pengantar teknik pengukuran

PENGANTAR TEKNIK PENGUKURAN

1. PRINSIP TEKNIK PENGUKURANSistem pengukuran atau instrumentasi berkembang cepat seiring dengan

berkembangnya tekhnologi material dan elektronik. Penggunannya tidak saja pada

bidang teknik, bidang kedokteran ataupun bidang lainnya turut memmanfaatkannya.

Pemanfaatan teknik pengukuran dibedakan menjadi dua, yaitu sebagai monitoring

dan sebagai pengontrol. Kriteria umum komponen dari sistem pengukuran dibedakan

menjadi 4 kelompok, yaitu : elemen sensor, transmitter, controller dan output

(display/actuator). Hubungan ketiga elemen tadi dapat dilihat pada gbr 1 berikut :

Gbr. 1 Skema sistem pengukuran

1.1. SENSOR Sensor merupakan elemen yang bersinggungan langsung dengan media yang diukur

besarannya. Efek atau respon dari sensor bermacam-macam, tergantung dari jenis

sensor yang dipakai. Efek yang diterima atau ditangkap oleh sensor dapat berupa

besaran mekanis, electric maupun optik. Sedangkan outputnya bisa berupa besaran

mekanis atau listrik. Signal yang dikeluarkan oleh sensor ordenya masih sangat

rendah, sehingga perlu dikuatkan atau diubah sehingga dapat dibaca atau digunakan

untuk keperluan lain.

Tim SCADA UBP. Saguling 1

ACTUATOR

DISPLAY

CONTROLLERTRANSMITTERSENSOR


1.2. TRANSMITTER / TRANDUCERTransmitter/Tranducer dalam teknik pengukuran berfungsi untuk merubah atau

menguatkan sinyal yang dihasilkan oleh sensor. Tujuan/fungsi transmitter secara

prinsip dibedakan menjadi 3,yaitu :

Sebagai transmitter berfungsi menyalurkan/mentransmisikan sinyal

kepada rangkaian berikutnya

Sebagai Op Amp berfungsi untuk menguatkan sinyal

Sebagai Converter, berfungsi merubah satu besaran ke besaran lain.

1.3. CONTROLLERController berfungsi untuk mengolah sinyal dari transmitter menjadi bentuk output

yang diinginkan. Sinyal output ini dapat berupa besaran analog maupun signal

digital, tergantung aplikasi selanjutnya. Dalam controller semua sinyal dari

transmitter tadi diubah menjadi sinyal digital dan diproses sesuai program yang

diinginkan. Secara prinsip untuk proses pengukuran yang digunakan pada sistem

pengaturan, program dalam controller umumnya berupa fungsi aritmatika yang

bertujuan untuk menghitung sinyal input sebagai sensing terhadap suatu constanta

atau besaran lain (feedback). Program aritmatik tersebut bisa\berupa fungsi Adder,

Subtractor, Multliply, Devider atau PID, dll. Sehingga akan diperoleh suatu besaran

pada sinyal output sesuai yang diinginkan (process value). Secara sederhana proses

pengukuran pada sistem pengaturan dapat dilihat pada gambar berikut :

Gbr.2. Proses pengukuran untuk sistem pengaturan


ACTUATORCONTROLLER

Output

Input Plant

Feedback


1.4. DISPLAY/ACTUATORDisplay/Actuator merupakan bagian akhir sistem pengukuran. Display merupakan

bagian sistem pengukuran yang digunakan untuk fungsi monitoring, sedangkan pada

actuator digunakan sebagai bagian dari sistem pengaturan dimana sensor sebagai

input dan aktuator sebagai outputnya.

