ALAT INSTRUMENTASI DAN PENGUKURAN

1.1. Tujuan Dan Metoda Pengukuran

Pengukuran adalah pembandingan antara suatu besaran yang belum diketahui dengan besaran standar yang telah diketahui. Besaran standar diukur dengan alat ukur standar.

Sarana atau alat untuk menentukan harga suatu besaran atau variabel disebut sebagai piranti instrumentasi. Lazim disingkat sebagai instrumen.)

Instrumen pengukur dipasang pada proses produksi adalah untuk:

- Pengendalian kwalitas produk.

- Pengendalian biaya produksi

- Keselamatan kerja.

Berdasarkan cara memperoleh besaran yang diinginkan, metoda pengukuran dapat dibedakan atas:

1. Pengukuran langsung

Pengukuran ini dilakukan langsung untuk mendapatkan nilai besaran yang diinginkan. Ini adalah cara terbaik untuk menentukan kwalitas produk.

Contoh: Mengukur berat produk untuk mendapatkan berat produk yang sama.

2. Pengukuran tidak langsung

Pengukuran suatu besaran dilakukan secara tidak langsung, melalui besaran lain untuk mendapatkan hasil yang diinginkan.

Pengukuran ini didasarkan pada hubungan empiris antara besaran yang diukur dan hasil yang diinginkan.

Contoh: Pengukuran temperatur proses pasteurisasi untuk meniadakan bakteri pada produk.

1.2. Istilah-Istilah Dalam Pengukuran

Prinsip dasar pengukuran: Tidak ada pengukuran tanpa kesalahan.

Hasil pengukuran bergantung pada faktor berikut:

· Kepekaan (sensitivity), yaitu respons alat ukur terhadap perubahan besaran yang diukur.

· Ketepatan atau keakuratan (accuracy), yaitu selisih antara besaran yang ditunjuk alat ukur dengan nilai-benar. Nilai-benar diukur dengan alat ukur standar.

· Ketelitian (precision), yaitu kemampuan alat untuk memberikan hasil yang sama (pengulangan) untuk input yang sama.

· Resolusi (resolution), yaitu perubahan terkecil dari pembagian skala alat ukur.

Kesalahan ambang (bias error), yaitu selisih antara hasil rata-rata dari banyak pengukuran dengan nilai-benar.

Gambar 1. Kesalahan ambang (bias error)

Untuk menjelaskan istilah di atas, di sini ditampilkan hasil pengukuran tiga instrumen pengukur temperatur.

Gambar 2. Contoh hasil pengukuran pengukuran temperatur

Kesimpulan yang dapat diambil dari ketiga instrumen di atas adalah:

- Hasil pengukuran A memberi bias-error yang tidak dapat diabaikan walaupun tingkat ketelitiannya (presisi) baik.

- Hasil pengukuran B memberi bias-error yang dapat diabaikan tetapi tingkat ketelitiannya (presisi) jelek.

- Hasil pengukuran C memberi bias-error yang kecil dan tingkat ketelitiannya (presisi) baik. Alat C adalah alat yang akurat.

Kesalahan Pada Pengukuran

Tidak ada pengukuran tanpa kesalahan. Selalu ada selisih antara harga benar dengan harga yang ditunjukkan oleh alat ukur.

Penyebab kesalahan pengukuran adalah:

1. Kesalahan sistematis (systematic error)

Penyebab kesalahan sistematis adalah:

· Alat ukur itu sendiri,

Disebabkan oleh kesalahan kalibrasi, faktor lingkungan, umur alat, dan gangguan mekanis.

· Metoda pengukuran,

yaitu faktor kelembaban, temperatur, getaran dan medan magnet/listrik.

· Manusia,

yaitu kondisi tubuh, kondisi mental dan kesabaran.

