dapat langsung digerakakan oleh komputer. Jadi,

sebuah motor step (tangga) dapat berinterface dengan amat mudah dengan sinyal-

sinyal digital yang dikeluarkan sebuah komputer. Pada pengembangan lain, dibuat

IC-IC khusus untuk mengenyampingkan elemen-elemen akhir dan membolehkan

sinyal digital untuk dihubungkan secara langsung.

1.3.3. Sinyal Pneumatik

Pneumatik mempunyai spektrum yang lebar bagi aplikasi-aplikasi tentang

tekanan fluida bagi kebutuhan industri. Yang paling umum adalah untuk

memberikan suatu gaya dengan tekanan fluida yang bekerja pada sebuah torak

atau diafragma. Selanjutnya, kita akan berbicara lebih lanjut tentang aplikasinya

di kontrol proses. Pada bab ini, kita tertarik pada pneumatik sebagai sarana

penjalaran informasi, yaitu sebagai pembawa sinyal, dan bagaimana sinyal

tersebut dapat dikonversikan menjadi bentuk-bentuk lain.

Prinsip

Pada suatu sistem pneumatik, informasi dibawa oleh sebuah tekanan gas di

dalam pipa. Jika kita mempunyai pipa dengan panjang tertentu dan menaikkan

tekanan gas disalah satu ujungnya, kenaikan tekanan ini akan menjalar

disepanjang pipa samapai tekanan naik mencapai suatu harga baru. Sinyal tekanan

bergerak sepanjang pipa dengan kecepatan dalam daerah kecepatan suara dalam

gas (udara), yaitu sekitar 330 m/s (1082 ft/s). Jadi, jika sebuah transduser

mengubahubah tekanan gas pada salah satu ujung pipa yang panjangnya 330 m

(sekitar 360 yard) untuk menanggapi beberapa variabel terkontrol, maka tekanan

yang sama itu akan muncul pada ujung pipa yang lain setelah penundaan sekitar

satu detik. Untuk instalasi-instalasi proses kontrol, waktu tunda ini tanpa

konsekuensi, walaupun sangat lambat dibandingkan dengan sinyal listrik. Tipe

penjalaran sinyal ini dipakai bertahun-tahun lamanya dalam kontrol proses

sebelum teknologi listrik/elektronik maju sampai pada suatu tingkat keandalan

10

dan keamanan yang dapat dipakai dengan penuh kepercayaan. Pneumatik masih

tetap dipakai pada sejumlah instalasi karena adanya bahaya yang berasal dari

perlengkapan listrik, atau sebagai sisa-sisa pemakaian sebelumnya, dimana

konversi menjadi metoda listrik akan menimbulkan masalah biaya. Secara umum,

sinyal pneumatik dibawa bersama-sama udara kering yang bertindak sebagai gas

di mana informasi sinyal telah disetel untuk daerah 3 sampai 15 psi. Pada sistem

metrik dipakai daerah 20 sampai 100 kpa. Ada 3 tipe konversi sinyal yang paling

utama yang akan dibicarakan di bawah ini.

Penguatan

Sebuah amplifier pnematik, juga disebut relay atau booster, menaikan

tekan dan/atau volume aliran udara dengan jumlah yang proposional linier

terhadap sinyal masukan. Jadi, jika booster mempunyai penguatan tekanan sebesar

10, keluarannya akan sebesar 30 - 150 psi untuk masukan sebesar 3 - 15 psi. Hal

ini dilakukan melalui sebuah regulator yang diaktifkan oleh sinyal kontrol.

Diagram skematik dari salah satu tipe booster tekanan ini diperlihatkan pada

gambar 1.4.

Perlu dicatat bahwa pada waktu tekanan sinyal berubah-ubah; gerakan diafragma

akan memindahkan plug di badan booster. Jika gerakannya kebawah, kebocoran

gas dikurangi, dan tekanan di jalur keluaran ditingkatkan. Peralatan yang

diperlihatkan disini adalah peralatan kerja balik karena tekanan sinyal tinggi akan

mengakibatkan tekanan keluaran menjadi berkurang. Masih banyak rancang

bangun lain yang dapat dipergunakan untuk keperluan penguatan.

11

Gambar 1.4 : Sebuah amplifier pneumatik atau booster mengkonversikan sinyal tekanan menjadi tekanan yang lebih tinggi atau menjadi tekanan

yang sama besarnya dengan volume udara yang lebih banyak.

Sistem Nosel/Flapper

Konversi sinyal yang sangat penting adalah dari tekanan menjadi gerakan

mekanis dan sebaliknya. Hal ini bisa diberikan oleh sistem Nosel/Flapper

(seringkali disebut juga sebagai sistem Nosel/baffle). Diagram parlatan ini

diperlihatkan pada gambar 1.5a. Sebuah suplai tekanan teregulasi biasanya diatas

20 psig memberikan sumber udara melalui hambatan (restriksi). Nosel ini terbuka

pada ujungnya dimana ada kesenjangan antara nosel dan flapper, dan udara keluar

di daerah ini. Jika flapper bergerak ke bawah dan menutup bukaan nosel sehingga

tidak ada udara yang bocor, tekanan sinyal akan naik mencapai tekanan suplai.

Pada waktu flapper bergerak menjauhi, tekanan sinyal akan turun karena adanya

kebocoran gas. Akhirnya, pada waktu flapper ini jauh, tekanan akan stabil pada

suatu harga yang ditentukan oleh kebocoran maksimum melalui nosel. Gambar

1.5b memperlihatkan hubungan antara tekanan sinyal dan jarak kesenjangan.

