Modul Instrumentasi.docx

BAB I PENGERTIAN DAN KARAKTERISTIK INSTRUMEN

1.1.Pengertian Instrument dan Sistem Instrument Instrument adalah alat-alat atau perkakas sedangkan, Instrumentation adalah suatu sistem peralatan yang digunakan dalam suatu sistem aplikasi proses. Contoh : Sistem instrumentasi pesawat terbang; sistem instrumentasi pada mesin deying; sistem instrumentasi pada mesin otomotif dan lain-lain. Dari segi fisik bentuk instrument dapat dikategorikan menjadi : Instrument Mekanik Instrument Phanematik dan hidrolik Instrument Elektrik atau elektronik. Dalam sistem instrumentasi Konsep

dasar

dari

Industri terdiri dari elemen pengukur dan kontrol.

sistem

instrumentasi

didasari

oleh

ilmu

fisika.

Pemahaman Aplikasi instrument : •

Konsep Energi dan sistem gaya

•

Panas dan perpindahan panas

•

Sistem satuan dan standar pengukuran.

Instrumen sebuah alat untuk menentukan nilai atau besaran suatu kuantitas atau variabel. 1.2. Parameter-parameter yang harus dimiliki suatu instrumen : 1. Ketelitian ( Accuracy) 2. Ketepatan (Precision) 3. Sensitivitas 4. Resolusi 5. Linieritas 6. Range 7. Span 8. Reproduksibilitas 9. Hysterisis. 10. Error.

1

Keterangan sebagai berikut : 1. Ketelitian (Accuracy) adalah harga terdekat suatu pembacaan instrumen, mendekati harga yang sebenarnya dari variable yang diukur. Biasanya dalam % untuk skala penuh . Misalnya pengukuran tekanan 100 K Pa; yang mempunyai ketelitian 1%; artinya +/- 1 K Pa. 2. Ketepatan (precision) adalah suatu ukuran kemampuan instrumen untuk mendapatkan hasil pengukuran yang serupa, bila pengukuran dilakukan beberapa kali. 3. Sensitivitas, adalah perbandingan antara sinyal keluaran atau respon instrumen terhadap perubahan masukan atau variable yang diukur. 4. Resolusi, perubahan terkecil dalam nilai yang diukur kepada mana instrumen akan memberikan respon (tanggapan). 5. Range, menyatakan suatu daerah ukur yang dapat dilalukan oleh suatu instrumen, missal; termometer mempunyai range 300 – 400 C. 6. Span, menyatakan lebar daerah pengukuran, untuk contoh diatas mempunyai span 100 C. 7. Linieritas, menyatakan besarnya penyimpangan maksimum yang dapat terjadi pada suatu instrumen terhadap sifat liniernya dan biasanya dinyatakan dalam % terhadap skala penuh. 8. Reproduksibilitas, menyatakan kemampuan suatu instrumen untuk menghasilkan pengukuran yang sama pada keadaan masukan yang sama ,bila masukan diubah pada arah yang sama. Dinyatakan dlm % terhadapa skala penuh. 9. Histerisis, menyatakan kemampuan suatu instrumen untuk menghasilkan pengukuran yang sama bila input diubah pada arah yang berlawanan. Biasanya histerisis dinyatakan dlm % dalam skala penuh. 10. Kesalahan (error): penyimpangan variable yang diukur dari harga (nilai) sebenarnya.

1.3. Karakteristik Instrumen: 2. Karakteristik static: ialah sifat yang berhubungan masukan dan keluaran untuk masukan (beban) yang tidak berubah menurut waktu dan sudah mencapai kondisi yang mantap. a) Range (daerah ukur) b) Span (jarak ukur, lebar ukur) c) Sensitivitas 2

d) Ketelitian e) Ketepatan f) Linieritas g) Pepeatabilitas (reprodusibilitas) h) Hysteresis Range : menyatakan suatu daerah ukur yang dapat dilakukan oleh suatu instrument contoh: suatu thermometer untuk temperature badan manusia mempunyai range 30 ÷ 400c, berarti thermometer tersebut hanya dapat digunakan untuk mengukur temperature 300 C s/d 400 C. Span

: menyatakan lebar daerah pengukuran untuk contoh diatas mempunyai span 100c. Kadang-kadang suatu instrument mempunyai span tetap. Tetapi range yang dapat berubah-ubah.

Linieritas : menyatakan besarnya penyimpangan meskipun yang dapat terjadi pada suatu instrument terhadap sifat liniernya, dan biasanya dinyatakan dalam persentase terhadap skala penuh. Suatu instrument dikatakan linier bila antara masukan dan keluaran menunjukan hubungan yang linier. Linear Output Penyimpangan

Input

Gbr 1.1 Linieritas; Hubungan input dan output. Repetabilitas (Reproduksibilitas) Menyatakan kemampuan suatu instrument untuk menghasilkan pengukuran yang sama pada keadaan masukan yang sama, bila masukan diubah pada arah yang sama. Dinyatakan dalam % terhadap skala penuh.

Output

Input

Gbr. 1.2. Repetabilitas

3

c). Instrumen orde dua: pada instrument ini selain terjadi keterlambatan dapat juga terjadi getaran (osilasi) bila diberikan input step bila osilasi terjadi terus menerus dengan amplitude yang konstan. Maka instrument berada pada keadaan tidak terendam (under damped) out. out

Undamped

T Output Harga ukur Harga mula

Underdamped

Gbr.1.3. Undamped dan Underdamped

Selain periode dan frekuensi di berikan pada karakteristik dinamik: Waktu naik (up time) : waktu yang dibutuhkan instrument untuk penunjukan pertama dari 10 % ke 40 % dari harga akhir. Waktu settling: waktu yang dibutuhkan instrument sampai terjadi ketahanan perubahan tidak lebih dari 5% dari 1% akhir Waktu maksimum: Tmax ialah waktu yang dibutuhkan instrument untuk pertama kali mencapai harga amplitude terbesar. Histerisis: menyatukan kemampuan suatu instrumen untuk menghasilkan pengukuran yang sama bila input diubah pada arah yang berlawanan. Biasanya histerisis dinyatakan dalam % terhadap skala penuh.

