TEKNIK PENGUKURAN

TUGAS 1

“PERKEMBANGAN ALAT UKUR TEMPERATUR DAN TEKANAN”

DISUSUN OLEH:

BAYU ASMORO SETO

201511050

ALAT UKUR TEMPERATUR

1. Temperatur atau Suhu

Temperatur atau suhu dapat didefinisikan sebagai derajat panas satu benda. Benda yang panas memiliki suhu yang lebih tinggi dibandingkan benda yang dingin. Sebenarnya alat indera manusia (kulit) tidak dapat menentukan suhu benda secara akurat, hanya berdasarkan perkiraan dan perasaan subjeknya saja. Hal ini dikarenakan alat indera memiliki keterbatasan, salah satunya tidak dapat digunakan untuk menyentuh benda yang terlalu panas atau terlalu dingin.

Standar satuan temperatur yang secara umum digunakan di dunia ada dua macam, yakni satuan Fahrenheit dan Celcius. Skala Fahrenheit menggunakan angka 32o untuk menunjukkan titik beku dan 212o untuk titik didih dari air murni pada tekanan atmosfer. Sedangkan untuk satuan Celcius, menggunakan angka 0o pada titik beku serta 100o untuk titik didih air murni pada tekanan atmosfer. Pada perkembangan selanjutnya, konvensi internasional menetapkan standard baru pada titik bawah masing-masing satuan tersebut. Sekarang penunjukan 0oC atau 32oF bukan pada titik beku air, namun berada pada titik tripel (triple point) dari air. Triple point adalah kondisi dimana air bisa berfase cair, padat, ataupun gas sekaligus.

Gambar 1. Perbandingan Standar Satuan Temperatur

2. Alat Ukur Temperatur

Alat untuk mengukur suhu atau temperatur disebut termometer. Termometer memanfaatkan sifat termometrik suatu zat, yaitu perubahan sifat-sifat zat karena perubahan suhu zat tersebut. Termometer pertama kali ditemukan oleh Galileo Galilei (1564-1642). Termometer ini disebut termometer udara. Termometer udara terdiri dari sebuah bola kaca yang dilengkapi dengan sebatang pipa kaca panjang. Pipa tersebut dicelupkan ke dalam cairan berwarna. Ketika bola kaca dipanaskan, udara di dalam pipa akan mengembang

sehingga sebagian udara keluar dari pipa. Namun, ketika bola didinginkan udara di dalam pipa menyusut sehingga sebagian air naik ke dalam pipa. Termometer udara peka terhadap perubahan suhu sehingga suhu udara saat itu dapat segera diketahui. Meskipun peka terhadap perubahan suhu, namun termometer ini harus dikoreksi setiap terjadi perubahan tekanan udara.

Gambar 2. Termometer Galileo

Panas sangat berpengaruh terhadap properti dari suatu materi seperti ekspansi termal, radiasi, serta efek elektrik. Ketiga properti tersebut menjadi dasar untuk membuat alat ukur temperatur sesuai dengan pengaruh perubahan suhu terhadap properti suatu benda. Tingkat presisi alat ukur temperatur sangat bergantung kepada properti materil yang digunakan, properti material yang diukur, serta desain dari alat ukur itu sendiri. Sehingga penentuan alat ukur yang tepat sesuai dengan media kerja yang akan diukur sangat mempengaruhi hasil akhir pengukuran.

Di dunia sains telah banyak dikembangkan metode-metode pengukuran temperatur. Sehingga berdasarkan metode pengukuran ini juga dapat kita klasifikasikan termometer menjadi beberapa jenis. Berikut merupakan klasifikasi alat ukur temperaturberdasarkan metode pengukurannya :

a. Perubahan Fase Fusi

Beberapa zat kimia seperti merkuri dan air, memiliki temperatur yang tetap untuk mengalami perubahan fase dari padat menjadi cair. Sifat ini disebut fusi, yang mana sangat cocok untuk dijadikan acuan skala alat pengukuran temperatur. Titik leleh atau cair materi-materi ini dijadikan acuan untuk batas bawah skala alat ukur temperatur. Salah satu aplikasi dari alat ukur yang menggunakan metode ini adalah pyrometric cone. Alat ini menggunakan campuran senyawa oksida dan kaca yang akan meleleh pada temperatur yang telah ditentukan. Pyrometric cone umum digunakan pada

industri-industri keramik untuk mengukur temperatur furnace. Campuran zat yang digunakan pada alat ini dapat bekerja pada rentan temperatur 593 - 1982oC.

