materi kuliah pengukuran teknik 2016.1.pdf

7/25/2019 MATERI KULIAH PENGUKURAN TEKNIK 2016.1.pdf

1/9

PENGANTAR SISTEM PENGUKURAN

Teknik pengukuran telah berperan penting sejak awal peradaban manusia, ketika

pertama kali digunakan untuk mengatur transfer barang dalam perdagangan barter agar terjadi

pertukaran yang adil. Revolusi industry pada abad kesembilan belas telah menimbulkan

perkembangan pesat pada instrumen dan teknik pengukuran yang baru untuk memenuhikebutuhan produksi. Sejak saat itu, terjadi pertumbuhan besar dan cepat dalam teknologi

industri. Hal ini dapat dilihat terutama pada akhir abad ke dua puluh, yang didorong oleh

perkembangan elektronik dan komputer. Pada gilirannya, pertumbuhan industri secara paralel

memerlukan perkembangan instrumen dan teknik pengukuran yang baru.

Pertumbuhan besar dalam aplikasi komputer untuk kontrol proses industri dan

monitoring menyebabkan munculnya kebutuhan akan instrumen untuk mengukur, merekam

dan mengontrol variabel proses. Karena teknik produksi modern bekerja dengan batas akurasi

yang semakin ketat, dan karena tuntutan ekonomi yang membatasi biaya produksi, maka

persyaratan agar instrumen menjadi akurat dan murah semakin sulit. Hal ini menjadi titik fokus

penelitian dan pengembangan dari seluruh produsen instrumen. Dalam beberapa tahunterakhir, cara yang paling hemat untuk meningkatkan akurasi instrumen telah ditemukan pada

banyak kasus dengan menggunakan daya komputasi digital. Instrumen cerdas ini karenanya

tampil secara menonjol dalam katalog produsen instrumen saat ini.

1. Tujuan dan Penerapan sistem Pengukuran

Proses didefinisikan sebagai sistem yang menghasilkan informasi. Informasi yang

dihasilkan dalam sebuah proses diwakili oleh satu atau lebih variabel informasi. Sebagai contoh,

pergerakan mobil menghasilkan informasi variabel perpindahan, kecepatan dan percepatan;

sedangkan reaktor kimia menghasilkan variable temperatur, tekanan, dan komposisi.

Pengamat adalah orang yang memerlukan informasi dalam proses. Pada contoh yang

disebutkan pada paragraf sebelumnya, pengamat untuk pergerakan mobil adalah sopir,

sedangkan pengamat untuk plant reaktor kimia adalah operator.

Tujuan sistem pengukuran adalah menghubungkan pengamat dengan proses yang

ditinjau, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pengamat ditunjukkan dengan sejumlah nilai

variabel informasi saat ini. Variabel informasi disebut sebagai varabel terukur. input untuk

sistem pengukuran disebut nilai benar variabel; sedangkan output sistem disebut nilai terukur

variabel. Pada sebuah sistem pengukuran yang ideal, nilai terukur akan sama dengan nilai

benar. Akurasi sistem dapat didefinisikan sebagai kedekatan nilai terukur dengan nilai benar.

Sistem pengukuran yang sempurna adalah sesuatu yang ideal secara teoritis dan tidak mungkin

ditemui di aplikasi rill. Oleh karena itu, untuk sistem pengukuran riil diperkenalkan konsep erorsistem pengukuran E, dimana

E = nilai terukur - nilai benar

Eror adalah indikator unjuk kerja utama bagi sebuah sisem pengukuran. Prosedur dan

perlengkapan yang digunakan untuk menetapkan nilai benar variabel terukur akan dijelaskan di

bagian Karakteristik Statik.


2/9

Gambar 1. Ilustrasi tujuan sistem pengukuran

Penerapan instrumen pengukuran saat ini dapat diklafisikasikan ke dalam tiga kelompok

besar. Pertama adalah penggunaan instrumen pengukuran pada pengaturan perdagangan,

yaitu menerapkan intrumen yang mengukur besaran fisik seperti panjang, volume dan massa

dalam satuan standar.

Bidang penerapan kedua adalah pada fungsi monitoring. Fungsi ini menyediakan

informasi yang memungkinkan manusia melakukan beberapa aksi yang diperlukan. Sebagai

contoh, pengemudi mobil menggunakan speedometer untuk menentukan apakah dia perlu

melambatkan gerakan mobil atau tidak atau bahkan mempercepat gerakan; operator reaktorkimia menggunakan termokopel untuk menentukan apakah dia perlu memperbesar atau

memperkecil aliran fluida pendingin reaktor. Secara umum, fungsi monitoring ada untuk

menyediakan informasi yang berguna bagi manusia untuk mengontrol beberapa operasi atau

proses industri. Pada proses kimia misalkan, perkembangan reaksi kimia diindikasikan dengan

pengukuran temperature dan tekanan pada berbagai titik, dan pengukuran tersebut

mengijinkan operator melakukan koreksi pada heater, aliran air pendingin, posisi valve dan

seterusnya.

