Dasar Instrument

of 23 /23

Click here to load reader

Transcript of Dasar Instrument

Page 1: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

BAB II

KONSEP DASAR INSTRUMENTASI

2.1 Konsep Dasar

Instrumentasi merupakan peralatan yang digunakan untuk mengukur,

mengatur serta mengendalikan jalannya suatu proses. Berdasarkan

implementasinya instrumen dibedakan menjadi :

1. Instrumen ukur

2. Instrumen kontrol

3. Instrumen recorder

2.1.1 Instrumen ukur

Instrumen ukur yang bertujuan untuk mengetahui harga besaran fisik.

Contoh termometer, pH meter.

Tujuan pengukuran :

mengontrol suatu besaran

menganalisa sistem yang menyangkut hal-hal yang menyebabkan

perubahan besaran dan langkah-langkah yang dilakukan.

2.1.2 Instrumen Kontrol

Instrument kontrol ialah instrumen ukur yang pada aplikasinya tidak

dituntut bentuk output yang ekivalen dengan informasi yang diberikan oleh bagian

input instrumen.

2.1.3 Instrumen Recorder

Intrumen recorder ialah intrumen ukur dimana bentuk output tidak sekedar

ditunjukan tetapi juga direkam.

2.2 Karakteristik Intrumen Pengukuran

Karakteritis instrumen pengukuran statis adalah karakteristik dari

instrumen yang berkaitan dengan input konstan yang diberikan pada instrumen

dan diamati setelah dicapai keadaan tunda.

Basic Instrumentation

6

Page 2: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

Karakteristik statis antara lain :

1. span adalah daerah kerja instrumen, yaitu besar input minimum dan

maksimum yang langsung dapat dibaca sesuai dengan batas atas dan

batas bawah skala pengukuran.

2. Akurasi

Akurasi adalah derajat kedekatan harga penunjukan suatu alat ukur

dengan harga yang sebenaranya (ditunjukan oleh alat standar).

3. Presisi

Presisi adalah derajat kedekatan data yang berada dalam suatu

kelompok data pengukuran untuk input yang sama.

4. Range

Range adalah jarak ukuran atau batas ukur suatu data dari yang

terendah sampai ke angka maksimum.

5. Bias

Bias adalah perbedaan antara harga rata-rata hasil pengukuran untuk

input yang sama dengan yang sebenarnya.

6. Kesalahan

Kesalahan adalah perbedaan antara hasil pengukuran dengan harga

yang benar.

7. Sentituitas

Sentituitas adalah perbandingan output alat ukur dengan input

8. Threshold

Threshold adalah input terkecil yang dapat dideteksi oleh alat ukur

9. Resolusi

Resolusi adalah perubahan input terkecil yang dapat dideteksi oleh alat

ukur.

Karakter dinamis ialah besarnya perubahan hasil pengukuran yang satu ke

hasil pengukuran yang lain. Karkteristik dinamis antara lain:

1. Responsivenes : Kecepatan tanggap dari suatu alat mengikuti

perubahan-perubahan harga dari besaran yang diukur.

Basic Instrumentation

7

Page 3: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

2. Fidelity : Kejituan dimana menunjukan kelas kecepatan dan

ketepatan suatu alat dalam mengikuti perubahan-perubahan harga

besaran.

2.3 Jenis Besaran Proses

Jenis-jenis besaran proses yang lazim terdapat di industri antara lain:

1. Tekanan

2. Temperatur

3. Aliran (Flow)

4. Permukaan (Level)

5. Analizer

2.3.1 Tekanan

Yang dimaksud dengan tekanan adalah perbandingan antara gaya dengan

luas bidang dimana gaya tersebut bekerja.

P = F/A

= Newton/m2

= Kgf/cm2

Dalam gas dikenal empat macam pembagian tekanan yaitu:

Tekanan Gauge

Tekanan Absolute

Tekanan Vacuum

Tekanan Atmosfir

2.3.2 Temperatur

Temperatur merupakan besaran fisis yang penting dalam sistem

pengukuran di dunia industri. Temperatur suatu benda adalah ukuran relatif panas

atau dinginnya benda. Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang baik harus

mempertimbangkan jenis sensor yang tepat.