Output

Masukan bertambah besar

masukan bertambah kecil Input

Gbr. 1.4. Histerisis

4

2. Karakteristik dinamik: Tidak memperhatikan soal waktu, tetapi memperhatikan hubungan antara input dan output instrument tersebut. Berdasarkan karakteristik dinamikanya: Dibagi menjadi beberapa jenis: a) Instrumen Orde Nol b) Instrument Orde Satu c) Instrument Orde Dua. Ad: a) Pada instrument jenis ini tidak terjadi kelambatan output terhadap input. Bila input berubah output langsung berubah. b) Pada instrument ini terjadi kelambatan output bila diberikan suatu input step seperti di kerjakan output 100% 63,2

t Konstanta waktu t didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan oleh instrument untuk menentukan perubahan output sebesar 63,2 % dari harga perubahan akhir. Karakteristik Dynamis Karakteristik Dynamis suatu alat ukur adalah fungsi waktu. Hubungan masukkan keluaran dinyatakan dalam bentuk persamaan diferensial karakteristik utama adalah kecepatan dalam tanggapan kecermatan kecepatan tanggapan (respon adalah kecepatan alat ukur dalam memberi tanggapan terhadap perubahan kuantitas yang diukur). Kecermatan adalah tingkat yang memberi gambar apakah alat ukur tanpa kesalahan dinamis adalah perbedaan antara kuantitas nilai sebenarnya yang berubah menurut waktu terhadap nilai yang ditunjukkan alat ukur jika diasumsikan tidak ada kesalahan statis. Model matematis yang berkaitan dengan masukkan dan keluaran pada karakteristik dinamis adalah sebagai berikut. an

d ne o a dt n n1 dm

d n1 e o deo ...a1 ao eo n1 dt dt d m1

dei = bm dt 1

5

m

ei b

m1

dt

m1

ei ...b

dt

bo ei

6

Dimana eo = Keluaran ei = Masukkan a dan b adalah tetapan-tetapan yang berkaitan dengan kombinasi parameter-parameter fisik sistem. Persamaan matematis diatas dapat diselesaikan menggunakan operator D atau transformasi Laplace. Marilah kita definisikan operator diferensial sebagai berikut. D

d dt

Persamaan umum menjadi : n1

(an D n an1 D = (bmD

m

b

m1

...a1 D ao )eo

D m1 ...b D1 b )e o

i

Dengan mengunakan metoda operator D penyelesaian eo secara lengkap diperoleh dua bagian. eo eOCF eopi eOCF  bagian penyelesaian fungsi pelengkap eopi bagian penyelesaian integral tertentu Penyelesaian eOCF mempunyai n tetapan sembarang, e opi tidak memiliki tetapan, tetapan sembarang ini dapat dievaluasi secara numerik dengan menentukan kondisi awal pada persamaan umum. Penyelesaian eOEF diperoleh dengan menghitung n akar persamaan aljabar karakteristik. ao Dn n a n1 D

n1

...a1 D ao 0

Bila akar r1,r2,r3….Rn telah diperoleh maka penyelesaian pelengkap dapat ditulis sesuai aturan jawaban persamaan diferensial . Bagian penyelesaian integral tertentu dapat dikerjakan menggunakan metoda kooefisien tak ditetapkan sehingga diperoleh penyelesaiannya. eopi Af (t) Bf '(t) Cf "(t) ......

ei

eo K

7

Gambar 2.1 Hubungan Input-Output

8

m1 eo bmD mbm1 D ...b 1 D bo (D) K n1 n ei an D a n1 D ...a1 D ao

Pernyataan diatas menunjukkan perbandingan keluaran dan masukkan dinyatakan dengan fungsi transfer. Fungsi transfer sangat berguna dalam menggambarkan karakteristik dinamis sistem dengan symbol yaitu menggunakan diagram blok misalkan suatu sistem terdiri dari 4 subsatuan yang mempunyai transfer K1,K2,K3, dan K4. seluruh fungsi transfer dari sistem adalah : eo K K K K K ei 1 2 3 4 5

ei K1

K2

K3

K4

eo eo K 5 ei Gambar 2.2 Fungsi Transfer Keseluruhan

eo ei K 5 Fungsi transfer menggunakan transformasi laplace. o

ei

S m1 ...b S b

b Sm b

e (s)

m

m1

an S n a

n1

1

o

S n1 ...a S i a

o

fungsi transfer menggunakan sinusioda dengan frekuensi anguler () menggunakan e j e b ( j) m b ( j) m1 ...b ( j) b o

ei

m

m1

an ( j) n a

n1

i

( j) n1 ...a ( j) ia

o o

Instrumen Orde Nol Semua instrument yang menghasilkan konstanta a dan b sama dengan nol kecuali ao dan bo sehingga persamaan umum karakteristik sebagai berikut: eo bo ei ao 9

ao eo bo ei bo e ao i

eo

dimana K

bo kepekaan statis ao

eo Kei alat ukur (instrumen urutan nol orde nol jika masukan berubah terhadap waktu maka keluaran mengikuti secara sempurna tanpa penyimpangan atau kesenjangan waktu. Instrumen orde nol memperlihatkan penampilan dinamis yang ideal.