Perlu dicatat bahwa sensitivitas yang besar dari sistem ini ada di bagian tengah.

Nosel/flapper dirancang untuk beroperasi di daerah bagian tengah dimana

kemiringan garis adalah paling besar. Di bagian ini, tanggapanya akan sedemikian

12

rupa bahwa gerakan yang sangat kecil dari flapper akan mengubah tekanan

dengan suatu harga tertentu.

Gambar 1.5 : Prinsip dari sistem nosel/flapper

Konverter Arus ke Tekanan

Konverter arus ke tekanan (Konverter IP) adalah elemen yang sangat

penting dalam kontrol proses. Seringkali, pada waktu kita ingin memakai sinyal

arus listrik tingkat rendah untuk mengerjakan suatu pekerjaan, adalah lebih mudah

13

untuk melakukan pekerjaan tersebut dengan sinyal pnematik.

Konventer IP memberikan linieritas untuk menterjemahkan arus 4 sampai 20 mA

menjadi sinyal 3 sampai dengan 15 psig. Ada banyak rancangan bagi konventer

ini, tetapi prinsip dasar hampir selalu melibatkan pemakaian sistem nosel/flapper.

Gambar 1.6 mengilustrasikan cara yang mudah dan sederhana dalam

membuat/mengkonstruksikan konventer seperti ini.

Gambar 1.6. Prinsip konverter arus ke tekanan (IP)

Perhatikan bahwa arus yang dilewatkan sebuah kumparan menghasilkan sebuah

gaya yang cenderung untuk menarik flapper ke bawah dan menutup kesenjangan.

Ini berarti bahwa arus yang tinggi menghasilkan tekanan yang besar sehingga

peralatan ini merupakan peralatan kerja langsung. Penyetelan pegas dan posisi

relatif terhadap pivot memungkinkan unit ini dikalibrasi sehingga 4 mA menunjuk

pada 3 psig dan 20 mA menunj.uk pada 15 psig.

1.4. Aktuator (Penggerak)

Jika sebuah katup dipakai untuk mengontrol aliran fluida sejumlah

mekanisme harus membuka atau menutup katup secara fisik. Jika sebuah pemanas

dipakai untuk memanaskan sebuah sistem, sejumlah peralatan harus mematikan

atau menyalakan pemanas atau mengubah-ubah eksitasinya. Ini merupakan

contoh-contoh akan kebutuhan sebuah penggerak di loop kontrol proses.

Perhatikan adanya perbedaan dari peralatan ini baik dari sinyal kontrol

masukannya maupun dari elemen kontrol itu sendiri (katup, pemanas dan

14

selanjutnya sebagaimana diperlihatkan pada gambar 1.1). Aktuator ini bisa

mempunyai sejumlah bentuk yang berbeda-beda guna memenuhi kebutuhan-

kebutuhan khusus dari lop-lop kontrol proses. Kita akan memperhatikan sejumlah

tipe aktuator listrik dan pnematik.

1.4.1. Penggerak Listrik

Pada paragraf berikut ini diberikan uraian singkat dari beberapa tipe

aktuator listrik yang umum dipakai.

Tujuannya adalah memberikan gambaran esensial dari peralatan tersebut dan

bukannya studi yang mendalam tentang prinsip kerja dan karakteristiknya. Untuk

keperluan aplikasi yang spesifik, saudara diharapkan untuk berkonsultasi dengan

spesifikasi-spesifikasi produk secara terinci dan buku-buku yang berkaitan dengan

masing-masing tipe aktuator.

Yang umum digunakan :

Selenoid

Motor listrik

Motor DC

Motor Tangga

Motor AC

1.4.2. Aktuator (Pengerak) Pneumatik

Aktuator (penggerak) sering kali menerjemahkan suatu sinyal kontrol

menjadi gaya atau torsi yang besar yang dibutuhkan untuk memanipulasi beberapa

elemen kontrol.

Aktuator pneumatik ini paling berguna untuk transali seperti ini. Prinsip-

prinsipnya didasarkan pada konsep tekanan sebagai gaya per satuan luas. Jika kita

bayangkan bahwa ada suatu selisih tekanan netto yang diaplikasikan ke sebuah

diafragma dengan luas pernetto yang diaplikasikan ke sebuah diafragma dengan

luas permukaan A, maka gaya netto yang bekerja pada diafragma adalah :

F = (p1 - p2) A (1-2)

15

dimana : p1 - p2 = selisih tekanan (Pa)

A = luas diafragma (m2)

F = gaya (N)

Jika kita ingin melipatduakan gaya yang tersedia bagi suatu tekanan, maka kita

cukup melipatduakan luas diafragma. Gaya-gaya yang sangat besar dapat dibuat

dengan daerah tekanan sinyal standar dari 3 - 15 psi (20 - 100 kPa). Cukup banyak

tipe penggerak pneumatik yang tersedia, tetapi yang paling adalah yang

dihubungkan dengan katup kontrol.

Kita akan membicarakan hal ini untuk memberikan prinsip-prinsinya secara

umum. Gerakan sebuah aktuator pneumatik langsung diperlihatkan pada gambar

1.7. Gambar 1.7a memperlihatkan kondisi pada keadaan tekanan sinyal rendah di

mana pegas S mempertahankan diafragma dan poros kontrol yang dihubungkan

untuk pada posisi seperti pada gambar. Tekanan pada posisi yang berlawanan dari

diafragma dijaga pada tekanan atmosfir dengan cara membuka lubang H.