Pada umumnya ada tiga jenis kelompok sensor temperatur:

1. Sensor yang langsung menunjukan harga temperatur yang sedang diukur.

Contoh: Termometer Glass berisi zat cair, Termometer Bimetal (Pemuaian

Panjang).

Basic Instrumentation

8

Page 4: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

2. Sensor yang memberikan sinyal, biasanya digunakan jika memerlukan pusat

pengaturan.

Contoh: Thermistor (NTC/PTC), RTD, Thermocouple.

3. Sensor untuk pengukuran jarak jauh.

Contoh: Pyrometer (digunakan untuk fluida yang korosif dan berbahaya).

2.3.3 Laju Alir (Flow)

Pengukuran laju alir memegang peranan penting dalam proses industri,

karena dengan adanya pengukuran tersebut dapat kita ketahui banyaknya bahan

yang diperlukan dalam proses.

2.3.4 Tinggi Permukaan (Level)

Dalam proses industri pada umumunya menggunakan bahan-bahan antara

lain air, larutan kimia dan lain-lain. Bahan-bahan kimia tersebut harus diketahui

volume ataupun berat dan pengukuran tinggi permukaan cairan adalah cara yang

paling tepat untuk digunakan.

Pengukuran tinggi permukaan dapat digolongkan menjadi dua bagian

yaitu:

Pengukuran Langsung yaitu cara pengukuran dimana kita langsung mengukur

besaran yang kita inginkan yaitu level

Pengukuran Tidak Langsung yaitu cara pngukuran dimana kita tidak langsung

mengukur besaran level tapi mengukur besaran lain untuk mendapatkan

besaran yang diinginkan.

2.4 Aplikasi Instrumen

Secara umum penggunaan instrumen dalam industri memiliki fungsi dan

prinsip kerja yang berbeda dengan besaran proses yang akan diukur. Namun pada

kenyataannya banyak instrumen yang memiliki prinsip kerja yang tidak banyak

berbeda.

Adapun besaran proses yang dimaksud yaitu:

1. Tekanan

2. Laju Alir

3. Temperatur

Basic Instrumentation

9

Page 5: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

4. Tinggi Permukaan

5. Analyzer

2.4.1 Pengukuran Tekanan

Alat pengukur tekanan berdasarkan tekanan hidrostatik

1. Manometer Tabung U

Gambar 2.4.1 Manometer tabung

Cocok untuk pengukuran tekanan fluida/gas dengan temperatur tidak disekitar

200 C

Tidak praktis untuk pengukuran

2. Manometer Pipa Miring

Gambar 2.4.1.1 Manometer Pipa Miring

Digunakan untuk mengukur tekanan absolute yang rendah

Sederhana dan murah

Biaya perawatan relatif murah

Dalam operasinya memerlukan pengaturan posisi

Beberapa sensor yang sering digunakan selain manometer yaitu:

a. Elemen Elbow

Biasanya digunakan untuk pengukuran tekanan absolute, tekanan relatif dan

tekanan differential.

Basic Instrumentation

10

Page 6: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

b. Elemen Diagfragma

Diagfragma terbagi dua tipe yaitu:

Diagfragma Metal: Umumnya terbuat dari fosfor, perunggu, berrilium,

tembaga dan stainls steel.

Diagfragma non-metal: Umumnya terbuat dari bahan non-metal, yang

konstruksinya terbuat dilengkapi dengan pegas, kumparan atau elemen elastis

lainnya yang telah dikalibrasi.

2.4.2 Pengukuran Flow

Instrumen yang digunakan untuk mengukur laju alir yaitu:

Orifice

Orifice merupakan instrumen yang digunakan untuk mengukur besarnya

laju alir suatu sistem dengan menggunakan prinsip perbedaan tekanan antara

aliran sebelum melewati orifice dengan aliran sesudah melewati orifice.