E

E

e

R1

e

R

R2

Resistansi R1

Gambar 2.3 Potensio meter menggambarkan sistem orde nol Persamaan potensio meter diatas mempunyai hubungan output – input sebagai berikut e Ro E Ri e

Ro

E R1

e KE

Instrumen orde pertama Model matematik dari model pertama ai

deo  ao eo bo ei dt

persamaan diatas dapat disederhanakan manjadi 10

ai deo . e

bo o

ao dt

e

i

ao

misal ai T ao

= Tetapan waktu

bo K ao

= Tetapan statis

menggunakan operator D

(TDeo eo ) Kei (TD 1)eo Kei

eo ei

K Td 1

Tanggapan tangga (Step Response) untuk sistem orde pertama

e1 E

t

t=0

Gambar 2.4 Fungsi tangga

e1 = 0 untuk t = 0 e2 = E untuk t 0 Untuk transformasi Laplace E1 (s) T

E S

deo eo Ke1 dt 11

T sEo(s) + Eo(s) = K

E(s) s

E(s) s

(T s + 1)Eo(s) = K Eo (s) =

K .E(s) s(Ts 1)

Eo(s) =

K

KT  E(s)

s Ts 1   1  1  KE(s) = s

s

1 T

Transormasi inverse Laplace menghasilkan eo ... ( 1 – e -t / T ) Kei dapat digambarkan proses sistem orde pertama terhadap masukkan fungsi step adalah sebagai berikut: Xo

Amplitudo

Step Input

Outpu

ke1 0,632

Kx t

Gambar 2.5 Response Sistem orde pertama jika diberi masukkan step

Respon sistem orde terhadap masukkan Ramp Masukkan ramp mempunyai persamaan : ei mt → Ei (s) L mt Ei (s)

m s2 12

sehingga persamaan matematik siatem dengan input ramp menjadi : K m . 2 (Ts 1) s

E(s)

 1 = Km 2  s

T

 T   1 s s

T



eo (t) = Km (t – T + T e -t/T) untuk t 0 Error ( kesalahan ) dynamic antara input dan output adalah : (t) = kmt – xo (t) = Kmt – Km (t – T +T e-t/T ) =Km (1 – e-t/T ) Untuk t = maka error yang terjadi adalah ss

= KmT

sehingga dapat digambarkan sebagai berikut e Ramp Input mt

outputt Steady

Amplitudo ss

= KmT

t

Gambar 2. 6

13

Respons sistem orde pertama jika diberi masukkan ramp Sistem orde dua memenuhi persaman matematis sebagai berikut : a2

d 2e o deo ao eo bo e1 2 a1 dt dt

dengan menggunakan transformasi laplace akan diperoleh : a2 s 2e o (s) a se a e o(s)o b e (s) 1 (s) o o i 2 (a2 s a1s ao )eo (s) bo ei (s)

semua dibagi dengan ao (

a2 2 a1 b s s 1)e (s)o o e (s) ao ao ao

i

Jika dimisalkan 1. 2.

bo K ao n

a a



a2 a

 21

o

n

o

2

a1

3. 

2 ao a 2

Dari persamaan 2 dan 3 didapat a1  2 ao

n

Sehingga s2

(

2

2n s 1)eo (s) Kei (s)

n

eo 1  2 s 2 Kei (s) s1



2 n



n

14

eo

K

(s) 

ei

2

2

s



s1



2 n

n

Contoh Sistem orde 2 pada sistem yang mengandung pegas, gesekkan dan percepatan m

d 2 x dx kx f (t) b dt 2 dt

masukkan berupa fungsi step untuk sistem orde 2 :

Es

t

Gambar 2.7 ei (t) 0

Untuk t 0

ei (t) Es

Untuk t 0

L ei (t) =

Es

s

Dengan memasukkan ke fungsi transfer sistem orde 2 dengan masukkan step didapat : eo (s) E K s s

s

1 2

2 2

n

s1

n

2

eo (s)  KE s s(s 2 2n s

n n

ada tiga kemungkinan response dari sistem orde 2 untuk masukkan berupa step input tergantung dari harga antara lain :

a. Untuk

1 (Overdamped) 15

Dengan menggunakan transformasi balik (inverse transformasi laplace) akan didapat eo (t) KEs

2

1

exp( 

2

1) t n

2 1

2

1

exp( 

2

1) t 1 n

2 1

b. Untuk = 1 ( critically damped) Persamaan menjadi 2

eo (s)  KE s s(s 2 2n s

n n

2 n

s(s n ) A s

2

B (s n )

2

c (s n )

sehingga 2 n

A(s 

untuk s =

n

) 2 B.s Cs(s )

n

Didapat B = n

n

diferensiasi dari * 0 = 2 A (s +n) + B + C ((s + n)+ s))………..(**) Untuk

s = -n 0 = B + C (-n) 0 = -n – C -n C = -1

Diferensiasi dari ** 0 = 2 A + C(2) A = -C = 1 16

Sehingga persamaan menjadi eo (s) 1 (n ) KE s s (s n )

1 2

(s n )

dan eo (t) 1 te nt ne nt KE s eo (t) 1 (1 t) exp(n t) KE s

n

sedang kemungkinan ke tiga adalah 1 (under damped) didapat hasil eo

(t) 1

exp(nt )

KE s

1

sin((

1 nt) )

2

dimana inv

sin 1

2

Respon dari sistem orde 2 terhadap masukkan step dapat digambarkan sebagai berikut :

1,5

STEP INPUT

eo KEs

= 0,1

= 0,7

1,0 = 1,0 = 1,5 = 3,0

0,5 1

2

3

Gambar 2.8

17

4

5

xt

Sistem orde 2 dengan input rampt : Input rampt ei (t) = mt Ei(s) =

m s2

Solusi dari persamaan orde input rampt a.