Peningkatan tekanan kontrol (tekanan ukur) mengaplikasikan gaya pada

diafragma yang memaksa diafragma dan poros yang terhubung untuk bergerak ke

bawah melawan gaya pegas.

Gambar 1.7 : Aktuator pneumatik langsung untuk mengkonversikan sinyal tekanan menjadi gerakan mekanis sebuah poros

Gambar 1.7 b memperlihatkan aktuator pada tekanan kontrol maksimum dan

perjalanan maksimum dari poros. Perlu dicatat bahwa tekanan dan gaya

mempunyai hubungan yang linier, seperti ditunjukan oleh persamaan 1-2,

sedangkan seperti sudah kita ketahui pada bab 5, kompresi sebuah pegas

16

mempunyai hubungan linier dengan gaya. Kita lihat bahwa posisi linier jika

dikaitkan dengan tekanan kontrol yang diaplikasikan :

Δ x = Δ p (1-3)

di mana : Δ x = perjalanan poros (m)

Δ p = tekanan ukur yang diaplikasikan (Pa)

A = luas diafragma (m2)

k = konstanta pegas (N/m).

Sebuah aktuator balik, seperti diperlihatkan pada gambar 1.7 menggerakan proses

dengan arah yang berlawanan dari aktuator langsung, akan tetap mempunyai

prinsip kerja yang sa.ma. Jadi, poros ditarik ke dalam oleh aplikasi dari tekanan

kontrol.

Gambar 1.8. : Aktuator pnematik balik yang dipakai untuk mengkonversikan sinyal tekanan menjadi gerakan poros mekanis

Contoh 1.3 : Andaikan ada gaya sebesar 400 N yang harus diaplikasikan untuk

membuka sebuah katup. Carilah luas diafragma jika untuk gaya

ini harus diberikan tekanan ukur kontrol sebesar 70 kPa (kurang

lebih 10 psi).

Penyelesaian : Di sini kita harus menghitung luas dari :

F = A (p1 - p2)

dimana tekanan aplikasi p1 - p2 karena tekanan ukur telah

ditentukan.

Jadi,

17

A = = = 5,75 x 10-3 m2.

atau kurang lebih mempunyai diameter sebesar 8,5 cm.

1.4.3. Aktuator Hidrolik

Untuk beberapa kasus yang membutuhkan gaya-gaya yang sangat besar, luas

diafragma pnematik yang dibutuhkan untuk sinyal-sinyal kontrol standar mungkin

akan menjadi terlalu besar dilihat dari pertimbangan-pertimbangan praktis. Dalam

kasus seperti ini, dipergunakan aktuator hidrolik. Prinsip kerjanya diperlihatkan

pads gambar 1.9.

Gambar 1.9 : Penggerak hidrolik mengkonversikan sebuah gaya kecil F1 menjadi gaya yang sudah diperkuat F2

Gagasan dasarnya sama dengan gagasan dari pnematik kecuali bahwa fluida yang

dipakai untuk memberikan tekanan adalah fluida non kompresibel. Tekanan ini

dapat dibuat menjadi sangat besar dengan cara menyetel luas torak Ai. Tekanan

hidroliknya adalah :

pH = (1-4)

di mana

pH = tekanan hidrolik (Pa).

F1 = gaya torak yang diterapkan (N).

A1 = luas torak penekan (m2)

Gaya yang dihasilkan pada piston (torak) kerja adalah :

Fw = pH A2 (1-5)

18

di mana : Fw = gaya torak kerja (N).

A2 = luas torak kerja (m2).

Jadi, gaya kerja dalam bentuk gaya terapan adalah.:

Fw = F1 (1-6)

Contoh 1.4 : Cari gaya kerja yang dihasilkan dari gaya sebesar 200 N yang

diaplikasikan pada torak penekan dengan jari-jari sebesar 1 cm,

jika :

(a). Jari-jari torak kerja sebesar 6 cm.

(b). tekanan hidrolik.

Penyelesaian : (a). Kita dapat mencari gaya kerja dari.:

Fw = F1 (1-6)

atau,

Fw = (R2/R1)2. F

= (6cm / lcm)2 . (200 N) = 7200 N

(b). Jadi, gaya 200 N memberikan gaya sebesar 7200 N. Tekanan

hidroliknya adalah :

pH = = = 6,4 x 105 Pa

= 92 psi.

1.5. Elemen Kontrol

Elemen kontrol aktual (yang merupakan bagian dari proses itu sendiri)

biasa berupa sejumlah peralatan yang berlainan. Tujuan teks ini bukanlah untuk

menyajikan peralatan-peralatan tersebut, akan tetapi memberikan survai umum

dari'peralatan-peralatan standar yang berguna dalam memberikan gambaran yang

lengkap tentang kontrol proses. Sejumlah contoh dari elemen kontrol itu sendiri

akan diuraikan berikut ini dalam bentuk masalah-masalah kontrol yang berbeda.

1.5.1. Mekanik

19

Elemen-lemen kontrol yang menyelenggarakan sejumlah tindakan mekanis dalam

sebuah proses disebut elemen-elemen kontrol mekanis. Contoh-contoh dari tipe-

tipe tersebut adalah :

Katup Curah Bahan Padat

Perhatikan gambar kontak suplai biji-bijian pada gambar 1.1. Di sini,

sistem kontrol menjaga aliran biji-bijian dari tempat penyimpanan guna

memberikan laju aliran yang konstan pada ban berjalan. Aliran ini tergantung

pada tinggi biji-bijian di tempat penyimpanan dan karena itu katup curah harus

membuka atau menutup untuk mengkonpensasi variasi ini. Dalam hal ini aktuator

mengoperasikan sebuah katup tipe baling-baling guna mengontrol laju aliran biji-

bijian. Aktuator juga bisa berupa sebuah motor untuk menyetel posisi poros,

sebuah silinder hidrolik, atau lainnya yang dicakup diatas.