Umumnya display bisa berupa Seven Segmen Led atau meter analog. Namun

perkembangan software pada komputer memungkinkan menampilkan semua

besaran tersebut pada layar monitor sekaligus memberikan komando pada

controller, sehingga kita kenal dengan istilah HMI (Human Machine Interface)



2. SENSORSensor adalah bagian yang berhubungan langsung dengan media yang akan diukur

besarannya. Besaran yang dideteksi oleh sensor pada umumnya berupa besaran

phisik. Dari jenis besaran itulah suatu sensor dapat dibedakan. Implementasi dalam

pengukuran memungkinkan besaran/parameter yang dideteksi belum tentu besaran

yang akan diukur. Dua klasifikasi yang mendasar dari sensor adalah sensor yang

langsung mendeteksi dan tidak langsung mendeteksi. Klasifikasi sensor menurut

media yang diidentifikasi dibedakan menjadi 3, yaitu :

Sensor panas (thermal)

Sensor mekanis

Sensor optik

2.1. Sensor Panas (Thermal)

Sensor panas (thermal) adalah sensor yang mendeteksi besaran panas dari suatu

media atau material. Sensor panas pada prinsipnya menyentuh langsung dari media

yang akan diukur. Umumnya prinsip kerja sensor panas berdasarkan teori pemuaian.

Berdasarkan teori tersebut, maka sensor panas ini dapat dibedakan menjadi 3

kelompok, yaitu : cair, padat dan gas. Pada ketiga jenis zat tersebut perubahan

volumenya diidentifikasi dengan perubahan panjang karena perubahan volume pada

luas yang konstan. Kelompok sensor ini dalam teknik pengukuran dipresentasikan

sebagai thermometer cair, padat dan gas.



2.1.1. Thermometer Cair

Thermometer cair yang umum digunakan menggunakan air raksa (Hg), red oil atau

alkohol. Prinsip kerjanya merupakan pemuaian volume, dengan formulasi :

Dimana :

Vt : Volume setelah pemuaian.

Vo : Volume awal

: Koefesien muai volumetris

T : Perubahan temperatur.

Perubahan volume yang terjadi dialokasikan pada penampang tetap sehingga

perubahan yang dapat diamati adalah perubahan panjang.

2.1.2. Thermometer Padat

Prinsip kerja thermometer padat lebih banyak dikarenakan adanya perubahan

panjang akibat pemuaian. Formulasinya sebagai berikut :

Dimana :

Lt : Panjang setelah pemuaian

Lo : Panjang awal

: Koefesien muai panjang

T : Perubahan temperatur

Thermometer padat banyak digunakan pada pengukuran tempertur tinggi, namun

memiliki ketelitian yang rendah.



2.1.3. Thermometer Gas

Thermometer gas prinsip kerjanya menggunakan hukum Gay-Lussac dari formulasi :

Pada tekanan konstan apabila terjadi perubahan temperatur maka akan terjadi

perubahan volume. Perubahan volume dengan luasan konstan sehingga variable

yang dapat diamati berupa perubahan panjang.

Sensor thermal dimana outputnya merupakan signal electric dibedakan menjadi 4

macam, yaitu :

Thermocouple

RTD

Thermistor

IC



2.1.4. Thermocouple

Prinsip thermocouple adalah menyambung dua logam yang berbeda dalam dua

junction. Berdasarkan efek Seebeck & Peltier apabila junction tersebut dipanaskan

akan menimbulkan beda tegangan. Jenis thermocouple dan range temperaturenya

dapat dilihat pada tabel berikut :

JENIS THERMOCOUPLE RANGE TEMPERATURE

B (Platinum –30% vs Platinum –6% Rhodium

0 s/d 590 C

600 s/d 1190 C

1200 s/d 1810 C

E ( Chromega vs Contantan)

-260 s/d 340 C

350 s/d 990 C

J (Iron vs Contantan)-200 s/d 490 C

500 s/d 1190 C

K (Chromega vs Alomega)

-260 s/d 290 C

300 s/d 840 C

850 s/d 1370C

N (Nicrosil vs Nisil)-260 s/d 490 C

500 s/d 1290 C

R (Platinum –13% Rhodium vs Platinum)

-40 s/d 540 C

550 s/d 1140 C

1150 s/d 1760 C

S (Platinum –10% Rhodium vs Platinum)

-40 s/d 540 C

550 s/d 1140 C

1150 s/d 1760 C

T (Cooper vs Contantan) -260 s/d 390 C

2.1.5. RTD (Resistance Temperature Detector)Tim SCADA UBP. Saguling 7


RTD pada dasarnya adalah suatu tahanan (resistor) yang apabila dipanaskan maka

harga tahanannya akan meningkat. Parameter sebagai pertimbangan dalam teknik

pengukuran adalah sensitivitas (o). Sehingga muncul beberapa jenis RTD, yaitu PT

50, PT 100, dll.