1

e

2

2

o

)

(t) (Kmt

KEi



2

exp( t)(cosh t

n

n

2

2

n

22 1

1 2

n

2

sinh t 2

1

1)

n

b. =1 

eo

)

(t)  (Kmt KE i

c.

n

exp(nt)(1 

n

t

 2

n

1 

e o

KEi

(t) (Kmt

2 ) n

exp( t) n

1

n

2

sin(nt

1



dimana 2 invtg 

1

2

22 1 Respons dari sistem orde 2 untuk masukkan berbentuk rampt dapat digambarkan sebagai

3

= 0,4

Gambar 3.3 2

0,6 0,8

eo KEi

1

1,0 1,5

18

1

2

3

19

4

5

nt

1.4. Metoda Pengukuran dan Kesalahan Pengukuran 1. Direct Methods 2. Indirect Methods Pada sistem Insatrumentasi Industri banyak dilakukan pengukuran : •

Pengukuran Tekanan (pressure)

•

Pengukuran Aliran (Flow)

•

Pengukuran Permukaan ( Level)

•

Pengukuran Temperatur

•

Pengukuran Kelembaban ( Humadity)

•

Pengukuran Kekentalan ( viscosity)

•

Pengukuran Keasaman ( pH)

•

Pengukuran Radiasi

•

Pengukuran Pencemaran udara

•

Pengukuran Gaya, Momen puntir, dan Regangan

•

Pengukuran Getaran dan Gerakan

•

Pengukuran panjang, sudut, dan pergeseran sudut. Dll.

Jenis-Jenis Kesalahan dalam pengukuran: 1. Kesalahan Umum (Gross Error) ( Penyebab Manusia) - Pemakaian instrumen tidak sesuai - Pembacaan Alat Ukur - Penyetelan yang tidak tepat - Kesalahan Penaksiran 2. Kesalahan Sistematis ( Systematics Error) - Kekurangan pada instrumen itu sendiri - Kerusakan instrumen - Bagian-bagian yang aus atau korosip. - Pengaruh lingkungan terhadap instrumen - Kesalahan kalibrasi. 3. Kesalahan-kesalahan yang tidak disengaja - Disebabkan oleh penyebab yang tidak langsung diketahui sebab perubahan-perubahan - Parameter/sistem pengukuran secara acak.

20

Input: dapat berupa sensor, microswitch, dll. Elemen Pengendali terakhir : dapat berupa rangkaian komporator, summing, dll. Proses : yang berfungsi mengolah informasi dapat berupa rangkaian analog, digital, miklroprosesor, dll. Elemen pengukur dan transmitter, pada bagian ini informasi yang diterima akan dibaca dan dilanjutkan kebagian penditeksi kesalahan dan pengontrolan. Penditeksi kesalahan dan pengontrol, pada bagian ini terjadi feedback dimana akan dilakukan penyempurnaan, pencarian kesalahan pengukuran, antara lain : set point, control point, error, dan manipulated variable ( bila diperlukan). -Set point : adalah referensi atau input yang diberikan dan yang merupakan harga yang diinginkan untuk dihasilkan oleh proses. -Control Variable: adalah harga output proses yang dihasilkan. -Error : yaitu selisih antara set point dan pengukuran -Manipulated Variable : merupakan output dari kontroler dan ini adalah fungsi dari error. -Sinyal pengukur : yang merupakan harga controlled variable sehingga dapat dibandingkan dengan set pointnya, sinyal ini kadang-kadang juga disebut control point.

21

Transmitter digunakan untuk mengubah suatu besaran fisis yang merupakan hasil pengukuran menjadi suatu besaran fisis lain yang berupa sinyal yang dapat di transmisikan. Dikenal beberapa transmitter : a. Pneumatic to Electronic transmitter ( P/E) b. Electronic to pneumatic transmitter ( E/P) c. Differential pressure transmitter (d/P) d. Temperature transmitter. Sinyal Pneumatic yang digunakan umumnya mempunyai range : 3 – 15 psi. Sinyal lisdtrik yang digunakan umumnya : Sinyal arus listrik : 4 – 20 m A atau 10 – 50 m A. Sinyal tegangan listrik : 1 – 5 DC atau 0 – 10 V DC.

1.5. Sistem Satuan Satuan

: Centimeter gram sekon (Cbs) Atau system absolute

Satuan

: MKSA : Meter, Kilogram, Sekon, dan Amper. Derajat Kalvin (K) dan Coudela (C)

Besaran-besaran Dasar Kuantitas Panjang Massa Waktu Arus listrik Temperature termomanik Intasitas Penerangan

Satuan Meter Kilogram Sekon Amper Derajat kelvin Lilin (caula)

Listrik dan Magnit Gaya antenna muatan-muatan(F)

= gram cm/sekon2 = dyre

Laju motor listrik

(I)

= sket coulomb/sekon

Kecepatan Hub magnit

(R)

= cm1/2 gram1/2 sekon-4

(dyre-sekon/ab coulomb-cm)

= gouss

Flux Magnit

(φ)

= Maxwell

Kuat medan magnit

(H)

= oersted

Gaya gerak magnit, qqm

(H)

= qillbert

1 ohm Internasional

= 1,00049 ohm (cbsm)

1 Amper Internasional

= 0,99985A.

22

Symbol m kg s A 0 K cd.

1 Valt Internasional

= 1,00034 V

1 Coulomb Internasional

= 0,99984 C

1 Farad Internasional

= 0,99951F

1 Henry Internasional

= 1,00049H

1 Watt Internasional

= 1,00019W

1 Joule Internasional

= 1, 00019 j

Arus Listrik

(A)

= Amper

Gaya Gerak LIstrik

(E)

= Valt

Potensial

(V)

= Valt

Tahanan

(R)

= Ohm

Muatan Listrik

(Q)

= coulomb. (C).