Gambar 1.10: Sebuah contoh dari elemen kontrol mekanis dalam bentuk katup cerah

Ketebalan Kertas

Pada gambar 1.11 berikut ini disajikan gambaran esensial sebuah sistem yang

dipergunakan untuk mengontrol ketebalan kertas.-Di sini, kertas diletakan pada

sebuah suspensi serat yang basah dan dilewatkan di antara roller-roller. Ketebalan

kertas diregulasi, dengan cara mengubah-ubah separasi roller.

Elemen kontrol mekanik yang diperlihatkan di sini adalah roller yang dapat

20

dipindahkan (movable roller). Penggeraknya dapat elektronik, pneumatik atau

hidrolik, dan menyetel separasi (pemisahan) roller berdasarkan pada pengukuran

ketebalan.

Gambar 1.11 : Sebuah sistem kontrol ketebalan kertas yang bekerja secara kontinyu dengan mempergunakan elemen-elemen kontrol akhir mekanis.

1.5.2. Listrik

Ada sejumlah kasus di mana dalam beberapa situasi proses kontrol, kita

tertarik pada efek kelistrikan langsung. Contoh-contoh berikut mengilustrasikan

sejumlah kasus dari elemen-elemen kontrol listrik.

Kontrol Kecepatan Motor

Kecepatan motor-motor listrik yang besar tergantung pada sejumlah

faktor, termasuk tingkat tegangan suplai, beban, dan sebagainya. Sebuah lup

proses kontrol meregulasj kecepatan ini melalui perubahan langsung dari tegangan

kerja, atau arus, sebagaimana diperlihatkan pada gambar 1.12 untuk sebuah motor

dc.

21

Di sini, pengukuran-pengukuran tegangan dari kecepatan mesin yang berasal dari

sebuah tachometer yang dipergunakan di sebuah lup proses kontrol guna

menentukan daya yang diaplikasikan pada sikatsikat motor.

Gambar 1.12 : Kontrol akhir kelistrikan yang ditemukan pada kontrol dari kecepatan sebuah motor dc.

Dalam beberapa kasus, kontrol kecepatan motor merupakan suatu tindakan

menengah pada suatu aplikasi proses kontrol. Jadi, pada operasi sebuah kiln untuk

reaksi bahan kimia padat, laju rotasi (umpan) dapat diubah-ubah dengan kontrol

kecepatan motor yang berdasarkan, sebagai contoh, pada suhu reaksi,

sebagaimana diperlihatkan pada gambar1.13.

1.5.3. Katup Fluids

Industri-industri kimia dan perminyakan mempunyai cukup banyak

aplikasi yang membutuhkan kontrol terhadap proses-proses fluida. Banyak

industri lain yang juga tergantung pada bagian-bagian operasi yang melibatkan

fluida dan regulasi parameter-parameter fluida. Kata fluida di sini

merepresentasikan gas, cairan, atau uap. Banyak prinsip-prinsip kontrol yang bisa

diaplikasikan pada setiap keadaan Benda dengan hanya memerlukan sedikit

koreksi.

Banyak operasi-operasi fluida yang membutuhkan besaran-besaran seperti

22

densitas (massa jenis) dan komposisi, tetapi sejauh ini parameter kontrol yang

penting adalah laju aliran. Regulasi aliran akan keluar sebagai parameter regulasi

bagi laju reaksi, suhu, komposisi, atau sifat-sifat fluida lainnya. Berdasarkan

alasan ini, kita akan memperhatikan secara agak terinci tentang elemen proses

kontrol yang sering berhubungan dengan aliran, yaitu katup kontrol.

Gambar 1.13: Sebuah sistem kontrol listrik dengan sebuah elemen kontrol akhir listrik yang mengontrol laju rotasi sebuah kiln reaksi

Prinsip Katup Kontrol

Laju aliran di kontrol proses biasanya dinyatakan sebagai volume per

satuan waktu. Jika diinginkan laju aliran massa, maka dapat dihitung dari densitas

fluida. Jika ada suatu fluida yang dialirkan melalui sebuah pipa, maka laju aliran

volumenya adalah :

Q = Av (1-7)

di mana : Q = laju aliran (m3/s)

A = luas pipa (m2)

v = kecepatan aliran (m/s).

Contoh 1.5 : Alkohol dipompakan melewati sebuah pipa berdiameter 10 cm

pada kecepatan aliran 2 m/s. Carilah laju aliran volumenya.

23

Penyelesaian : Pipa berdiameter 10 cm akan mempunyai luas penampang

sebesar :

Jadi, laju aliran adalah:

Q = Av = (7,85 x 10-3 m2) (2 m/s)

= 0,0157 m3/s. (1-7)

Gambar 1.14 : Kontrol panas ke sebuah bejana reaksi biasa disediakan oleh sarana listrik

Sebuah katup kontrol meregulasi sebuah aliran di sebuah sistem pensuplaian

fluida. Secara umum, ada hubungan yang erat antara tekanan di sepanjang pipa

dan laju aliran, sehingga jika tekanannya berubah maka laju aliran juga akan

berubah. Sebuah katup kontrol mengubah laju aliran denan cara mengubah

tekanan disebuah sistem aliran akibat adanya konstriksi (penyempitan) di sistem

pensuplaian.