Gambar 3. Pyrometric Cone dari vendor Orton

Gambar 4. Gambaran kerja Pyrometric Cone

Vaporisasi

Tekanan penguapan sebuah cairan bergantung kepada temperaturnya. Pada saat sebuah cairan dipanaskan hingga mendidih, tekanan uap yang terbentuk sama dengan tekanan total permukaan cairan tersebut. Titik didih berbagai jenis zat kimia dapat digunakan sebagai acuan termometrik. Apabila cairan dan uap yang terbentuk berada di dalam sebuah bejana tertutup, maka kenaikan tekanan uap yang terjadi dapat digunakan untuk mengukur temperatur menggunakan pressure gauge yang terkalibrasi.

Gambar 5. Termometer Vapour-Pressure

Gambar 6. Cara kerja Termometer Vapour-Pressure

b. Sifat Muai Material (Expansion Properties)Sebagian besar material di alam ini memiliki sifat yang akan berekspansi (memuai) apabila terjadi kenaikan temperatur di lingkungan sekitarnya. Besar ekspansi yang terjadi berbanding lurus dengan kenaikan temperatur yang terjadi. Sifat ini dapat digunakan sebagai alat ukur temperatur.

Gas

Pemuaian pada gas dijabarkan kedalam rumusan berikut

Pvm = R x T

Dimana :P = tekanan absolut (lb/ft2); vm = volume (ft3/mole gas); R = konstanta gas (1545 ft lb/mole); T = temperatur absolut (R=oF + 460).

Nitrogen menjadi gas yang paling umum digunakan untuk termometer yang menggunakan prinsip kerja ekspansi ini. Nitrogen dapat digunakan dalam rentang temperatur -129 sampai 538oC. Konstruksi dari temperatur ini persis sama dengan termometer vapour pressure, hanya saja media kerjanya yang diganti dengan gas nitrogen. Pemuaian dari gas nitrogen yang dipanaskan meningkatkan tekanan sistem dan mengaktuasi indikator temperatur.

Gambar 7. Termometer Gas

Cair (Liquid)

Pemuaian zat cair dapat digunakan sebagai termometer dengan jalan menggunakan bulb dan pipa kapiler. Pada termometer jenis ini bulb dan pipa kapiler diisi penuh dengan cairan dan dikalibrasi dengan menggunakan pressure gauge. Salah satu jenis zat yang paling umum digunakan untuk termometer jenis ini adalah mercury, yang dapat bekerja pada renta suhu -40 hingga 538oC.

Termometer jenis liquid ini sangat simpel, murah, dapat langsung dibaca, dan bersifat portabel. Namun termometer ini memiliki ketelitian yang rendah. Termometer jenis ini dengan bulb yang tidak terlindungi apapun, hanya cocok untuk digunakan di lingkungan laboratorium saja dan tidak untuk di lingkungan industri berat. Untuk penggunaan di dunia industri, dibutuhkan sedikit modifikasi dengan penggunaan pelindung metal pada sisi bulb termometer. Namun hal ini menjadikan termometer ini lebih lambat untuk merespon terjadinya perubahan suhu dalam rentan waktu yang pendek.

Gambar 8. Termometer Liquid

Padat (Solid)

Termometer tipe selanjutnya yang menggunakan prinsip kerja pemuaian adalah pada benda padat. Tipe ini menggunakan media kerja logam bimetal. Logam bimetal adalah logam tipis dari dua jenis logam yang memiliki koefisien pemuaian berbeda, dan digabungkan menjadi satu. Pada saat terjadi perubahan panas, logam bimetal ini akan melengkung karena adanya perbedaan koefisien pemuaian antara kedua logam tadi. Semakin tinggi temperatur, keping bimetal semakin melengkung dan menyebabkan jarum penunjuk bergerak ke kanan, ke arah skala yang lebih besar. Prinsip inilah yang dapat digunakan sebagai alat ukur temperatur.

Gambar 9. Termometer Bimetal

Gambar 10. Konfigurasi Termometer Bimetal

c. Sifat Kelistrikan Material (Electrical Properties)

Alat ukur temperatur yang paling banyak digunakan di dunia industri adalah yang menggunakan sifat elektris. Sifat elektris suatu logam akan berubah jika temperaturnya berubah, prinsip ini dapat digunakan untuk mengukur temperatur sebuah logam. Ada dua jenis alat ukur temperatur yang menggunakan prinsip elektris ini, yakni thermocouple dan termometer electrical resistance (termistor).