Kapasitasi

(c)

= Farad. (F)

Kuat Medan Listrik

(E)

= u/m

Kerapatan Fluk Listrik

(D)

= c/m2

Permultivitas €

= F/m

Kuat medan magnit

(H)

= A/m

Fluk Magnit

(φ)

= Wb. (w)

Kerapatan fluksi Magnit

(B)

= Tesla. (T)

Permiabilitas

(W)

= H/m

Frekuensi

(f)

= Hz

Kerapatan

(ℓ)

= kg/m3

Kecepatan

(��)

= m/s

Kecepatan Sudut

(w)

= rad/s

Gaya

(F)

= N/kg m/s2)

Percepatan

(α)

= m/s2

Tekanan

(p)

= n/m2 = kg/cu2

Energy

(w)

= j(n m)

Daya

(p)

= watt (w(j/s)

Kuantitas listrik

(Q)

= C (A.S)

Fluk Cahaya

(ℓ)

= Lumen (cd.sr)

Ilurisasi

= Ln x. (lm/m2)

1 BTU

= 778,161bf.ft

1 BTU

= 1055j

1 Kcal

= 4182j 23

1 1bf.ft

= 1,356j

1 BTU

= 252 cal

N.M

= 1 joule (j)

kgF.m

= 9,80665j

1.6. Konversi Satuan SATUAN PANJANG: 1 Mi11

1 Yard

= 1.760 Yards. = 5.280 Feet. = 1,609 Km. = 3 Feet. = 0,914 Meter.

1 M2

= 1.000.000 mm2. = 1,196aq.yards. 10,76aq.yards.

1 imp.gallon

= 277,4cu.inches. = 4,55 liter.

1 US Gallon

= 0,833imp.gallon = 3,785liter. = 231cu.inches.

SATUAN BERAT: SATUAN VOLUME:

1 Foot

= 12 inches. = 308,4 mm.

1 inch = 25,4 mm. 100ft/min = 0,508m/det. 1Km = 1.000 Meter. = 0,621 Mil. 1 Meter

= 1.000 mm. = 1,094 Yard. = 3,281 feet. = 39,37 inches.

1 US Long ton

1 US Short ton

1 pound (1b)

= 2.2401bs. = 1.016 Kg.

1 us Barrel

= 42 US Gallon. = 35imp.gallon.

= 2.0001bs. = 907 Kg.

1 M3

= 16 ounces. = 7.000grains. = 0,454Kg.

= 1.000 liter. = 1,308 cu.yards. = 35,31 cu.feet.

1 Liter

= 1.000.000cc. = 0,22imp.gallon = 0,2642bs.gallon = 61,0 cu inches. = 1.699m3/jam. = 0,589cu.ft/min.

1 ounces (oz)

= 0,0625 pound. = 28,35 gram.

1 Mikron = 0,001 mm. = 0,000039 inch.

1 grain

= 64,8m.gr. = 0,0023 ounce.

1 cu/ft/min 1 m3/jam

1 m/det

1 lb/ft 1 metrik ton

= 1,488kg/m. = 1.000Kg. = 0,984 long ton. = 2.2051bs.

KERAPATAN:

= 196,9ft/min.

SATUAN LUAS: 1 Mil.2

1 Acre

= 640 Acres. = 259 Hektar.

1 Kilogram

= 1.000 gram. = 2.205pounds.

= 4.840sq. yards. = 0,4047 Hektar.

1 Gram

= 1.000m.gr. = 0,03527ounce. = 15.43grains.

1 Kg/m

= 0,6721bs/ft.

1 sq.yard = 9 sq. feet. = 0,836m2. 1 sq.foot = 144 sq. inches. = 0,0929m2

SATUAN VOLUME:

1 km2

1 cu. Yard

= 27 cu.feet. = 0,765m3

1 cu. Foot

= 1.728 cu.inches = 28,32 liter.

1 cu. Inch

= 16,39 mm3.

= 100 hektar. = 0,3861 sq. mile

1 Hektar = 10.00m2. = 2,471 Acres

SATUAN TEKANAN:

SATUAN PANAS DAN ENERGI:

1 atm.standar = 101.325pascal = 760mm.Hg. = 14,696p.s.i. = 1,033kh/cm2. = 1.013 milibar.

1 B.T.U

= 778ft.1bs. = 107,6kg.m. = 0,252 Kkal.

1 B.T.U/1b

= 0,556Kkal/kg.

1 atm.metrik

1 B.T.U/cu.ft

= 8,9Kkal/m3.

= 98.066,5pascal

24

1 cu.ft/1b 1 1b/cu.ft 1 M3/kg 1 kg/m3 1 g/m3

= 0,0624m3/Kg. = 16,02Kg/m3. = 16,02cu.ft/1b. = 0,06241b/cu.ft. = 0,437 grain/cu.ft. = 0,0584 grain per US gallom.

1 Kkal/m2

= 0,3687BTU/sq.ft. = 4,187KH/m2 .

1 Kkal

= 427Kg.m. =4187 Newton.m. = 4187 Joule. = 4187Watt.SeC

= 1kg/cm2. = 10m.kolom air. = 14,22 p.s.i 1 bar

= 100.000pascal. = 1.000 milibar. = 750,1mm.Hg. = 1,02Kg/Cm2. = 14,50p.s.i.

1 B.T.U/hr. /ft

= 1,488 Kkal/sq.ft.F j.m2 0C/m

1 Kilokalori

= 3.088ft.1bs. = 427kg.m. = 3,968BTU. = 4,187K.J.

1 Kilojoule

= 0,238Kkal. = 0,948 BTU.

1KW

= 738ft.1bs/s2c. = 102kg.m/detik. = 1,341HP. = 1,36DK (metric).

SATUAN TEKANAN:

1 1b/ft.2

= 47,88 pascal = 4,88Kg/m2.