2. Kesalahan acak (random error)

Penyebab kesalahan acak adalah:

· Gangguan,

yaitu dari lingkungan kerja, alat penunjang, dan mekanis

· Kesalahan pembacaan,

yaitu kesalahan proyeksi, ketebalan jarum, kehalusan skala, linieritas skala, ketebalan garis skala, dan kesalahan taksir.

1.3. Standar Satuan Ukur

Tiap besaran yang diukur selalu dinyatakan dalam satuan ukuran tertentu. Standar satuan yang paling umum dipakai adalah satuan SI (Sistem Internasional, asal kata: Systeme Internationale).

Satuan Dasar		Satuan Turunan
Besaran	Satuan	Besaran	Satuan	Definisi
Panjang	m (meter)	frekuensi	Hz (hertz)	1 / detik
Massa	kg (kilogram)	gaya	N (newton)	kg / m detik²
Waktu	dt (detik) atau s (second)	tekanan	Pa (pascal)	N / m²
Arus listrik	A (ampere)	enersi	J (joule)	N m
Temperatur	ºK (Kelvin)	power	W (watt)	J / detik
Jumlah zat	mol	tegangan listrik	V (volt)	W / A
Kekuatan cahaya	cd (Candela)	resistansi	Ω (Ohm)	V / A
Sudut bidang	rad (radian)	konduktansi	Siemens	A / V
Sudut ruang	sr (steradian)	Kerapatan cahaya	lx (lux)	cd sr / m²

Faktor pengali untuk satuan di atas dinyatakan dengan kata awalan seperti pada tabel berikut:

Faktor	Awalan	Simbol	Faktor	Awalan	Simbol
10^-1	deci	d	10¹	deca	Da
10^-2	centi	c	10²	hecto	H
10^-3	milli	m	10³	kilo	K
10^-6	micro	µ	10⁶	mega	M
10^-9	nano	n	10⁹	giga	G
10^-12	pico	p	10¹²	tera	T
10^-15	femto	f	10¹⁵	peta	P
10^-18	atto	a	10¹⁸	exa	E
10^-21	zepto	z	10²¹	zetta	Z
10^-24	yocto	y	10²⁴	yotta	Y

1.4. Fungsi Umum Instrumen

1.4.1. Indicating Instrument

Instrumen jenis ini memberikan indikasi yang dapat langsung dibaca oleh manusia sampai pada batas ketelitian tertentu. Indikasi dapat berupa jarum-penunjuk, angka skala atau tampilan angka

(digital).

Gambar 3. Instrumen Penunjuk

1.4.2. Recording Instrument

Biasanya dilengkapi dengan kertas dan pena – untuk mencatat nilai ukur atau besaran lain berdasarkan waktu pengukuran.

Pada jenis terbaru, instrumen ini dilengkapi dengan memori untuk menyimpan data. Isi memori dapat dipindahkan ke komputer untuk dianalisa atau dicetak.

Contoh: Chart recorder Gambar 4. Hasil recording instrument

1.4.3. Signaling Instrument

Instrumen jenis ini memberi sinyal jika ada penyimpangan dari batas yang ditentukan. Sinyal dapat berupa indikasi lampu, alarm atau optik.

Contoh: Level switch pada Solar Daily Tank

Gambar 5. Signaling intrument

1.4.4. Transmitter

Instrumen jenis ini mengirimkan sinyal menuju intrumen penerima. Sinyal yang dikirim umumnya berupa sinyal listrik (tegangan atau arus), tetapi ada juga yang berupa pneumatik (tekanan udara.)

Umumnya bagan sebuah instrumen elektronika adalah sebagai berikut:

Gambar 6. Bagan instrumen elektronika

Transducer (sensor) berhubungan langsung dengan besaran yang akan diukur dan mengubah besaran tersebut menjadi besaran listrik.

Pengkondisi sinyal (signal conditioner) mengubah besaran listrik dari transducer menjadi sinyal kendali yang sebanding dengan besaran yang akan diukur.