Bidang penerapan ketiga adalah pada sistem kontrol proses otomatik. Karakteristik

instrumen pengukuran yang digunakan pada sistem kontrol umpan balik merupakan hal

penting yang mendasar bagi kualitas kontrol yang dicapai. Akurasi dan

resolusi variabel output proses yang dikontrol tidak pernah dapat lebih baik dari akurasi dan

resolusi instrumen pengukuran yang digunakan. Hal ini merupakan prinsip yang sangat penting.

2. Struktur Sistem Pengukuran

Sebuah sistem pengukuran dibuat untuk menyediakan informasi tentang nilai fisik

beberapa variabel yang diukur. Pada kasus sederhana, sistem pengukuran dapat terdiri atas

satu unit tunggal yang memberikan pembacaan atau sinyal output menurut besarnya variabel

tak diketahui yang diukur olehnya. Namun, pada situasi pengukuran yang lebih komplek,

sebuah sistem pengukuran terdiri atas beberapa elemen terpisah seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 2. Komponen-komponen ini dapat terdiri atas satu atau lebih sub komponen yangterdiri atas elemen-elemen pengukuran yang merupakan satu kesatuan ataupun saling

terpisah. Istilah instrumen pengukuran biasanya digunakan untuk menggambarkan sistem

pengukuran, apakah ia terdiri hanya satu atau beberapa elemen, dan istilah ini akan sering

digunakan pada modul ini.


3/9

Gambar 2. Struktur sistem pengukuran secara umum

2.1 Elemen Sistem Pengukuran

Identifikasi elemen sistem pengukuran dapat berbeda pada sebuah sistem dengan

sistem yang lain. Terdapat empat jenis elemen yang mungkin muncul semuanya, atau tidak,

pada sebuah sistem pengukuran. Keempat jenis elemen tersebut ditunjukkan pada Gambar 2

dan didefinisikan sebagai berikut:

Elemen Pengindera

Elemen ini kontak dengan proses dan memberikan output yang bergantung pada cara

bagaimana variabel diukur. Elemen pengindera juga sering disebut sebagai sensor. Prinsipsebuah elemen pengindera adalah menggunakan perubahan sifat pada dirinya saat mengindera

proses untuk ditunjukkan sebagai perubahan fisik tertetu yang terjadi pada proses. Jadi elemen

ini memberikan output yang merupakan fungsi dari besaran ukur (input yang diterapkan).

Contohnya adalah:

Termokopel menghasilkan perubahan g.g.l orde milivolt bergantung pada temperature

Strain gauge menghasilkan perubahan resistansi bergantung pada regangan mekanik

Plat orifice menghasilkan drop tekanan bergantung pada laju aliran

Jika terdapat lebih dari satu elemen pengindera pada sebuah sistem, elemen yang

kontak dengan proses disebut elemen pengindera primer, elemen yang lain disebut elemen

pengindera sekunder. Namun, secara umum, sensor primer hanya bagian dari sebuah sistem

pengukuran.

Elemen Pengkondisian Sinyal

Elemen ini mengambil output dari elemen pengindera dan mengubahnya ke dalam

bentuk yang lebih sesuai untuk pengolahan lebih lanjut, biasanya dalam bentuk tegangan d.c,

arus d.c. atau sinyal frekuensi. Contohnya adalah:

Rangkaian jembatan yang mengubah perubahan impedansi menjadi perubahan tegangan Amplifier yang menguatkan sinyal tegangan orde milivolt menjadi volt

Osilator yang mengubah perubahan impedansi menjadi tegangan dengan variable frekuensi.

Pada beberap kasus, sensor dan elemen pengkondisian sinyal digabung dan dikenal

sebagai transduser.


4/9

Elemen Pengolahan Sinyal

Elemen in mengambil output elemen pengkondisian sinyal dan mengubahnya ke dalam

bentuk yang lebih cocok untuk ditampilkan. Contohnya adalah:

Analog-to-digital converter (ADC) yang mengubah tegangan ke dalam bentuk digital untuk

masukan ke komputer. Pemfilteran atau penapisan noise yang terinduksi, baik filter analog maupun filter digital

Komputer yang menghitung nilai terukur variabel dengan menggunakan data digital yang

datang.