2.1.6. Thermistor

Prinsip kerja Thermistor mirip dengan RTD. Karakteristik yang membedakan adalah

pada thermistor jika dipanaskan maka harga tahanannya menurun. Thermistor

termasuk jenis semiconductor, dimana perubahan temperatur akan mempengaruhi

tahanan jenis material.

2.1.7. IC LM335

Sensor jenis ini termasuk dalam IC dimana jika dipanaskan pada outputnya akan

mengeluarkan tegangan/arus tergantung dari bentuk rangkaiannya. IC LM335

mempunyai range temperature pengukuran rendah antara –10 s/d 120 C

2.2. Sensor Mekanis



Sensor mekanis pada prinsipnya mengukur atau mendeteksi perubahan posisi.

Berdasarkan perubahan posisi tersebut dapat dikembangkan untuk mengukur

kecepatan, percepatan, gaya, tekanan maupun flowrate. Sensor mekanis dibagi

dalam dua jenis, yaitu langsung dan tidak langsung. Sensor mekanis langsung

dipakai secara konvensional seperti manometer Bourden, Pitot Tube, dll. Kriteria

sensor mekanis berdasarkan fungsi antara lain untuk mengukur posisi, kecepatan,

dan sebagainya.

2.2.1. Sensor Posisi

Prinsip kerja sensor posisi adalah mengukur perubahan posisi atau panjang. Jenis

sensor ini antara lain :

Potensiometer

Capasitor

LVDT (Linier Variable Differential Transforner)

2.2.2. Sensor Flowrate & Kecepatan

Prinsip kerja sensor ini ada dua macam, pertama mendeteksi beda tekanan

sedangkan yang lainnya mendeteksi frekuensi/putaran. Jenis sensor ini antara lain:

Turbin flow meter

PMG

Pulse detector, dll

2.3. Sensor Optik

Sensor optik bekerja berdasarkan prinsip optis gelombang elektromagnetik. Aplikasi

dalam teknik pengukuran dibedakan menjadi 3 macam, yaitu energi, interferensi dan

radiasi panas.

a) Efek energi dengan memanfaatkan energi photon. Penggunaan pada photo diode

digunakan untuk mengukur batas posisi tertentu.



b) Efek interferensi lebih banyak menggunakan frekuensi. Parameter yang disensor

adalah kecepatan berdasarkan frekuensi yang terjadi, sehingga kecepatan dapat

diukur dengan formula

Dimana,

V : Kecepatan

: Panjang gelombang

: Frekuensi.

c). Efek Radiasi panas pada umumnya digunakan untuk mengukur temperatur.

Berdasarkan energi yang diradiasikan dapat diketahui temperatur sumber panasnya.

3. PENGKONDISI SIGNALTim SCADA UBP. Saguling 10


Pengkondisi signal dalam teknik pengukuran bertujuan untuk mengkondisikan sinyal

dari sensor sehingga dapat dipergunakan oleh peralatan lain baik untuk monitoring

maupun untuk pengaturan. Mekanisme pengkondisian signal sebenarnya dilakukan

secara bertingkat mulai dari sensor sampai pada bagian controller. Telah dijelaskan

diatas bahwa Transmitter/Tranducer merupakan alat yang berfungsi untuk merubah

sinyal dari sensor (phisik) ke bentuk sinyal lain (elektrik). Berdasarkan kriteria

tersebut maka tranducer/transmitter didalamnya terdapat pengkondisi signal yang

dapat dikelompokkan dalam dua bagian yaitu sistem analog dan digital.