Orifice terbagi tiga macam jenis yaitu:

1. Orifice Kosentrik

Kelebihan: - Dapat digunakan pada berbagai ukuran pipa

- Ketelitian tinggi

- Murah

Kelemahan: - Rugi tekanan permanen relatif tinggi

- Tidak dapat digunakan untuk laju aliran yang kotor

- Ketelitian bergantung pada instalasi

Gambar 2.4.2 Orifice Kosentrik

2. Orifice Eksentrik

Kelemahan : Data operasinya terbatas dan kesalahan pengukuran besar.

Kelebihan : Memungkinkan penggunaan elemen ini untuk mengukur

Basic Instrumentation

11

Page 7: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

laju aliran yang mengandung padatan.

Gambar 2.4.2.2 Orifice Eksentrik

3. Orifice Segmental

Karakteristiknya mirip dengan orifice eksentrik.

Gambar 2.4.2.3 Orifice Segmental

Pipa Venturi

Pipa venturi merupakan instrumen yang digunakan untuk mengukur laju

alir suatu sistem yang berdasarkan perbedaan tekanan.

Kelemahan: - Mahal

- Jarang terdapat pipa venturi dengan ukuran pipa kurang

dari 6’

Kelebihan : - Rugi tekanan relatif rendah.

- Dapat digunakan untuk mengukur cairan yang mengandung

endapan.

- Dapat digunakan untuk laju aliran yang tinggi

Gambar 2.4.2.4 Pipa Venturi

Turbin Flowmeter

Prinsip: Menghitung jumlah putaran yang disebabkan oleh aliran cairan

Basic Instrumentation

12

Page 8: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

Ultrasonik Flowmeter

Tipe ini menggunakan gelombang ultrasonik untuk mendeteksi kecepatan

aliran yang mengalir di dalam sebuah pipa.

Magnetik Flowmeter

Prinsip: Menggunakan hukum Faraday “Apabila suatu penghantar bergerak di

dalam medan magnet, maka ujung-ujung penghantar tersebut timbul tegangan

listrik” dan besar tegangan ini sebanding dengan kecepatan penghantar

tersebut.

2.4.3 Pengukuran Temperatur

Sensor yang umumnya digunakan pada industri yaitu: Thermocouple,

RTD dan Pyrometer.

1. Thermocouple

Prinsip yaitu gabungan dari dua kawat yang berlainan dimana salah satu

ujungnya dilas dan pada suhu yang sama akan menghasilkan beda potensial

diantara kedua ujung tersebut.

Spesifikasi thermocouple yang digunakan di PT. AMI :

- Iron/constantan (type J) digunakan pada suhu 0~3000 C

- Chroel (type K) digunakan pada suhu 0~10000 C

2. Resistance Temperature Detectors (RTD)

Prinsip yaitu menggunakan tahanan listrik dari suatu logam yang akan

berubah bila suhu logam tersebut berubah, oleh karena itu dapat digunakan untuk

mengukur suhu

3. Pyrometer

Eritans : Kemampuan objek untuk memancarkan energi radian

Black body : Suatu objek yang tidak merefleksikan radiasi akan tetapi menyerap

panas dan memancarkan kembali sebagia energi radian secara

sempurna.

Biasanya digunakan untuk cairan atau fluida yang berbahaya serta bersuhu tinggi.

Basic Instrumentation

13

Page 9: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

2.4.4 Pengukuran level

Alat yang biasa digunakan untuk mengukur ketinggian suatu permukaan (Level)

cairan, yaitu:

Kaca Tekanan (sight glass)

Alat ukur level ini digunakan dengan cara menghubungkan tabung gelas pada

bagian bawah dan pada bagian atas tangki. Tinggi cairan yang terlihat di dalam

tabung akan memiliki nilai yang sama dengan cairan yang berada di dalam tangki.

Kelemahan pada alat ini adalah: - mudah pecah

- jika cairan tidak berwarna maka pembacaan

level akan sulit.