1 p.s.i

= 6.894 pascal. = 2,036inch.Hg. = 0,0703kg/cm2. = 0,690 bar.

1m kolom air

= 9806 pascal. = 0,1kg/cm.

1m.Hg

= 133,3kilopascal. = 1.360kg/cm2. = 1.333 milibar.

1kg/cm2

= 98,066kilopascal. = 735,5 mm.Hg. =0,981 bar. = 14,22 p.s.i

= 0,001163 KWH. = 0,001582DK.jam. 1N. .m

= 1 joule. = 1 watt. SeC. = 0,0002388Kkal. = 0,10194kg.m. = 0,000278 watt.jam.

SATUAN PANAS DAN ENERGI:

WH

= 3413,14 BTU. = 960 Kkal. = 3.600.000 joule. = 1,36 D.K.jam. = 3.600.000 Newton.m. = 3.600.000 Watt.SeC. = 367.000 kg. m. = 0,002342 Kkal. = 9,81 Newton.m. = 9,81 joule. = 9,81 watt.SeC. = 0,002724 watt.jam. = 0,0000037DK.jam.

SATUAN PA AS DAN ENERGI: 1 H.P

= 33.000ft.1bs/min. = 550 ft.1bs/SeC. = 76,04kg.m/det. = 0,746KW. = 1,014D.K.metrik. I D.K. Metrik.

1 Kg.m

1 D.K metric

= 32.550ft.1bs/min. = 542ft.1bs/SeC. = 75kg.m/detik. = 0,986 H.P. = 0,735 KW.

1 Kkal/kg

= 1,8 BTU/1b. = 4,187KJ/kg.

1 Watt.jam = 0,8599Kkal. = 367 kgm. = 3.600 Newton.m. = 3.600 joule. = 3.600 watt.SeC. = 0,001 KWH. = 0,00136DK.Jam.

1 Kkal/m3

= 0,1124BTU/cu.ft. = 4,187KJ/m3.

1 DK.jam = 632,1 Kkal. = 270.000 kg.m. = 2.650.000 N.m. = 2.650.000 joule. =0,736 KWH.

SOAL LATIHAN : 1. Jelaskan yang dimaksud instrument dan sistem instrument ? 2. Apa perbedaan antara sistem instrumen mekanik, phanematik, dan elektrik ? 3. Jeaskan parameter-parameter yang harus dimiliki suatu instrumen : Ketelitian Accuracy), Ketepatan (Precision), Sensitivitas,

Resolusi,

Linieritas,

Range,

Reproduksibilitas, Hysterisis, dan Error ? 4. Jelaskan yang dimaksud karateristik dinamik dan statik pada instrment ? 5. Jelaskan Perbedaan orde Nol, orde satu, dan orde dua. 6. Ada berapa jenis kesalahan dalam pengukuran ? 7. Gambarkan dan jelaskan diagram blok sistem instrumentasi industri?. 8. Jelasan yang dimaksud panematic to electronic transmitter ?.

25

Span,

BAB II TRANSDUCER DAN SENSOR

2.1. Pengertian Transducer dan Sensor Transducer adalah suatu divais yang dapat mengubah suatu besaran energi tertentu ke besaran energi yang lain. Sebagai contoh, definisi transducer yang luas ini mencakup alat-alat yang mengubah gaya atau perpindahan mekanis menjadi sinyal listrik. Sensor adalah suatu divais yang dapat mengubah bentuk energi ke dalam bentuk energi listrik. Sebagai contoh termokoel, resistance bulb dll. Transducer dan Sensor dapat dikelompokkan berdasarkan pemakainannya, metode pengubahan energi, sifat dasar dari sinyal keluaran dan lain-lain. Semua pengelompokkan ini biasanya memperlihatkan daerah yang saling melengkapi. 2.2. Transducer Pasif ( Memerlukan daya dari luar) : Parameter listrik dan kelas transducer

Prinsip kerja dan sifat alat

Pemakaian alat

TRANSDUCER PASIF (DAYA DARI LUAR) Tahanan Alat potonsiometrik

Pengaturan posisi kontak geser

Tekanan,

oleh sebuah gaya luar yang

pergeseran

mengubah tahanan di dalam sebuah potensiometer atau rangkaian jembatan. Strain-gage tahanan

Tahanan sebuah kawat atau

Gaya, torsi,

semikonduktor diubah oleh

pergeseran

perpanjangan atau tekanan karena tekanan geser yang diberikan dari luar. Transformator selisih

Tegangan selisih dua kumparan

Tekanan, gaya,

primer dari sebuah transformator

pergeseran

diubah dengan pengaturan posisi inti magnetik oleh sebuah gaya yang diberikan dari laru. 26

Gage arus pusar

Induktansi sebuah kumparan

Pergeseran,

(Eddy Current gage)

diubah menurut dekatnya sebuah

ketebalan

plat arus pusar

2.3.Transducer Aktif ( Transducer pembangkit sendiri) tanpa daya dari luar : Parameter listrik dan kelas transducer

Prinsip kerja dan sifat alat

Pemakaian alat

TRANSDUCER PEMBANGKIT SENDIRI (TANPA DAYA DARI LUAR) Gage kerutan magnetik

Sifat-sifat magnetik diubah oleh

Gaya, tekanan,

(magnetostriction gage)

tekanan geser (stress)

bunyi (suara)

Beda potensial dibangkitkan

Fluksi magnet,

pada sebuah plat semikonduktor

arus

Tegangan dan arus Pengukuran efek Hall

(germanium) bila fluksi magnet berinteraksi dengan arus yang dimasukkan. Kamar ionisasi

Aliran elektron diindusir oleh

Pencacahan

(ionisasion chamber)

ionisasi gas akibat radioaktif.

partikel, radiasi

Sel fotoemisif

Emisi elektron akibat radiasi

Cahaya dan radiasi

yang masuk pada permukaan fotoemisif.