Pada gambar 1.15, kita lihat bahwa penempatan konstriksi di sebuah pipa

menimbulkan adanya selisih tekanan di pipa tersebut. Kita juga dapat melihat

bahwa laju aliran melewati konstriksi diberikan oleh :

Q = (1-8)

di mana : K = konstanta proposionalitas (m3 /s/Pal/2)

24

Δ p = p2 - p1 = selisih tekanan (Pa).

Gambar 1.15 : Laju aliran melewati sebuah restriksi (hambatan) di sebuah pipa

merupakan fungsi dari penurunan tekanan melewati restriksi

Contoh 1.6 : Selisih tekanan sebesar 1,1 psi terjadi di sebuah konstriksi pada

sebuah pipa berdiameter 5 cm.

Konstanta konstriksi adalah 0,009 m2/s per kPa1/2.

Carilah :

(a). Laju aliran dalam meter kubik per detik.

(b). Kecepatan aliran dalam meter per detik.

Penyelesaian : Pertama kita lihat bahwa selisih tekanan adalah :

Δ p = (1,1 psi) (6,895 kPa/psi) = 7,5845 kPa

(a). Laju aliran adalah :

Q = = (0,009) (7,5845)1/2 = 0,025 m3/s

(b). Kecepatan aliran adalah :

Q = Av

Konstanta K tergantung pada ukuran katup, struktur geometri dari sistem

pensuplaian, dan pada derajat tertentu tergantung juga pada material yang

mengalir melewati katup.

Tekanan aktual seluruh sistem pensuplaian (dan pembuangan) fluida di mana

katup dipakai (dan dengan demikian laju aliran) bukanlah hanya fungsi yang dapat

diprediksikan dari bukaan katup. Tetapi karena bukaan katup mengubah laju

aliran, maka hal ini memberikan mekanisme kontrol aliran.

25

Tipe-tipe Katup Kontrol

Bermacam-macam katup kontrol diklasifikasikan oleh suatu hubungan

antara posisi tangkai (stem) katup dan laju aliran yang melewati katup.

Karakteristik katup kontrol ini dibuat dengan anggapan bahwa posisi tangkai

menunjukkan derajat bukaan katup dan bahwa selisih tekanan ditentukan hanya

oleh katup. Faktor koreksi membolehkan seseorang untuk menghitung selisih

tekanan sistem keseluruhan. Gambar 1.16 memperlihatkan sebuah katup kontrol

memakai penggerak pneumatik yang dilekatkan untuk mengendalikan tangkai

yang akan membuka dan menutup katup.

Gambar 1.16 : Gambaran esensial dari sebuah katup kontrol. Ada sejumlah variasi dalam konstruksi badan katup

Ada tiga tipe dasar katup kontrol yang hubungan antara posisi tangkai (sebagai

persentase daerah pengukuran penuh) dan laju aliran (sebagai persentase

maksimum), diperlihatkan di gambar 1.17.

26

Gambar 1.7 . Berbagai tanggapan yang berbeda dari tiga buah tipe

utama katup kontrol terhadap posisi tangkai

Ketiga tipe dasar tersebut adalah :

1. Bukaan Cepat, Tipe katup ini dipakai pada apiikasi kontrol on penuh atau off

penuh. Karakteristik katup pada gambar 1.7 memperlihatkan bahwa ada

gerakan yang relatip kecil dari tangkai katup yang menghasilkan laju aliran

maksimum yang mungkin melewati katup. Katup seperti ini memungkinkan

memberikan 90 % dari laju aliran maksimum hanya dengan 30 % dari daerah

gerak tangkainya.

2. Linter, Tipe katup ini, sebagaimana diperlihatakan pada gambar 1.7

mempunyai laju aliran yang berubah secara linter terhadap; posisi tangkai. Ini

merepresentasikan situasi ideal dimana, katup tersebut menentukan besarnya

penurunan tekanan.

Hubungannya dinyatakan sebagai :

dimana : Q = laju aliran (m3/s)

Qmax = laju aliran maksimum (m3/s)

S = posisi tangkai (m)

Smax = posisi tangkai maksimum (m)

3. Persentase Sama

27

Ini merupakan tipe katup yang sangat panting yang dipergunakan pada

kontrol aliran. Karakteristiknya adalah bahwa perubahan persentase pada

posisi tangkai menghasilkan perubahan aliran yang ekivalen, yaitu

mempunyai persentase yang sama.

Umumnya, tipe katup ini tidak menutup seluruh aliran pada batas

perpindahan tangkainya. Jadi, Qmin merepresentasikan aliran minimum pada

waktu tangkai ada pada daerah batas, dari perjalanannya. Pada ekstrim

lainnya, katup membolehkan aliran Qmax sebagai aliran maksimumnya, yaitu

katup dalam keadaan membuka. Untuk tipe ini, kita tetapkan rangeability R

sebagai :

R = (1-10)

Kurva pada gambar 1.7 memperlihatkan kurva persentase lama yang

tergantung pada rangeability untuk bentuk eksaknya. Kurva menunjukan

bahwa kenaikan laju aliran untuk suatu perubahan pada bukaan katup

tergantung pada derajat di mana katup siap untuk membuka. Kurva ini

merupakan kurva yang eksponensial dan direpresentasikan oleh :

Q = Qmin Rs/smax (1-11)

dengan semua suku telah didefinisikan sebelumnya.