Pengolah sinyal (signal controller) berfungsi untuk mengolah keluaran dari pengkondisi sinyal menjadi suatu data, baik yang sebanding dengan besaran maupun yang sudah dimanipulasi untuk keperluan lain.

Peraga data (indicator / display) bertugas mengubah data keluaran dari pengolah-data menjadi suatu format yang dapat dimengerti oleh manusia ataupun oleh alat yang akan mengolah data tersebut lebih lanjut.

1.5. Standar Sinyal Instrumentasi

Sinyal keluaran dari instrumen dapat berupa arus listrik, tegangan listrik dan sinyal pneumatik. Agar berbagai instrumen dapat bekerja bersama-sama, sinyal dari instrumen pengirim harus sama dengan sinyal yang dapat diterima oleh instrumen penerima. Karena itu diperlukan standardisasi sinyal instrumen.

Standar internasional untuk sinyal instrumen adalah

- Arus DC: 0 - 20 mA dan 4 - 20 mA

Sinyal arus 4 – 20 mA adalah yang paling umum dipakai, termasuk di Pabrik Panjang.

- Tegangan DC: 0 - 5V / 0 - 10V / 1 - 5V / 1 - 10V.

- Pneumatik: 0,2 - 1,0 bar

Sinyal pneumatik tersebut adalah berupa tekanan udara yang ditransmisikan melalui pipa-pipa kapiler.

Keunggulan instrumen jenis ini adalah tahan terhadap gangguan medan magnet. Kelemahannya antara lain adalah respons lambat, tidak cocok untuk jarak jauh (karena perlu waktu untuk pengisian / pengosongan udara sepanjang pipa), dan ukurannya besar.

Dengan berkembangnya teknologi elektronika, instrumen ini hampir tidak dipakai lagi.

Contoh:

Sebuah temperature-transmitter memiliki spesifikasi 0 – 150 ºC pada arus output 4 – 20 mA. Itu berarti, arus output transmitter pada temperatur 0ºC adalah 4 mA dan arus output pada 150ºC adalah 20 mA.

Dengan teknik interpolasi, dapat dihitung bahwa arus output pada 75ºC adalah 12 mA.

Gambar 7. Contoh hubungan temperatur-arus

1.6. Standar Perkabelan Instrumen Elektronika

Perkabelan pada instrumen elektronika umumnya meliputi dua hal yaitu perkabelan yaitu:

1. Kabel untuk catu daya (power-supply)

Untuk sistem DC: catu daya instrumen umumnya adalah 24 V DC, dengan dua penghantar yaitu penghantar + dan penghantar -.

Untuk sistem AC, catu dayanya adalah tegangan 220 V AC, dengan 2 penghantar yaitu fasa dan netral. (Penghantar pentanahan tidak dihitung.)

2. Kabel untuk sinyal keluaran.

Ini terdiri dari 2 penghantar, yaitu penghantar + dan penghantar -

Semua instumen dengan output berupa arus 0 – 20 atau 4 – 20 mA DC dapat dibedakan atas dua jenis, yaitu:

1. Sistem 2 kawat / penghantar (2-wire system)

Hal ini mungkin dengan memakai penghantar catu-daya sekaligus sebagai penghantar untuk sinyal keluaran. Dalam hal ini, catu daya berupa tegangan DC 24 V DC.

Temperature transmitter, level transmitter dan pressure transmitter umumnya memakai sistem 2 kawat.

2. System 4 kawat / penghantar (4-wire system)

Di sini, kabel catu daya berbeda dengan kabel sinyal keluaran. Catu daya dapat berupa 24 V DC atau 220 V AC (ini lebih umum).

Flowmeter, pH-meter dan conductivity-meter umumnya memakai sistem 4 kawat.