- mudah tersumbat

Kelebihan pada alat ini adalah : - hasil pengukuran langsung dapat dilihat

Displacer

Alat ukur level ini serupa dengan float (pelampung) hanya saja gerakan

bahan pengukurnya tidak sebebas float. Pada umumnya prinsip yang digunakan

sama dengan float yaitu berubahnya gaya bouyancy terhadap perubahan

tercelupnya zat. Tercelupnya zat ini berhubungan dengan tinggi cairan yang akan

diukur.

Kelebihan pada alat ini adalah : - akurasi tinggi

- mudah dipasang, sederhana

Conductivity Probe

Alat ini terdiri dari dua elektroda yang dipasang di dalam tangki. Ketika

cairan yang diukur mencapai suatu ketinggian tertentu hingga menyentuh kedua

elektroda tersebut, maka aliran listrik akan terjadi diantara dua elektroda. Ketika

keadaan ini tercapai, relay terjadi dan akan memberitahukan bahwa ketinggian

permukaan yang diinginkan telah tercapai. Conductivity probe dihubungkan

dengan motor pompa dalam hal pengoperasiannya.

Alat Pengukur Gelembung

Pengukuran ketinggian dengan menggunakan cara ini dapat dilakukan

dengan cara penghembusan udara ke dalam dasar tangki atau bak yang terbuka

Basic Instrumentation

14

Page 10: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

dengan menggunakan sebuah tabung. Gelembung akan terbentuk apabila tekanan

udara luar memliki nilaiyang sama atau lebih besar dari tekanan di dasar tangki

atau bak. Dengan mengukur tekanan di atas tabung penghembus, maka akan

diketahui besarnya tekanan di dasar tangki, sehingga bisa dihubungkan dengan

tinggi cairan didalam tangki. Pengukuran dengan cara seperti ini sangat cocok

untuk cairan yang korosif, karena hanya sedikit dibutuhkan penggantian pada

tabung penghembus.

2.5 Proses Kontrol

Proses kontrol secara sederhana memiliki arti suatu metode, cara ataupun

usaha untuk membuat parameter-parameter atau variabel proses agar selalu

mengikuti atau berada pada batasan-batasan yang diinginkan. Dalam merancang

sistem kontrol harus memiliki pertimbangan terutama dalam hal ke-ekonomisan

misalnya penggunaan bahan baku, energi, kapital dan penggunaan sumber daya

harus se-ekonomis mungkin agar dapat dirancang kondisi operasi pada tingkat

optimal yaitu biaya operasi yang rendah serta menghasilkan keuntungan yang

maksimal.

2.5.1 Variabel Sistem Kontrol

Variabel sistem kontrol adalah besaran-besaran yang terlibat dalam suatu

proses misalnya: laju alir, tekanan, temperatur, level serta konsentrasi. Pada

umumnya terdapat dua jenis variabel yaitu:

Variabel masukan : Besaran yang mempengaruhi kondisi internal dari proses.

Variabel keluaran : Suatu besaran dimana dapat diperoleh informasi mengenai

keadaan internal dari proses.

2.5.2 Jenis-Jenis Pengontrolan

Didalam industri skala besar ataupun kecil selalu terdapat sistem

pengontrolan yang keberadaannya sangat penting guna menunjang peningkatan

mutu ataupun pelayanan. Sistem pengontrolan terbagi menjadi 3 jenis yaitu:

1. Pengontrolan Manual

Pengontrolan manual adalah pengontrolan yang dilakukan oleh operator

manusia.

Basic Instrumentation

15

Page 11: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

Kelemahan : - Performensinya kurang memuaskan

- Manusia memiliki keterbatasan yang cenderung berbuat

salah seperti: kurang akurat dalam pengukuran, lelah,

lambat dalam bekerja.

Kelebihan : - Menyerap tenaga kerja

2. Pengontrolan Otomatis

Pengontrolan otomatis adalah suatu sistem pengontrolan dimana fungsi

manusia diganti dengan mekanisme dalam bentuk perangkat-perangkat mesin,

elektronik maupun konputer.