Contoh 1.7 : Sebuah katup persentase sama mempunyai aliran

maksimum sebesar 50 m3/s dan minimum sebesar 2 m3/s. Jika perjalanan

penuh adalah 3 cm, carilah aliran pada bukaan sebesar 1 cm.

Penyelesaian : Rangeability adalah :

R = = = 25

Aliran pada bukaan sebesar 1 cm adalah :

Q = Qmin Rs/smax = (2 m3/s) (25)1 cm/3 cm = 5,85 m3/s

1.6. Katup sebagai Elemen control Akhir

28

Pada kebanyakan kasus, peralatan koreksi akhir, suatu sistem loop

tertutup adalah sebuah katup atau suatu peralatan yang menyerupai katup, yang

menganekaragamkan aliran fluida ke proses.

Hal ini biasanya merupakan kasus pada proses-proses kontrol suhu, dimana

masukan panas ke proses diubah-ubah dengan cara menyetel suatu katup yang

mengontrol aliran udara pembakaran atau yang berupa cairan atau bahan bakar

yang berbentuk gas. Pada proses kontrol tekanan, tekanan tersebut biasanya

dikoreksi oleh perubahan bukaan katup baik pada sisi keluaran ataupun pada sisi

masukan dari proses. Sebagai contoh, untuk menaikan tekanan pada suatu kamar

proses, katup meregulasi aliran masukan yang .bisa dibuka lebih lama atau katup

meregulasi aliran keluaran yang bisa ditutup lebih lama. Secara umum, katup-

katup dan peralatan yang menyerupai katup seperti damper, loover, pintu geser,

dlsb merupakan peralatan koreksi akhir yang paling umum dipakai pada - proses-

proses industri.

1.6.1 Katup yang dikendalikan oleh posisi motor listrik

Seperti telah kita lihat, bagi proportional control harus ada suatu metoda untuk

mengatur posisi sebuah katup kontrol pada setiap posisi antara (intermediate

potition) metoda yang biasa dipakai untuk menghubungkan katup ke motor

induknya adalah kecepatan rendah yang revertibel.

Gambar 1-18 (a) melukiskan pengaturan pada suatu damper posisi variabel.

29

Gambar. 1-18 Damper kontrol posisi seimbang yang dikendalikan oleh

sebuah motor fasa terpisah.

(a) Pengaturan mekanis dari damper, sambungan damper

dan motor Perlu dicatat bahwa motornya adalah

reversibel, kontras terhadap motor pada gambar 2.-17

(b) Rangkaian Listrik.

Alat kontrol mengaplikasikan daya ke terminal A atau

B, tergantung pada apakah alat kontrol yang

diinginkan damper di atur posisinya agar lebih

membuka atau lebih menutup.Potensiometer

menyediakan informasi umpan balik ke arah kontrol

memberitahukan alat kontrol tersebut mengenai posisi

damper pada saat itu.

1.6.2 Katup Elektro Pneumatik

Untuk katup-katup yang masif, pengend.lian oleh suatu motor listrik

memang tidak prak tis. Inersia dan gesekan dari rakitan katup bisa menghalangi

penggunaan motor listrik sebagai peralatan pengatur posisi. Pada situasi-situasi

30

seperti ini katup digerakan oleh tekanan pneuma.tik atau hidrolik.

Gambar 1-19 merupakan suatu illustrasi skematik dari sebuah operator katup

elektro pneumatik.

Gambar. 1-19 Operator katup elektromagnetik.

Posisi stem katup sebanding dengan sinyal masukan listik

disebelah kanan gambar.

Posisi akhir dari katup ditentukan oleh besarnya arus listrik yang masuk. Berikut

ini diuraikan cara kerjanya.

Batang kesetimbangan adalah batang logam yang babas gesekan, ringan, kecil dan

panjangnya beberapa inci. Batang ini di pivotkan pada sebuah titik tumpu yang

terletak di dekat ujung kanan batang. Ketika suatu arus masukan diumpankan

masuk melalui terminal-terminal masukan, kumparan magnit membuat suatu

medan magnit yang berinteraksi dengan medan magnit permanen. Gaya yang

dihasilkan dari interaksi ini menarik batang keatas dan cenderung untuk

memutarnya searah jarum jam. Besar gaya yang cenderung untuk memu tarkan

batang searah jarum jam ini sebanding dengan besarnya arus yang mengalir

melalui kumparan magnit.

31

Jika batang berputar searah jarum jam, ujung kiri batang akan bergerak ke atas

dan menghalangi keluarnya udara dari nozzle. Makin dekat ujung kiri batang

(disebut baff1e) ke nozzle, makin sedikit udara yang keluar dari nozzle. Ketika

udara yang keluar ini dihentikan, tekanan udara pada tabung tekanan variabel naik

mencapai nozzle.

Hal ini terjadi karena gerakan udara melalui penghambat tetap dikurangi,

menghasilkan penurunan tekanan yang lebih kecil yang melewati penghambat dan

sebagai konsekwensinya mengakibatkan tekanan yang lebih tinggi melewati

penghambat ke arah bawah.