Gambar 8. Contoh instalasi sistem 2-kawat dan 4-kawat

1.7. Instrumen Umum Dunia Industri Makanan

Secara umum tiap instrumen harus memenuhi persyaratan berikut:

· handal,

· memberi hasil yang sama pada tiap pengukuran (repeatability),

· mudah dikalibrasi,

· mudah perawatannya,

· sinyal keluarannya memenuhi standar umum,

· dukungan purna-jual yang mudah

· ada keseimbangan antara harga dan kwalitas instrumen.

Khusus untuk aplikasi industri makanan, tiap instrumen juga harus memenuhi persyaratan tambahan berikut:

- desain higienis

- tahan terhadap lingkungan yang panas dan korosif

Ada banyak jenis instrumen dalam dunia industri makanan. Beberapa yang umum dipakai adalah :

- Temperature Transmitter

- Level Transmitter

- Pressure Transmitter

- Flowmeter

- PH-meter

- Conductivity-Meter

II. PENGUKURAN TEMPERATUR

Pengukuran temperatur terdapat pada hampir semua tahapan proses industri.

Jenis-jenis pengukuran temperatur, antara lain adalah pengukur temperatur mekanis dan pengukur temperatur thermo-elektrik

2.1. Pengukur Temperatur Mekanis

Jenis ini bekerja berdasarkan pemuaian zat padat, cair atau gas.

Contoh:

– Termometer kaca berisi zat cair (biasanya berisi air raksa atau alkohol.)

– Dial thermometer berisi zat cair.

– Dial-thermometer berisi uap bertekanan.

– Dial-thermometer berisi gas.

2.2. Pengukur Temperatur Thermo-elektrik

Jenis ini bekerja berdasarkan perubahan gaya gerak listrik (g.g.l.) induksi atau perubahan resistansi pada penghantar logam.

Contoh yang paling umum adalah: resistance thermometer dan thermo-couple

2.2.1. Resistance Thermometers

Resistance thermometer bekerja berdasarkan perubahan resistansi logam karena perubahan temperatur.

Bahan logam yang umum dipakai adalah:

– platinum,

– tembaga,

– nikel, dan

– semi-konduktor dari oksida logam.

Platinum adalah bahan yang paling sering dipakai seperti pada Platinum RTD (Resistance Temperature Dependant) jenis Pt100 (artinya resistansinya 100 Ohm pada 0 °C.) Platinum RTD bekerja baik pada kisaran temperatur -200 sampai +600°C.

Jenis ini paling umum dipakai karena memiliki akurasi yang baik, stabil dan perawatannya sederhana.

2.2.2. Thermocouple

Thermocouple adalah sepasang logam yang jenisnya berbeda yang kedua ujungnya disatukan (dengan solder) – yang akan menghasilkan gaya gerak listrik (dalam satuan mV) jika ada perbedaan temperatur pada kedua titik sambungan tadi.

Gambar 9. Thermocouple

2.2.3. Keunggulan Dan Kelemahan Pengukur Thermoelektrik

Jenis	Keunggulan	Kekurangan
Resistance	Akurasi baik Kalibrasi mudah	Perlu catu-daya DC terus menerus. Untuk pengukuran jarak jauh, perlu kompensasi terhadap resistansi kabel. Kisaran pengukuran rendah (max 800°C.)
Thermocouples	Tidak memerlukan catu daya. Perkabelan dengan sistem 2-kawat. Cocok untuk temperatur sangat tinggi (hingga 1600°C)	Perlu alat kalibrasi khusus. Akurasi rendah Kompensasi terhadap resistansi kabel rumit

2.3. Instalasi Pengukur Temperatur

Hal yang perlu diperhatikan pada instalasi adalah:

· Pastikan sensor terendam dengan baik pada media yang sedang diukur.

· Aturan umum: bagian sensor harus terendam setidaknya 10 kali diamater isntrumen.

· Panas yang hilang antara bagian sensitif pada sensor dan pipa kapiler harus selalu lebih kecil dari panas yang diberikan pada bagian sensitive pada sensor.