Contoh perhitungan yang umum dilakukan pada komputer instrument pengukuran adalah:

Perhitungan massa total gas produk dengan menggunakan data laju aliran dan kerapatan

Perhitungan luasan peak pada hasil kromatografi untuk memberikan nilai komposisi aliran

gas

Koreksi untuk elemen pengindera yang tak-linier

Pada beberapa peralatan, pengolah sinyal digabungkan ke dalam transduser, yang kemudian

dikenal sebagai transmiter.

Elemen Presentasi Data

Elemen ini menampilkan nilai terukur dalam bentuk yang dapat dikenal dengan mudah

oleh pengamat. Contohnya adalah:

Indikator skala-penunjuk sederhana

Chart recorder

Alphanumeric display

Visual display unit

2.2 Contoh Sistem Pengukuran

Gambar 3 menunjukkan sebuah sistem pengukuran temperatur dengan elemen

pengindera adalah termokopel; yang memberikan output tegangan dalam orde milivolt.

Pengkondisian sinyal terdiri atas rangkaian kompensasi perubahan temperatur sambungan

referensi, dan amplifier. Sinyal tegangan diubah ke dalam bantuk digital menggunakan ADC.

Selanjutnya komputer mengkoreksi ketidaklinieran sensor, dan nilai terukur ditampilkan pada

VDU.


5/9

Gambar 3. Contoh struktur sistem pengukuran temperature

Gambar 4. Contoh struktur sistem pengukuran kecepatan

Gambar 5. Contoh struktur sistem pengukuran laju aliran

Pada Gambar 4, kecepatan rotasi sebuah mesin diindera dengan tachogenerator

elektromagnetik yang memberikan sinyal output a.c. dengan frekuensi sebanding terhadap

kecepatan. Schmitt trigger mengubah gelombang sinus ke bentuk pulsa (sharp-edged pulse)yang kemudian dihitung selama interval waktu tertentu. Hasil perhitungan digital dikirimkan ke

komputer yang menghitung frekuensi dan kecepatan. Terakhir, kecepatan ditampilkan pada

tampilan digital.

Sistem pengukuran Gambar 5 memiliki plat orifice sebagai elemen pengindera; yang

memberikan output berupa beda tekanan (differential pressure). Transmitter beda tekanan

mengubah sinyal ini ke dalam bentuk sinyal arus dan karenanya menggabungkan bagian

pengindera dengan bagian pengkondisian sinyal. ADC mengubah arus ke dalam bentuk digital.

Selanjutnya komputer menghitung laju aliran dan dicatat secara permanen pada chart

recorder.

3. Tinjauan Ulang Jenis jenis Instrumen

Instrumen dapat dibagi ke dalam beberapa kelas berdasarkan beberapa kriteria.

Pengelompokan ini berguna dalam menentukan beberapa atribut instrumen, seperti akurasi,

harga, kemampuannya pada aplikasi yang berbeda.


6/9

3.1 Instrumen Aktif dan Pasif

Instrumen dibagi ke dalam aktif atau pasif berdasarkan pada apakah output instrumen

yang dihasilkan sepenuhnya oleh besaran yang diukur (disebut instrument pasif) atau apakah

besaran yang diukur memodulasi magnitudo sumber daya eksternal (disebut instrumen aktif).

Pada instrumen aktif, sumber daya eksternal digunakan dalam bentuk listrik, namun pada

beberapa kasus, dalam bentuk energi lain seperti pneumatik atau hidrolik.Contoh instrumen pasif adalah alat ukur tekanan yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Tekanan fluida ditranslasikan ke pergerakan penunjuk pada skala. Energi yang dikeluarkan

dalam bentuk pergerakan penunjuk sepenuhnya berasal dari perubahan tekanan yang diukur:

tidak ada input energi lain ke sistem.

Gambar 6. Contoh instrument pasif, jenis defleksi, dan analog: meteran tekanan.

Contoh instrumen aktif adalah indikator ketinggian tangki minyak jenis pelampung yang

disketsa pada Gambar 7. Perubahan tinggi minyak menggerakkan lengan potensiometer, dan

sinyal output sebagian berasal dari sumber tegangan eksternal yang digunakan pada

potensiometer. Energi dalam sinyal output datang dari sumber daya eksternal: sistem

pelampung transduser primer hanya memodulasi nilai tegangan dari sumber daya eksternal.


7/9

Gambar 7. Contoh instrument aktif: indicator ketinggian tangki minyak.

