KALIBRASI INSTRUMEN UKUR

(KARAKTERISTIK DINAMIS)

1. Tujuan Praktikum Menentukan konstanta waktu instrument ukur; Menentukan waktu tanggap instrument ukur; dan Menentukan waktu naik instrument ukur.

2. Landasan TeoriKarakteristik dinamik menunjukkan performa instrument ukur ketika mengukur variable

yang berubah cepat. Kebanyakan sensor tidak dapat mengikuti perubahan cepat, namun memerlukan waktu beberapa saat sebelum mencapai tanggapan penuh. Waktu yang diperlukan terbgantung pada resistansi, kapasitansi, massa atau inersia, dan waktu mati instrument. Karakteristik dinamik dapat dinyatakan dengan taggapan undak (step response), tanggapan miring (ramp response), dan tanggapan frekuensi dari instrument ukur.

2.1 Tanggapan Undak (Step Respons)Tanggapan undak instrument ukur dalam mengukur varibel biasa digunakan untuk

menentukan karakteristik dinamik. Perubahan mendadak (undak) terjadi ketika variable terukur secara tiba-tiba berubah dari kondisi nilai tunak pertama (first steady state) ke kondisi nilai tunak kedua (second steady state). Sebagai contoh, perubahan mendadak sebesar 100°C dapat dilakukan dengan memindahkan sensor suhu dari es mencair ke dalam air mendidih.

Tanggapan undak sebuah instrument dapat digolongkan ke dalam: sangat teredam (overdamped), redaman kritik (crucially damped), atau osilasi teredam (underdamped). Tanggapan sangat teredam atau redaman kritik dinyatakan dalam waktu tanggap (response time) dan waktu naik (rise time), persentasi over-shoot, dan waktu mantap (settling time).

Dengan menganggap instrument ukur sebagai system orde-1, maka nilai pengukuran menikuti persamaan berikut.

(a) Perubahan naik

y = (yf – yo) (1 - ) + yo

(b) Perubahan turun

y = (y0 – yf) + y0

dengan :

y = nilai awal yang ditunjukkan instrument

y0 = nilai awal yang ditunjukkan instrument

τ = konstanta waktu

yf = nilai akhir yang ditunjukkan instrumen

Ket: nilai yang ditunjukkan instrument tidak selalu sama dengan nilai yang diukur

Konstanta waktu (time constant) adalah waktu yang diperlukan keluaran untuk mencapai 63.2 % dari nilai perubahan keseluruhan. Pada saat t = τ, maka pada

(a) Perubahan naik

y = 0.632 (yf – yo) + yo

(b) Perubahan turun

y = 0.368 (y0 – yf) + y0

Waktu tanggap (response time) adalah waktu yang diperlukan keluaran untuk mencapai presentase tertentu (95%) dari nilai perubahan keseluruhan

tr = 3τ

Waktu naik (rise time) adalah waktu yang diperlukan untuk berubah dari presentase tertentu (10%) ke persentase yang lebih besar (90%)

Waktu naik (10 – 90 %) = 2.197 τ

2.2 Ketidakpastian Pengukuran

Nilai ketidakpastian pengukuran menentukan seberapa besar penyimpangan nilai dari nilai rata – ratanya. Penentuan nilai ketidakpastian dilakukan dengan langkah berikut.

(1) Menghitung deviasi standar untuk seluruh pengukuran (sy).

sy =

dengan,

= nilai pengukuran ke-i

= rata – rata nilai pengukuran

N = jumlah data

(2) Menentukan nilai (t) dari table distribusi-t (lihat lampiran)(3) Nilai ketidakpastian adalah

Atau dalam persen skala penuh (FS, full scale)

(4) Maka nilai terukur adalah,

5. Alat, Bahan, dan Diagram Alir (Flow Sheet)

Termometer termokopel 1 buah Termometer digital dengan Sensor PT-100 1 buah Waterbath 1 buah Termos 1 buah

FLOW SHEET

Persiapan

Perubahan Naik

Isi waterbath

Panaskan air dalam waterbath sampai 800

Ukur suhu tunak air dalam gelas kimia

Ukur suhu air dalam gelas kimia dan waterbath

Ulangi langkah 1 dan 2 sebanyak 5 kali

Pindahkan ke dalam air panas dalam waterbath, tekan tombol stopwatch

setelah suhu termometer tepat mencapai 63% dari nilai perubahan

maksimum

Ganti termometer dengan sensor PT -100Celupkan sensor PT-100 ke dalam gelas

kimia yang berisi air dingin dan tunggu sampai mencapai keadaan tunak. Ukur nilai

hambatan sensor PT-100 dengan multimeter pada posisi 200 ohm

Perubahan Turun

6. CARA PENGOLAHAN DATA

Caranya sama seperti pengukuran naik, tetapi dimulai dari suhu

panas ke suhu dingin

Pindahkan ke dalam air panas dalam waterbath, tekan tombol stopwatch

setelah suhu termometer tepat mencapai 63% dari nilai perubahan

maksimum

Ulangi langkah 1 dan 2 sebanyak 5 kali

5.1 DATA PENGAMATAN DAN CARA PERHITUNGAN

Pengukuran oleh termokopel

Pengukuran Naik

Percobaan Ke1 2 3 4 5

Suhu Air dingin (Td), oC 18 19 19 19 19Suhu Air Panas (Tp), oC 82 82 81 81 79Suhu Akhir = (0.63(Tp-Td)+Td 58.3 58.7 58.0 58.0 56.8