3.1. PENGKONDISI SIGNAL ANALOG

Sinyal keluaran dari sensor pada umumnya masih merupakan besaran analog yang

memiliki orde sangat kecil sehingga untuk dihubungkan pada perangkat lain masih

perlu dikondisikan terlebih dahulu. Pengkondisian signal disini mengandung maksud

mengkondisikan signal input (dari sensor) menjadi suatu bentuk signal yang

diinginkan pada outputnya. Ada 3 macam metoda pengkondisian signal :

Dikuatkan ( melalui rangkaian Op Amp)

Difilter ( melalui rangkaian filter )

Diubah ( melalui rangkaian converter )

Dalam prakteknya metoda diatas bisa digunakan salah satu atau gabungan dari

ketiga-nya, tergantung jenis output sinyal yang diinginkan. Output sinyal analog ini

umumnya berupa besaran arus (4 – 20 mA, 0 – 20 mA) atau besaran tegangan (0-5

V, 0 –10 V). Pengkondisian signal analog dibagi kedalam dua cara, yaitu

pengkondisian signal pasif dan aktif.

3.1. Pengkondisian Signal PasifTim SCADA UBP. Saguling 11


Pengkondisian signal pasif dalam proses bekerjanya tidak membutuhkan power

supply dari luar dan umumnya hanya menggunakan komponen-komponen pasif.

Penggunaan cara ini mempunyai kekurangan, yaitu karena signal yang dikondisikan

menjadi satu dengan power supply-nya. Adapun macam pengkondisi signal pasif

antara lain :

A. Penguat Frekuensi Tinggi dan Frekuensi Rendah

Penguat frekuensi umumnya disebut filter, baik frekuensi rendah maupun

frekuensi tinggi. Frekuensi kritisnya sebesar ½ RC dengan harga penguatan

minimal 0.707. Bentuk rangkaiannya dapat dilihat pada gbr 3.1 dan 3.2

R 10 Ohm C 1 mF

C 1mF R 10 Ohm

Gbr.3.1. Filter Frekuensi Rendah Gbr.3.2. Filter Frekuensi tinggi

Filter frekuensi diformulasikan sebagai penguatan fungsi ratio ratio ferkuensi

( x = f/fr ) sebagai berikut:

Frekuensi rendah :

Frekuensi tinggi :



Dimana :

VLr = rasio tegangan filter frekuensi rendah

VHr = rasio tegangan filter ferkuensi tinggi

X = rasio frekuensi

B. Voltage Devider

Voltage Devider atau pembagi tegangan mempunyai karakteristik hampir

sama dengan penguat frekuensi dimana nilai penguatannya ( gain )

maksimum sama dengan inputnya. Bentuk phisiknya berupa dua buah resistor

(potensiometer). Input devider berupa tegangan baik DC maupun AC. Dari

gambar 3.3 dapat dilihat bahwa harga outputnya sangat tergantung pada nilai

resistornya.

Gbr.3.3. Voltage Devider

Formulasinya sebagai berikut :

Vout = R2/R1+R2 x Vin

3.2. Pengkondisian Signal Aktif

Pengkondisian signal aktif adalah suatu pengkondisi sinyal dimana pada

rangkaiannya memerlukan power supply luar dan umumnya menggunakan



komponen semikonduktor (Transistor/IC). Dalam aplikasinya pengkondisian aktif

dapat berupa rangkaian Op Amp maupun converter. Nilai penguatannya tergantung

pada nilai tegangan operasi (Voltage Swing) serta jenis komponen yang digunakan.