Tekanan yang lebih tinggi pada tabung tekanan variabel diaplikasikan ke kamar

diafragma yang terletak diatas diafragma katup. Hal ini mengluarkan suatu gaya

tarik yang arahnya ke bawah pada stem katup, dan oleh karenanya membuka

katup. Ketika stem katup bergerak ke bawah, pegas umpan balik Mengeluarkan

suatu gaya balik terhadap batang penyeimbang, dan oleh karena itu cenderung

untuk mengakibatkan batang ini berputar berlawanan jarum jam. Pada saat torsi

balik yang dikeluarkan oleh pegas umpan balik benar-benar tepat

menyeimbangkan torsi orisinil yang dikeluarkan oleh elektro magnit, batang akan

seimbang pada posisi tersebut. Oleh karenanya, posisi akhir dari stem katup dan

juga bukaan katup itu sendiri ditentukan oleh sinyal masukkan listrik (arus) ke

magnit listrik.

Jika peralatan ini dipergunakan terhadap suatu alat kontrol dari tipe yang

diperlihatkan pada gambar 1.19 sinyal masukan listriknya bisa diambil dari

penghapus dari potensiometer posisi katup di sebelah kiri. Tegangan antara

penghapus dan.bumi diaplikasikan kemagnit listrik pada gambar 1-19.

Magnit listrik harus dirancang untuk menarik arus yang diabaikan (negligible

current) Sari potensiometer agar tidak menggangu pembagian tegangan

disepanjang-panjang dari potensiometer. Motor yang diperlihatkan pada gambar

tidak dapat mengatur posisi katup kontrol secara langsung tetapi hanya bertugas

32

memutarkan poros potensiometer.Peralatan yang diperlihatkan pada gambar 1-19

akan mengatur posisi katup kontrol.

1.6.3. Katup elektro hidrolik

Untuk situasi-situasi kontrol dimana katup atau damper amatlah fasif, atau

jika amat sulit untuk memegang katup pada suatu posisi yang mantap karena

adanya gaya-gaya non regular yang besar yang dikeluarkan oleh fluida yang

bergerak, maka suatu pengatur posisi hidrolik merupakan penggerak yang terbaik.

Demikian juga, jika sebuah katup jarang sekali bergerak, katup ini bisa terhenti

pada suatu posisi tertentu. Hal ini bisa terjadi karena kotoran dan debu bisa

terbentuk pada sambungan-sambungan yang bergerak ataupun pada poros-poros,

sehingga membuatnya sulit untuk bergerak dengan bebas ketika katup diatur

kembali posisinya. Untuk itu suatu pengatur posisi hidrolik, dengan kemampuan

gaya yang mengagumkan, bisa diperlukan untuk menangani masalah ini.

Suatu pengatur posisi katup elektro hidrolik yang popular, yang sudah di

adaptasikan terhadap suatu alat kontrol potensional, diperlihatkan pada gambar

1.20.

33

Gambar. 1.20: Pengatur posisi katup elektro hidrolik, yang menggunakan sebuah pipa jet. Posisi katup sebanding dengan sinyal masukan listrik.

Sekali lagi, sinyal masukannya berupa arus yang melewati sebuah kumparan magnit listrik.

Ketika arus ini makin besar, dikeluarkan suatu gaya yang lebih besar ke sebelah kiri batang

penyeimbang vertikal. Hal ini cenderung membuat batang menjadi berputar berlawanan arah

jarum jam. Pada sisi lain dari titik pivot, pada dasar dari gambar 1.20 ada sebuah relai pipa

jet.pelumas hidrolik bertekanan tinggi ini dipaksa melalui pipa jet, dan keluar dari nozzle jet

dengan kecepatan tinggi. Jika pipa jet ini vertikal sempurna, arus pelumas terbagi sama ke kiri

dan ke kanan orifice. Oleh karena itu, tidak ada ketidak.setimbangan tekanan antara kedua sisi

relai pipa jet, dan torak hidrolik ada dalam kesetimbangan. gaya. Bagaimanapun juga, jika

kumparan elektromagnit menggerakan pipa jet agak sedikit berlawanan arah jarum jam,

orifice kanan akan lebih merasakan oil impinging dari pada orifice kiri. Hal ini akan

menaikkan tekanan hidrolik pada puncak silinder hidrolik dan menurunkan tekanan pada

dasar silinder. Oleh karenanya, silinder hidrolik akan bergerak ke bawah.

Ketika batang silinder bergerak ke bawah, batang umpan balik melakukan putaran searah

jarum jam, ditarik oleh pegas A. Hubungan sebelah kiri batang umpan balik menaikkan

tegangan pada pegas umpan balik B, cenderung untuk memutar batang penyeimbang searah

jarum jam.

Akhirnya, torak hidrolik akan bergerak cukup jauh sehingga torsi yang dikeluarkan oleh

elektromagnit .

34

RANGKUMAN :

Operasi elemen kontrol akhir mempunyai tiga fungsi yang terpisah. Tujuannya adalah

menerjemahkan sinyal kontrol tingkat rendah ke proses berskala besar. Rincian-rincian

spesifik berikut perlu dipertimbangkan:

1. Fungsi kontrol akhir dapat diimplementasikan oleh pengkondisian sinyal, sebuah

aktuator, dan sebuah elemen kontrol akhir.

2. Pengkondisian sinyal melibatkan perubahan sebuah sinyal kontrol menjadi bentuk

sinyal dan daya yang diperlukan untuk memberikan energi kepada aktuator. Operasi-

operasi pengkondisian sinyal yang ada adalah penguatan elektronik sederhana, konversi

digital ke analog, konversi listrik ke pneumatik, dan konversi pneumatik ke hidrolik.

3. Konverter arus ke takanan seringkali dipakai pada sistem kontrol proses. Peralatan ini

berdasarkan sistem nosel/flapper (nosel baffle) yang mengkonversikan perpindahan

linier menjadi perubahan tekanan.