= 57.96

Pengukuran Turun

Percobaan Ke1 2 3 4 5

Suhu Air dingin (Td), oC 18 19 19 19 19Suhu Air Panas (Tp), oC 80 81 82 81 80Suhu Akhir = (0.37(Tp-Td)+Td 40.9 41.9 42.3 41.9 41.6

= 41.72

Pengukuran oleh sensor PT-100

Pengukuran naik

Percobaan Ke1 2 3 4 5

Suhu Air dingin (Td), oC 25.5 25.5 25 25 26.5Suhu Air Panas (Tp), oC 85 88 88 87.5 84Suhu Akhir = (0.63(Tp-Td)+Td 62.8 64.3 64.7 64.4 56.8

= 62.6

Pengukuran turun

Percobaan Ke1 2 3 4 5

Suhu Air dingin (Td), oC 25.5 25.5 25 25 25.5Suhu Air Panas (Tp), oC 88 81.9 87 81.5 83Suhu Akhir = (0.63(Tp-Td)+Td 48.3 46.3 47.9 45.9 46.7

= 47.02

Deviasi standar dari lima nilai pengukuran

Sy =

y1 = nilai pengukuran ke-i

= rata-rata nilai pengukuran

N = jumlah data.

a) Deviasi standar untuk pengukuran suhu naik

Sy naik =

suhu naik = 57.96

b) Deviasi standar untuk pengukuran suhu turun

Sy =

suhu turun = 41.77

c) Deviasi standar untuk pengukuran sensor PX-11 naik

Sy sensor naik =

sensor naik = 62.6

d) Deviasi standar untuk pengukuran sensor PX-11 turun

Sy sensor turun =

sensor turun = 47.02

Nilai Ketidakpastian Pengukuran

[Nilai t berdasarkan table distribusi-t untuk jumlah data (n = 5) = 2.776 ]

Nilai dalam besaran fisik Dalam persen skala penuh

Nilai Konstanta Waktu (

Pengukuran Naik

NO Konstanta Waktu ( )

Termokopel (detik) Sensor PT-100 (detik)1 3,54 11,882 2,47 9,93 2,84 10,964 2,77 15,125 2,91 10,84

Pengukuran Turun

NOKonstanta Waktu ( )

Termokopel (detik) Sensor PT-100 (detik)1 3.32 10,382 2.13 9,573 1.92 10,964 2.75 10,635 2.52 11,19

BESARANINSTRUMEN UKUR

Termokopel PT-100Konstanta Waktu (detik) 2,906 11,74KetidakpastianSatuan Teknik (detik) 0,87 (naik) ; 0.64 (turun) 4.11 (naik) ; 1.27 (turun)Persen skala penuh (%) 1,4% (naik) ; 1 % (turun) 11,0% (naik) ; 5.8 % (turun)

Waktu Tanggap dan Waktu Naik

BESARANINSTRUMEN UKURTermokopel PT-100

Waktu Tanggap (detik) 8,718 35,22Waktu naik (detik) 6,38 25,79

7. Pembahasan

Waktu pengukuran adalah salah satu faktor yang menentukan ketelitian. Bila

pengukuran dilakukan terlalu cepat, maka nilai yang diperoleh belum menunjukkan nilai

sebenarnya. Begitupun sebaliknya, bila pengukuran terlalu lama meskipun akan diperoleh

nilai sebenarnya, akan terjadi pemborosan waktu yang tidak perlu. Oleh karena itu harus

diketahui berapa lama pengukuran dilakukan agar dihasilkan nilai dalam batas toleransi yang

diterima.  Besaran yang menentukan lama pengukuran disebut dengan konstanta waktu.

Selain konstanta waktu, terdapat besaran lain yang dapat menunjukkan secara nyata waktu

pengukuran yang diperlukan, diantaranya waktu tanggap dan waktu naik. Dengan mengetahui

waktu tanggap  dan waktu naik, dapat diketahui seberapa cepat pengukuran dapat dilakukan.

Konstanta waktu, waktu tanggap (response time),dan waktu naik (rise time) pada

temperatur air dingin (18-25oC) dengan air panas (78-88oC) yang diukur dengan

menggunakan termometer termokopel dan termometer digital secara pengukuran naik dan

pengukuran turun, mempunyai nilai yang berbeda. Ini terbukti dari hasil pengukuran yang

didapatkan dan dapat dipastikan bahwa perbedaan yang terjadi adalah akibat dari perbedaan

ketelitian dari kedua instrument ukur tersebut.