Satu perbedaan yang sangat penting antara instrumen aktif dan pasif adalah tingkat

resolusi yang diperoleh. Dengan meteran tekanan yang sederhana seperti yang ditunjukkan di

atas, besarnya pergerakan yang dibuat oleh penunjuk untuk perubahan tekanan tertentusangat ditentukan oleh sifat instrumen. Ketika resolusi instrument memungkinkan untuk

ditambah dengan membuat penunjuk yang lebih panjang, sedemikian hingga ujung penunjuk

bergerak melalui sudut yang lebih besar, cakupan peningkatan tersebut tentu saja dibatasi oleh

batasan praktis pada seberapa panjang penunjuk seharusnya. Pada instrumen aktif, pengaturan

magnitudo input energy eksternal mengijinkan pengaturan yang lebih mudah atas resolusi

pengukuran. Meskipun cakupan resolusi pengukuran yang meningkat adalah jauh lebih besar,

hal ini bukan berarti tak terbatas karena adanya pembatasan magnitudo input energy eksternal

berkaitan dengan efek panas dan alasan keamanan.

Dari segi harga, instrumen pasif normalnya memiliki konstruksi lebih sederhana dari

pada instrumen aktif dan karenanya lebih murah dalam pembuatannya. Oleh karena itu,pemilihan antara instrumen aktif atau pasif untuk aplikasi tertentu melibatkan keseimbangan

antara persyaratan resolusi dan harga.

3.2 Instrumen Jenis-Null dan Jenis-Defleksi

Meteran tekanan yang telah dijelaskan di atas (Gambar 6) merupakan contoh instrumen

jenis defleksi, dimana nilai besaran yang diukur ditampilkan dalam bentuk besarnya pergerakan

penunjuk. Jenis lain dari meteran tekanan adalah deadweight gauge yang ditunjukkan pada

Gambar 8, yang merupakan instrumen jenis-null. Di sini, anak timbangan diletakkan pada

bagian atas pistron hingga gaya ke bawah setimbang dengan tekanan fluida. Anak timbangan

ditambahkan hingga piston mencapai tingkat datum, dikenal sebagai titik nol. Pengukuran

tekanan dibuat dalam bentuk nilai berat anak timbangan yang dibutuhkan untuk mencapai

posisi nol ini.


8/9

Gambar 8. Contoh instrument jenis-null

Akurasi dari kedua instrumen ini bergantung pada beberapa hal yang berbeda. Secara

umum, instrumen jenis-null lebih akurat dari pada jenis-defleksi. Dalam hal penggunaan,

instrumen jenis-defleksi jelas lebih mudah. Namun, untuk tugas kalibrasi, instrumen jenis-nul lebih

disenangi karena akurasinya yang menonjol.

3.3 Instrumen Analog dan Digital

Instrumen analog memberikan output yang berubah secara kontinyu terhadap

perubahan besaran yang diukur. Output dapat memiliki sejumlah nilai yang tak- terbatas dalam

rentang desain instrumen. Meteran tekanan jenis-defleksi yang dijelaskan sebelumnya (Gambar

6) merupakan contoh instrumen analog. Saat perubahan nilai input, penunjuk bergerak dengan

gerakan kontinyu yang halus. Meskipun penunjuk dapat berada pada posisi sembarang, jumlah

posisi yang dapat terdeteksi oleh mata dengan berbeda adalah terbatas, bergantung padaseberapa besar skala dan seberapa baik dia dibagi.

Instrumen digital memiliki output yang berubah dalam langkah diskrit dan sehingga

hanya memiliki sejumlah nilai yang terbatas. Penghitung putaran yang ditunjukkan pada

Gambar 9 merupakan contoh instrumen digital. Bubungan (cam)

ditempelkan pada benda yang berputar yang diukur putarannya, dan pada setiap putaran,

bubungan membuka dan menutup saklar. Operasi saklar dihitung oleh pencacah elektronik.

Sistem ini hanya dapat menghitung putaran penuh dan tidak dapat membedakan pergerakan

yang kurang dari putaran penuh.

Gambar 9. Contoh instrument digital: penghitung putaran


9/9

Perbedaan utama antara instrumen analog dan digital telah menjadi penting khususnya

dengan adanya perkembangan pesat pada aplikasi mikrokomputer untuk sistem kontrol

otomatis. Sebuah instrumen yang memiliki output dalam bentuk digital dapat disambungkan

langsung ke komputer kontrol. Sedangkan intrumen analog harus menggunakan ADC terlebih

dahulu. Konversi dengan ADC memiliki beberapa kerugian. Pertama, ADC menambah harga

sistem secara signifikan. Kedua, ada batasan waktu dalam proses mengkonversi sinyal analog kedigital sehingga mengurangi akurasi kontrol yang bergantung pada kecepatan komputer

mengontrol.

materi kuliah pengukuran teknik 2016.1.pdf

Documents