Simbolnya dapat dilihat pada gbr. 3.4

Gbr. 3.4. Symbol Op-Amp

Sifat dasar Op Amp ideal adalah :

Mempunyai penguatan yang cukup besar ( 10.000 s/d 100.000 kali )

Mempunyai Impedansi Input (Zin) yang sangat besar (mendekati )

Mempunyai Impedansi keluaran (Zout) yang kecil

Op Amp pada kondisi kerjanya membutuhkan komponen tahanan atau resistor

sebagai kompensator. Pada kondisi tanpa feedback (Rf tidak ada) maka antara Vin

dan Vout akan terjadi perbedaan polaritas, tetapi besarnya Vout tidak dapat

dikendalikan besarnya. Penambahan resistor Rf sebagai feedback mengakibatkan

penjumlahan arus yang seimbang dengan besarnya tahanan feedback.

Adapun jenis Op Amp menurut aplikasinya dapat dibagi menjadi beberapa fungsi,

antara lain :

a. Inverting Amplifier

b. Non Inverting Amplifier

c. Penjumlah (summing amplifier)

d. Intregator

e. Differentiator

A. Inverting AmplifierTim SCADA UBP. Saguling 14


Inverting Amplifier berfungsi untuk merubah polaritas signal input. Gambar

rangkaian Inverting Amplifier dapat dilihat pada gambar 3.5. berikut :

Gbr.3.5. Inverting Amplifier

Dari gambar rangkaian diatas dapat diformulasikan bahwa :

Vout = - ( Rf/R1 x Vin )

B. Non Inverting Amplifier



Gbr. 3.6. Non Inverting Amplifier

Dari rangkaian diatas dapat diformulasikan sebagai berikut :

Vout = ( 1 + Rf/R1 ) Vin

C. Rangkaian Penjumlah (Summing Amplifier)

Gbr. 3.7. Rangkaian Penjumlah (Summing Amplifier)

Formulasi totalnya adalah sebagai berikut :

Vout = -(Rf/R1. V1 + Rf/R2. V2 + Rf/R3. V3)

Jika R1 = R2 = R3, maka : Vout = -(V1+V2+V3)



D. Rangkaian Integrator

Gbr. 3.8. Rangkaian Integrator

Formulasinya adalah sebagai berikut :

I1 + I2 = 0

I2 = - I1

E. Rangkaian Differentiator


+


Gbr. 3.9. Rangkaian Differentiator

Formulasinya adalah sebagai berikut :

I1 + I2 = 0

I2 = - I1

3.3. Pengkondisian Signal Digital

Pengkondisian signal digital merupakan hal yang sangat penting dalam teknik

pengukuran, hal ini dikarenakan tekhnologi sekarang hampir semuanya memakai

sistem digital, baik itu untuk keperluan sistem monitoring maupun sistem pengaturan.

Pada prinsipnya ada dua metoda pengkondisian signal digital, yaitu Analog to Digital

Converter (ADC) dan Digital to Analog Converter (DAC). Pada aplikasinya tidak

semua sinyal analog harus dikondisikan menjadi sinyal digital atau sebaliknya,

karena umumya konversi sinyal tersebut sudah dapat dilakukan didalam controller-

nya, kecuali untuk keperluan-keperluan tertentu tanpa menggunakan controller,

pengkondisian ini perlu dilakukan.

3.1. Digital to Analog Converter (DAC)

DAC berfungsi untuk merubah sinyal digital menjadi sinyal analog. Sinyal yang

dirubah oleh DAC outputnya berupa besaran tegangan. Parameter yang menjadi

acuan dalam penggunaan DAC adalah tegangan reverence (Vr), bit (binary word

DAC) dan ketelitian atau resolusi. Hasil konversi atau output dari DAC diformulasikan

sebagai berikut :



Dimana :

Vout : Tegangan output

Vr : Tegangan reference

n : nilai bit DAC

Besarnya harga Vout maksimum adalah sebesar Vr. Adapun resolusi atau tingkat

keteletiannya diformulasikan sebagai berikut :

3.4. Analog to Digital Converter (ADC)

ADC berfungsi untuk merubah sinyal analog menjadi sinyal digital. Formulasi yang

diperlukan identik dengan DAC dimana variabel inputnya adalah tegangan analog.


pengantar teknik pengukuran

Documents