Kelemahan : - Mahal

- Menyebabkan banyak pengangguran akibat tenaga

manusia digantikan oleh mesin.

Kelebihan : - Akurat

- Lebih cepat

- Performansi memuaskan (kualitas Tinggi)

- Mengurangi kesalahan

3. Pengontrolan Cascade

Pengontrolan cascade adalah suatu sistem pengontrolan dimana hasil output

satu controller menjadi input bagi controller lain. Dalam pengotrolan cascade

dikenal istilah slave dan master, slave merupakan variabel output proses yang

menjadi input variabel lain sedangkan master berfungsi menerima input dari

variabel lain dan sekaligus memberi input pada final element control.

Gambar 2.5.2.3 Pengontrolan cascade

Basic Instrumentation

16

TI FI

TIC

FIC

Page 12: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

2.6 Jenis Lup Pengontrolan

Suatu sistem pengontrolan proses ada yang sederhana dan ada pula yang

rumit. Suatu sistem yang sederhana terdiri dari satu proses dan satu lup pengatur

proses. Sedangkan untuk proses yang rumit terdiri dari satu proses namun

menggunakan banyak lup pengatur proses. Pada umumnya hanya terdapat tiga lup

pengaturan, yaitu pengaturan lup terbuka, pengaturan lup tertutup (feed back

Control), pengaturan lup tertutup (feed forward control).

2.6.1 Pengaturan Lup Terbuka (Open loop)

Pengaturan lup terbuka ialah suatu sistem pengaturan dimana pengotrol

mengambil keputusan tanpa adanya informasi dari besaran keluaran atau tidak ada

proses koreksi pada proses pengontrolan.

Input Output

FEC

Gambar 2.6.1 Sistem kontrol open lup

2.6.2 Pengaturan Lup Tertutup (Feed Back Control)

Pengaturan lup tertutup feed back, dimana pengontrol melakukan aksi

dalam mengambil keputusan berdasarkan informasi dari besaran keluaran atau

terdapat koreksi pada proses pengontrolan.

Input output

Gambar 2.6.2 Sistem kontrol lup tertutup (Feed Back Control)

Basic Instrumentation

17

Controller

Sistem/proses

controller

Sistem/Proses

Page 13: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

2.6.3 Pengaturan Lup Tertutup (Feed Back forward)

Pengaturan lup tertutup feed forward, dimana pengontrol melakukan aksi

dalam mengambil keputusan berdasarkan input dari proses dan dari besaran

gangguan, dengan kata lain pengontrol tidak mempunyai informasi tentang

kondisi dari besaran keluaran.

Gangguan

Input Output

Gambar 2.6.3 Sistem kontrol lup tertutup (Feed Back forward)

2.7 Konfigurasi Sistem Kontrol

Dalam sistem kontrol ada beberapa elemen penting yang keberadaannya

sangat vital bagi terlaksananya suatu proses kontrol. Dalam sistem kontrol satu

lup ada yang dinamakan primary element dan secondary element, yang termasuk

ke dalam primary element adalah sensor sedangkan yang termasuk kedalam

secondary element adalah transmitter, tranducer, sedangkan yang tak kalah

pentingnya adalah controller dan actuator yang merupakan bagian yang sangat

penting untuk melakukan perbandingan, perhitungan serta eksekusi akhir dari

suatu sistem pengontrolan.

2.7.1 Sensor

Sensor merupakan alat yang berfungsi untuk mengukur nilai variabel

output atau keluaran dari suatu proses yang berupa informasi mengenai status dari

variabel output atau keluaran proses.

Contoh: Thermocouple, element differential pressure, diafragma, bellows,

pelampung.

2.7.2 Transducer

Basic Instrumentation

18

Sistem/proses

Controller

Page 14: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

Transducer merupakan alat yang berfungsi untuk mengubah bentuk energi

ke bentuk lain. Contoh: Panas yang diukur oleh sensor diubah oleh transducer

menjadi sinyal listrik (4~20mA).