4. Aktuator adalah tahap antara, antara sinyal kontrol yang dikonversikan dan elemen

kontrol akhir. Aktuator listrik yang umum adalah solenoid, motor step digital, dan

motor ac serta dc.

5. Aktuator pneumatik dan hidrolik sering dipakai pada kontrol proses karena

memungkinkan dihasilkannya gaya-gaya yang sangat besar dari sistem takanan yang

sederhana. Sebuah pengerak pneumatik mengkonversikan sinyal tekanan menjadi

perpanjangan poros sesuai dengan

Δ X =

dimana : gaya yang menyebabkan perpanjangan ini diberikan oleh :

F = A (p1 – p2)

Elemen kontrol akhir aktual bervariasi sebagaimana apliaksinya di industri.

Contoh-contoh yang bisa disebut adalah motor pengendali sabuk ban berjalan,

rakitan roller ketebalan kertas, dan sistem pemanas.

6. Tipe paling umum dari elemen kontrol akhir adalah katup kontrol. Peralatan ini

dirancang untuk dipakai pada aplikasi kontrol proses yang melibatkan kontrol laju aliran

cairan, gas, atau uap. Tipe katup kontrol yang banyak dipakai ada 3 buah; yaitu tipe

bukaan cepat, tipe linier, dan tipe presentase sama.

35

Latihan 1 :

1 Sebuah sinyal kontrol 4-20 mA dibebani dengan sebuah resistor 100 ohm dan harus

menghasilkan keluaran pengendali motor sebesar 20-40 V. Carilah sebuah persamaan

yang menghubungkan arus masukkan pada tegangan keluran yang diinginkan.

2. Implementasikan persamaan dari soal diatas jika tersedia sebuah amplifier daya yang

bisa mengeluarkan 0-100 V dengan penguatan sebesar 10.

3 Sebuah motor dikendalikan oleh sebuah sinyal digital yang mempunyai variasi

kecepatan sebesar 200 rpm per volt dengan rpm minimum pada 5V dan maksimum

pada 10 V. Carilah kata kecepatan minimum, kata kecepatan maksimum. dan

perubahan kecepatan per perubahan LSB. Pakailah DAC 5 bit, 15 V.

4. Sebuah motor step mempunyai 130 langkah perputaran, carilah laju masukan digital

yang menghasilkan 10,5 putaran perdetik.

5. Berapakah gaya yang dibangkitkan oleh tekanan sebesar 90 kPa yang bekerja pada

diafragma seluas 30 cm2.

6. Sebuah sistem hidrolik mempergunakan torak-torak berdiameter 2xcm dan 40 cm.

Berapakah gaya yang bekerja pada torak yang kecil yang bisa menaikkan massa

sebesar 500 kg ?

7. Berapakah tekanan pneumatik yang dibutuhkan pada torak kecil dari soal di atas guna

menghasilkan gaya yang diperlukan ?

8. Rancang sebuah sistem dengan mana sinyal kontrol sebesar 10-50 mA dikonversikan

menjadi gaya sebesar 200 - 1000 N. Pakailah sebuah aktuator pneumatik dan

spesifikasikan luas diafragma yang dibutuhkan jika daerah tekanannya adalah 3-15 psi.

Tersedia sebuah konverter IP yang mengkonversikan 0-5 V menjadi 3-15 psi.

9 Carilah ukuran katup yang tepat dalam satuan inci dan sentimeter yang diperlukan

untuk memompa cairan dengan laju aliran sebesar 600 galon/menit dengan selisih

tekanan maksimum sebesar 55 psi. Gravitasi spesifik cairan adalah 1,3.

10. Sebuah katup kontrol tipe persentase sama mempunyai rangeability sebesar 32. Jika

aliran maksimum adalah 100 m3/jam, tentukan besarnya aliran untuk bukaan 2/3 dan

4/5.

11 Tinggi air di sebuah tangki akan dikontrol pada 20 in, dan keluarannya nominal

sebesar 65 m3/jam melalui sebuah katup seperti diperlihatkan pada gambar 7.28.

Berdasarkan kondisikondisi nominal, tentukan ukuran katup yang dibutuhkan dalam

inci dan cm.

36

12. Jika Aktuator katup pada soal 7.12 di atas mempunyai rangeability sebesar 30,

perjalanan tangkai maksimum sebesar 5 cm, dan membuka setengahnya pada kondisi

nominal, carilah aliran minimum, aliran maksimum, dan bukaan tangkai untuk aliran

sebesar 100 m3/jam.

13. Sebuah motor step mempunyai karakteristik 7,50 per step. Carilah rpm yang dihasilkan

oleh laju pulsa sebesar 2000 pps pada masukan.

14. Sebuah katup bukaan cepat dengan karakteristik yang diberikan pada gambar 7.26,

bergerak dari keadaan tertutup sampai maksimum memakai putaran sebuah poros.

Poros tersebut dikendalikan melalui sebuah reducer 10 : 1 dari sebuah motor step

dengan 3,60 per step.

Jika laju pulsa masukan maksimum untuk motor step adalah 250 step perdetik, carilah

waktu tercepat bagi katup untuk bergerak dari keadaan tertutup sampai keadaan 95 %

membuka.

15. Sebuah pengumpan curah membutuhkan gaya sebesar 30 lb untuk bisa membuka.

Carilah luas aktuator pneumatik yang bisa memberikan gaya ini dari tekanan sebesar 9

psi.

37