Thermocouple

Alat ini tersusun atas dua konduktor listrik dari material yang berbeda yang dirangkai membentuk sebuah rangkaian listrik. Satu jenis logam konduktor yang terdapat pada Thermocouple akan berfungsi sebagai referensi dengan suhu konstan (tetap) sedangkan yang satunya lagi sebagai logam konduktor yang mendeteksi suhu panas. Jika salah satu dari konduktor tersebut dijaga pada temperatur yang lebih tinggi daripada konduktor lainnya sehingga ada diferensial temperatur, maka akan timbul efek termoelektris yang menghasilkan tegangan listrik. Besar tegangan listrik yang terbentuk tergantung dari jenis material konduktor yang digunakan, serta besar perbedaan temperatur antara dua konduktor tersebut.

Gambar 11. Thermocouple

Gambar 12. Prinsip kerja Thermocouple

Berdasarkan Gambar diatas, ketika kedua persimpangan atau Junction memiliki suhu yang sama, maka beda potensial atau tegangan listrik yang melalui dua persimpangan tersebut adalah “NOL” atau V1 = V2. Akan tetapi, ketika persimpangan yang terhubung dalam rangkaian diberikan suhu panas atau dihubungkan ke obyek pengukuran, maka akan terjadi perbedaan suhu diantara dua persimpangan tersebut yang kemudian menghasilkan tegangan listrik yang nilainya sebanding dengan suhu panas yang diterimanya atau V1 – V2. Tegangan Listrik yang ditimbulkan ini pada umumnya sekitar 1 µV – 70µV pada tiap derajat Celcius. Tegangan tersebut kemudian dikonversikan sesuai dengan Tabel referensi yang telah ditetapkan sehingga menghasilkan pengukuran yang dapat dimengerti oleh kita.

Termometer Tahanan (Thermistor)

Termometer tahanan dapat membaca temperatur berdasarkan dari tahanan listrik logam yang muncul seiring adanya peningkatan temperatur logam tersebut. Termometer ini menggunakan prinsip jembatan Wheatstone untuk menciptakan rangkaian tahanan listrik.

Gambar 13. Thermometer Thermistor

Prinsipnya adalah memberikan perubahan resistansi yang sebanding dengan

perubahan suhu. Perubahan resistansi yang besar terhadap perubahan suhu yang

relatif kecil menjadikan termistor banyak dipakai sebagai sensor suhu yang memiliki

ketelitian dan ketepatan yang tinggi.Termistor yang dibentuk dari bahan oksida logam

campuran (sintering mixture), kromium, kobalt, tembaga, besi, atau nikel,

berpengaruh terhadap karakteristik termistor, sehingga pemilihan bahan oksida

tersebut harus dengan perbandingan tertentu. Dimana termistor merupakan salah satu

jenis sensor suhu yang mempunyai koefisien temperatur yang tinggi.

Gambar 14. Prinsip kerja Thermistor

Komponen dalam termistor ini dapat mengubah nilai resistansi karena adanya

perubahan temperatur. Dengan demikian dapat memudahkan kita untuk mengubah

HEAT SOUR

energi panas menjadi energi listrik. Termistor dapat dibentuk dalam bentuk yang

berbeda-beda, bergantung pada lingkungan yang akan dicatat suhunya.

ALAT UKUR TEKANAN

1. Alat Ukur Tekanan dan Perkembangannya

Pressure Switch atau alat ukur tekanan menjadi satu komponen penting di dunia engineering yang paling banyak digunakan. Saat ini saja sudah ada sekitar 50 teknologi untuk mengukur tekanan, serta ada sekitar 300 perusahaan di dunia yang memproduksi alat ini.

Sensor tekanan digunakan untuk mengukur besar tekanan pada gas atau cairan (liquid). Secara ilmiah, tekanan adalah gaya yang dibutuhkan untuk menahan sebuah fluida agar berhenti berekspansi, atau dengan rumusan tekanan adalah besar gaya per satu satuan unit area (luas).

Dalam pengembangan teknologinya, sensor tekanan tidak hanya digunakan untuk mengukur tekanan saja, tetapi juga digunakan untuk mengukur aliran gas/fluida, mengukur kecepatan, level ketinggian air, dan juga altitude (ketinggian dari permukaan air laut). Jangan terkecoh dengan banyaknya istilah untuk alat ukur tekanan ini, berikut adalah diantaranya: Pressure Transmitter, Pressure Transducer, Pressure Senders, Pressure Indicators, Piezometers, dan Manometer.