Dalam percobaan ini penampilan instrument ukur ketika  instrument ukur mengukur

variabel dengan perubahan yang sangat cepat. Media pengujian instrumen ukur adalah

dengan mengunakan air dingin dan air panas. Sedangkan pada umumnya instrument tidak

bisa mengikuti perubahan yang cepat, karena instrument ukur memerlukan waktu untuk

berubah atau memberikan keterangan tentang ukuran yang diinginkan. Hal ini disebabkan

karena instrument ukur tersebut mengalami tahapan yang disebut tanggapan undak (step

response) atau mengalami perubahan yang sangat cepat sekali dari variable ukur pertama ke

variable ukur kedua yang dialami ketika termometer dengan suhu air dingin (18-25oC) dan

suhu diatas 80 oC ketika ada dalam air panas. Selain itu, tingkat sensitifitas dari tiap

termometer berbeda, sehingga hasilnya juga berbeda. Ketika dalam melakukan percobaan,

seperti dalam memegang termometer serta dalam pembacaan angka juga berpengaruh

terhadap nilai.

Dari data konstanta waktu yang ada pada data pengamatan di atas terdapat perbedaan

konstanta waktu pada saat pengukuran naik dan pengukuran turun dari thermokopel.

Seharusnya secara teoritis, nilai konstanta waktu pada pengukuran naik dan pengukuran turun

adalah sama. Sehingga dari data tersebut dapat dilihat bahwa termometer digital lebih cepat

menanggapi kenaikan temperatur daripada penurunan temperatur yang disebabkan

karakteristik bahan termometer yang mudah menyerap panas.

Faktor yang mempengaruhi ketidakpastian pengukuran diantaranya penentuan waktu

memberhentikan stopwatch dalam menghentikan pengkuran naik ataupun turun. Kurang

telitinya dalam mengamati perubahan suhu sehingga dalam menentukan waktu juga kurang

tepat. Human error, serta kesalahan paralak operator dalam mengoperasikan alat ketika

pembacaan itu dilakukan. Dalam pembacaan suhu terukur oleh alat yang diambil saat suhu

belum menunjukkan nilai yang konstan, kesalahan paralaks, random error, maupun

pengukuran suhu dalam kondisi yang tidak stabil

Dalam hal ini perlu di lakukan usaha untuk memperkecil ketidakpastian sehingga

didapatkan hasil yang lebih akurat, yaitu dengan cara melakukan pengukuran berulang-ulang

dan melakukan hitung perataan terhadap hasil pengukuran dan kesalahan pengukuran.

8. Simpulan

Hasil Pengukuran dan Ketidakpastian

Termokopel Sensor PT-100Naik Ketidakpastian Turun Ketidakpastian Naik Ketidakpastian Turun Ketidakpastian58.3

0.87

40.9

0.64

62.8

4.11

48.3

1.2758.7 41.9 64.3 46.3

58 42.3 64.7 47.958 41.9 64.4 45.9

56.8 41.6 56.8 46.7

1. Ketergantungan hasil pengukuran terhadap instrument ukur disebabkan oleh beberapa hal:

tingkat sensitifitas dari tiap termometer berbeda

Karakteristik bahan yang berbeda dari berbagai thermometer. Ada yang lebih cepat

menyerap panas atau lebih lambat.

Perlakuan pada thermometer juga mempengaruhi hasil (contohnya cara memegang)

Alat ukur memiliki nilai step response yang berbeda-beda

2. Faktor yang mempengaruhi ketidakpastian pengukuran diantaranya :

Penentuan waktu memberhentikan stopwatch dalam menghentikan pengkuran naik

ataupun turun.

Kurang telitinya dalam mengamati perubahan suhu sehingga dalam menentukan

waktu juga kurang tepat

Human error

Kesalahan paralak operator dalam mengoperasikan alat ketika pembacaan itu

dilakukan.

Dalam pembacaan suhu terukur oleh alat yang diambil saat suhu belum menunjukkan

nilai yang konstan

Pengukuran suhu dalam kondisi yang tidak stabil

4. Saran dari kami agar hasil percobaan dapat lebih baik lagi yaitu dengan dilakukan usaha

untuk memperkecil ketidakpastian sehingga didapatkan hasil yang lebih akurat, yaitu dengan

cara melakukan pengukuran berulang-ulang dan melakukan hitung perataan terhadap hasil

pengukuran dan kesalahan pengukuran.

DAFTAR PUSTAKA

Anderson, N. A. (1980). Instrumentation for Process Measurement and Control. Chilton Co., Radnor, Pennsylvania.

Bateson, R.N. (1993). Introduction to Control System Technology. Maxwell Macmillan International, Singapore.

Dally, J. W., et. al. (1993). Instrumentation for Engineering Measurements. Edisi-2, John Wiley & Sons, Inc., Singapore

Doebelin, E. O. (1990). Measurement Systems. McGraw-Hill Int. Ed., Singapore