2.7.3 Transmitter

Transmitter merupakan alat yang berfungsi mengirimkan sinyal yang

dihasilkan transducer menuju controller.

2.7.4 Controller

Controller merupakan alat yang berfungsi untuk membandingkan nilai

variabel output proses dengan nilai yang diinginkan (set point). Dalam hal ini

controller juga bertindak sebagai pemberi perintah kepada actuator.

2.7.5 Final Element Control/Actuator

Final element control/actuator merupakan alat yang menerima sinyal dari

controller untuk melakukan eksekusi terhadap nilai variabel input proses yang

sesuai dengan sinyal yang dikirimkan oleh controller. Actuator dapat berupa

valve, motor dan damper. Dalam actuator terdapat positioner yang berfungsi

merubah posisi lengan valve pada posisi yang sebenarnya sesuai dengan sinyal

yang dikirimkan oleh controller.

Gambar 2.7.5 lup Pengontrolan

2.7.8 Positioner

Positioner atau valve positioner merupakan peralatan yang dipasang

langsung pada actuator untuk menjamin agar lengan atau stem actuator

menghasilkan posisi lengan valve sesuai dengan sinyal dari pengontrol.

Penggunaan positioner biasanya untuk pengontrolan bukaan valve yang linear.

Tujuan dari penggunaan positioner yaitu:

Basic Instrumentation

19

Sistem/Proses Sensor

ADCDAC

Transmitter

Controller

Actuator

ConverterConverter

Page 15: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

Memperkecil terjadinya gaya gesekan

Menambah kecepatan respon dari control valve

Kondisi-kondisi dimana positioner sering digunakan yaitu:

Jika terdapat jalur transmisi yang panjang

Jika drop tekanan pada pipa cukup tinggi (100 psi)

Jika penggunaan temperatur tinggi

Jika pengunaan fluida yang kotor dan berlumpur

Pada positioner biasanya memiliki tiga pengukur tekanan yaitu:

Sinyal Perintah

Pressure out

Supply Pressure

Dalam melakukan gerakan positioner memiliki dua arah gerakan, yaitu:

Tekanan yang menggerakan lengan valve ke luar

Tekanan yang menggerakan lengan valve ke dalam

2.8 Control Valve

Di industri ada banyak besaran yang harus dikontrol yaitu: temperatur,

flow, tekanan dan level. Besaran tersebut harus dikontrol dan diukur dengan

menggunakan instrumen serta dibandingkan dengan nilai yang diinginkan. Secara

manual atau otomatis semua besaran tersebut dapat dikendaliakn oleh kontroler.

Secara fisik kontrol valve dapat mengurangi laju alir dan tekanan dengan kata lain

tidak ada kontrol valve tanpa adanya penurunan tekanan.

2.8.1 Jenis Jenis Control Valve

Globe Vlve

Keuntungan : - harga relatif murah

- kondisi kerja stabil

- anti kavitasi

- desainnya simpel

- sebagian besar material dapat digunakan

Kerugian : - untuk penurunan tekanan yang besar dibutuhkan aktuator yang

berat

Basic Instrumentation

20

Page 16: Dasar Instrument

Dasar-dasar Instrument

- membutuhkan rumah valve yang besar

Gate Valve

Secara umum gate valve digunakan untuk on-off sistem

Keuntungan : - biayanya lebih rendah dibandingkan dengan globe valve dengan

ukuran yang sama besar.

- dapat digunakan untuk fluida yang pekat

Kerugian : - aktuatornya mahal

- dapat terjadi kavitasi

Butterfly valve

Secara umum butterfly valve digunakan untuk flow yang tinggi dengan hilang

tekanan yang kecil dan sebaiknya tidak digunakan untuk hilang tekanan yang

tinggi serta kemungkunan terjadinya kavitasi yang cukup besar.

Ball Valve

Karateristik ball valve hampir sama dengan butterfly valve

Basic Instrumentation

21