Gambar 15. Prinsip Sensor Tekanan

Banyak sekali penggunaan sensor tekanan ini, namun secara garis besar alat ini dapat dikelompokkan berdasarkan kondisi sistem yang menggunakannya, yakni sebagai berikut:

a. Absolute Pressure Sensor

Sensor tekanan ini menggunakan referensi nilai nol absolut sebagai titik nol nya, atau dengan kata lain nilai sensor tekanan ini besarnya relatif terhadap tekanan pada kondisi

vakum absolut. Dalam standard satuan SI, menggunakan satuan “bar A” yang berarti “bar absolute”.

b. Gauge Pressure

Sensor tekanan jenis ini pengukurannya relatif terhadap tekanan atmosfir dimana alat tersebut digunakan. Alat ini digunakan pada alat ukur tekanan ban kendaraan bermotor, saat alat ini membaca “nol”, berarti besar tekanan adalah sama dengan tekanan ambient atmosfer.

c. Vacuum Pressure Sensor

Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan sebuah sistem yang bekerja di bawah tekanan atmosfer. Contoh penggunaannya adalah untuk mengukur tekanan sistem kondensor pada siklus Water-Steam PLTU yang harus selalu bekerja di tekanan vakum.

d. Differential Pressure (DP) Sensor

Alat ini sering juga disebut DP Transmitter, yang digunakan untuk membaca tekanan pada dua sisi sistem yang saling berhubungan. Salah satu contoh penggunaan alat ini adalah pada filter oli, jika nilai DP antara sisi inlet dan outlet terlalu besar maka dapat diindikasikan bahwa kotoran pada filter sudah semakin banyak.

e. Sealed Pressure Sensor

Jenis ini sama dengan Gauge Pressure Sensor, namun tidak menggunakan tekanan atmosfer sebagai titik acuan. Alat ini menggunakan titik acuan tertentu yang disesuaikan dengan desain sistem yang ada.

2. Aplikasi Alat Ukur Tekanan

Alat ukur tekanan memiliki prinsip kerja yang sangat sederhana, namun menjadi dasar dari berbagai instrumentasi pengukuran parameter penting di dunia engineering lainnya. Dan berikut adalah diantaranya :

a. Sensor Tekanan

Jelas sekali bahwa alat ini digunakan untuk mengukur besar tekanan gas atau cairan pada suatu ruang tertentu. Alat ini banyak digunakan pada peralatan penerbangan, instrumentasi cuaca, sistem hidrolik dan pneumatic, boiler, dan lain sebagainya.

Pada industri besar, alat ukur tekanan dihubungkan dengan sebuah transmitter yang akan mengirimkan nilai tekanan berupa sinyal ke sistem kontrol yang ada. Pressure transmitter ini berfungsi untuk mengubah sinyal mekanis berupa besar tekanan menjadi sinyal listrik berupa Ampere, sistem ini lazim disebut P/I (baca: P to I).

Gambar 16. Pressure Transmitter

b. Sensor Altitude

Sensor altitude adalah alat untuk menentukan ketinggian di atas permukaan air laut. Alat ini sangat penting digunakan sebagai sistem navigasi di pesawat terbang, mobil, dan terkadang di sebuah gedung bertingkat sebagai petunjuk untuk para pejalan kaki.

Sensor ketinggian ini sebenarnya menggunakan prinsip Gauge Pressure Sensor, yang menggunakan tekanan udara permukaan air laut (1 atm) sebagai titik referensi untuk menentukan ketinggian suatu lokasi. Serta menggunakan hubungan antara tekanan udara dengan ketinggian di suatu tempat.

Gambar 17. Altitude Sensor

c. Sensor Aliran (Flow Sensing)

Untuk mengukur aliran fluida di dalam sebuah pipa, dapat menggunakan pengembangan dari Pressure Sensor yang digabungkan dengan prinsip venturi effect. Venturi Effect adalah sebuah fenomena yang terjadi pada aliran fluida yang mengalir pada pipa berbentuk venturi, yang mana tekanan fluida pada sisi kecil dan besar venturi ada

perbedaan. Perbedaan tekanan (Differential Pressure) yang terjadi akan berubah-ubah sesuai dengan besar aliran fluida yang ada.

Beda tekanan yang ada ditransmisikan oleh sejenis Differential Pressure Transmitter yang selanjutnya nilainya dikonversikan menggunakan rumusan venturi effect menjadi besar aliran fluida yang terjadi.

Gambar 18. Venturi Effect

Gambar 19. Konfigurasi Differential Pressure Transmitter dengan prinsip Venturi Effect

d. Alat Ukur Kedalaman (Depth Sensor)

Alat ukur tekanan juga dapat digunakan untuk mengukur kedalam air laut dimana alat tersebut berada. Misal pada penyelam, kapal selam, alat-alat selam, mereka menggunakan alat ini. Prinsip alat ini menggunakan prinsip rumusan berikut:

Dimana P adalah tekanan, ρ adalah massa jenis fluida, g adalah percepatan gravitasi, h adalah ketinggian kolom fluida yang berada tepat di atas alat sensor.

Gambar 20. Beberapa contoh Depth dan Level Sensor