Cahaya dan

Tabung pemfotodarap

Emisi elektron sekunder akibat

radiasi, relay

(Photomultiplier)

radiasi yang masuk ke katoda

sensitif cahaya

sensitif cahaya.

Temperatur, aliran

Termokopel dan

Pembangkitan ggl pada titik

panas, radiasi

termoonggok

sambung dua logam yang tidak

(thermopile)

sama atau semikonduktor bila titik sambung tersebut dipanasi.

Kecepatan,

Generator kumparan

Perputaran sebuah kumparan

getaran

putar

didalam medan magnet membangkitkan suatu tegangan.

Piezoelektrik

Pembangkitan ggl bila bahan-

Suara, getaran,

bahan berkristal tertentu seperti

percepatan,

27

kuartz diberi gaya dari luar.

perubahantekanan

Pembangkitan suatu tegangan

Pengukur cahaya,

Sel fototegangan

dalam sebuah alat

sel matahari.

(photovoltatic)

semikonduktor bila pemancaran energi merangsang sel.

Parameter listrik dan kelas transducer

Prinsip kerja dan sifat alat

Pemakaian alat

TRANSDUCER PEMBANGKIT SENDIRI (TANPA DAYA DARI LUAR) Pirani gage atau alat

Tahanan elemen panas diubah

Aliran gas,

ukur kawat panas.

oleh pendinginan konveksi dari

tekanan gas

suatu aliran gas. Termometer tahanan

Tahanan kawat logam murni

Temperatur, panas

dengan koefisien tahanan temperatur positif yang besar berubah terhadap temperatur. Termistor

Temperatur

Tahanan oksida logam tertentu dengan koefisien tahanan temperatur negatif yang besar

Hygrometer tahanan

berubah terhadap temperatur.

Kelembapan

Tahanan sebuah strip konduktif

relatif

berubah terhadap kandungan uap air. Sel fotokonduktif

Tahanan sel sebagai elemen

Relay sensitif

rangkaian berubah terhadap

cahaya

cahaya masuk. Kapasitansi Gagetekanan, kapasitansi

Jarak antara dua plat paralel

Pergeseran,

berubah

diubah oleh sebuah gaya yang

tekanan

diberikan dari luar. Mikrofon kapasitor

Tekanan suara mengubah

Suara, musik,

kapasitansi antara sebuah plat

derau

tetap dan diafragma yang dapat 28

berubah Ukuran dielektrik

Parameter listrik dan kelas transducer

Variasi kapasitansi melalui

Level cairan,

perubahan dielektrik.

ketebalan.

Prinsip kerja dan sifat alat

Pemakaian alat

TRANSDUCER PEMBANGKIT SENDIRI (TANPA DAYA DARI LUAR) Induktansi Transducer rangkaian

Induktansi diri atau induktansi

Tekanan,

magnetik

bersama dari kumparan yang

pergeseran

dieksitasi oleh AC diubah dengan perubahan-perubahan di dalam rangkaian magnetik. Pengukuran reluktansi

Reluktansi rangkaian magnetik

Tekanan,

diubah dengan mengubah posisi

pergeseran,

inti besi sebuah kumparan.

getaran, posisi

Latihan Soal : 1. Jelaskan yang dimaksud Transducer dan Sensor ? 2. Jelaskan prinsip kerja Potensiometer ? 3. Jelaskan prinsip kerja Termokopel ? 4. Jelaskan perbedaan Termokopel dengan Resistance Bulb ?. 5. Jelaskan dan gambarkan sistem pengukuran dengan menggunakan sensor ultrasonic ? 6. Jelaskan transducer Humidity ? 7. Pada sistem pengukuran tekanan uap di mesin Boiller pilih sensor yang tepat ?. 8. Jelaskan yang dimaksud proximity sensor ?

29

BAB III PENGUKURAN TEKANAN

3.1. Prinsip Pengukuran Tekanan Tekanan (presare) dinyatakan sebagai gaya persatuan luas 1. Tekanan Absolut, menunjukan nilai absolute (mutlak) gaya yang bekerja pada dinding penampang fluida (Pa). 2. Tekanan Relatif, atau tekanan pengukur ialah selisih antara tekanan absolut dan tekanan atmosfir setempat. 3. Vacuum (hampa) menunjukkan berapa lebih tekanan atmosfir dari tekanan absolute (Pv)

Pv = Ps - Pa

P(abs) Tekanan Relatif (Gauge) Positif (Vg)

Ps

Pg = Pa - Ps Tekanan Atmosfir (Ps)

Tekanan Relatif Negative / atau Vacum

o

Tek. Absolute nol

Tekanan fluida lokal tergantung: pada berbagai variable seperti; elevasi (ketinggian). kecepatan aliran, densitas fluida (kerapatan fluida), dan suhu. Tekanan absolute (psia) pon per inci /Newton/m2 Tekanan Relatif (psig)pon per inci Tekanan Atmosfir standar tinggi ialah 760 mm raksa yang densitasnya 13,5951 g/cm3

Beberapa satuan tekanan yang lazim: 1. Atmosfir (atm)

= 14,696 pon per inci persegi = 1, 01325 x 105 Newton per m3 = 2116 pon gaya perkaki persegi atau 1bf/ft2.

1 N/m2

= 1 paskal (Pa)

Atm

= 760 milimeter raksa (mm Hg)

1 bar

= 105 N/m3 (100 K.Pa).

1 microbar

= 1 dyne per inci meter persegi = 2,089 pon-gaya per kaki persegi 30

= 0,1 N per meter persegi (0,1 Pa). 1 milimeter raksa (mm hg)

= 1333,22 mikrobar = 133,322 Newton per meter persegi (133,3 Pa)

1 mikrobar

= 0,1 newton per meter persegi

1 mikrometer

= 10-6 meter raksa (µ m) = 10-3 milimeter raksa (mm Hg) = 0, 133322 N per meter persegi (0,133 Pa) 1 torr

= 1 milimeter raksa (mm Hg)

1 inci raksa

= 70,73 pon gaya perkaki persegi

1 pon per inci persegi abs

= 6894,76 newton per meter persegi (6,894 K. Pa)

Tekanan fluida terjadi karena pertukaran momentum antara moleku-molekul fluida dan dinding perampung. Untuk gaya ideal P =

1 3

n m. V2 apk

n

= densitas molekul-molekul/satuan volume

m

= masa molekul

Vapk = akar putaran kuadrat kecepatan

Vapk =√

𝟑 𝑲. 𝑻 𝒎

T

= suhu absolute gas, K.

K

= 1, 3803 x 10-23 j/ molekul .K / konstanta baltzman.

Respon transien (transient response) instrument pengukuran tekanan tergantung pada dua factor : 1) Respon unsur transduser yang mengindra tekanan 2) Respon fluida transmisi tekanan dan saluran-saluran penghubung, dan sebagainya.

31

Tekanan tabung transmisi V Pa

Transduser tekanan

2r P L

SISTEM TRANSMISI TEKANAN

Gambar 3.1. Sistem transmisi tekanan

3.2. Piranti Mekanik Pengukuran Tekanan Manometer Tabung µ.

Gambar 3.2. Manometer Tabung U. �

�

Pa

= ± �� h pm = p +�� h. pf.

Pf

= densitas fluida yang mentransmisi tekanan P

Pm

= densitas fluida manometer

g, gc = konstanta konversi dimensi gc

= 38,5 lbm. in /lbf. S2 atau 1,0 kg m/N. S2.

pm

= kg/cm3

pf

= P1 kg/cm2

g

= 9.81 m/s2

h

= tinggi, m

P1 – P2 = g.h pm

32

Jika P1 tekanan yang sedang diukur, tabung manometer U dapat dipergunakan untuk mengukur. 1) Tekanan absolute Pa jika P2 =0 2) Tekanan gouge jika P2 = Pa, Tek Atmosfer. 3) Tekanan differensial, jika P2 adalah tekanan kedua dibandingkan dengan P1

Sensitivitas tabung µ memometer

S=

S=

∆ℎ 1 = . ∆� g (pm − pf)

∆ℎ ∆�

1

=

g (pm−pf)

. m/N- m-2

Dalam transmisi liquid culum sensitivitas diabaikan. ∆ℎ

S = ∆� =g .

1 . pm.

m/N- m-2

Gbr. 3.3. WELL TYPE MANOMETER Persamaan tekanan balance:

P = P2 - P1 = g h. (pm - pf). A

= daerah tabung besar. m2

a

= daerah tabung kecil. m2 33

d

= pergeseran. m.

sebagaimana pergeseran volume kedua sisi sama pada manometer d = h - h1

tetapi

(h - h1). A = h1.a h = h1 (1 + a/A) Disubtitusikan: P = P2 – P1 = g h1 (1 + a/A) (pm - pf) N/m2 P = P2 – P1 = g pm h1 (1 + a/A) N/m2 Untuk area rasio a/A = 0,02 Terbaca missal 100 m.m untuk h1 akan ditunjukan 102 mm a << A, kita mempunyai P = Pm. g h1 N/m2 Sensivitas pada tipe well gouge adalah:

�= =

1 ∆ ℎ ∆𝑝

1

=�(𝑝� −𝑝� )(1+� /�) �

1 ) �(𝑝� −𝑝�

�

-2 −�

2 � �/− �

Dalam molekul a <
�=

=

�𝑝 2 (1+ 语/�)

� ⁄� −2 − �

1 � ⁄� �. 𝑝� −

−2 �

1

Dalam masaah a << A.

34

Gbr. 3.4. INCLINED TABE MONOMETER

35

P = P2 – P1 = g pm h1 (a + a/A) Tetapi h1 = R sin Θ R = jarak bergerak pada skala, m. Jadi P = g. pm R sin Θ (1 + a/A) N/m2 Jika a<
Sensitivias �=

�� ��

=

1

�𝑝�

sin 𝜃 � ⁄� − � −2

Untuk a << A.

Gbr. 3.5. Mercury Manometer

Gbr. 3.6. Micro Differential Manometer

36

Perbedaan dua cairan, jika tidak ada tekanan level cairan �÷ �1 jika P2 lebih besar dari P1. Level cairan dengan density P1 turun, dan level cairan dengan density P2 naik. Jika level 1dan 2 sama tekan akan ditunjukkan sama dengan persamaan tekanan. �2 + (ℎ1 +

ℎ� ℎ� )� �+ (ℎ2 − + ℎ) �1 �. � � ℎ�

= �1 + (ℎ1 −

ℎ�

)� �+ (ℎ2 + − ℎ) � 2. �+ 2ℎ �2 � � �

� � �= �2 − �1 = 2 �ℎ [�2 − �1 {1 − ( )} − �( )] �

�

Jika a<
1 � ℎ ≈ � � 2 �(�2 − � 1) dimana : W = Counter weight ; kg R = radius pergerakan W ; m A = area of cross-section of ring ; m2 d = diameter pada ring ; m θ = sudut pada W dari garis Y.

Gbr. 3.7. Ring Balance Manometer Manometer dibuat dari tabung yang berbentuk lingkaran dengan menggunakan cairan P1 dan P2 diberikan pada ujung-ujung cincin melalui sesuatu penghubung yang flexible. Perbedaan P1 dan P2 cincin akan berputar. Perputaran cincin dibatasi dengan adanya bobot beban W. Cairan di dalam hanya dipakai untuk memisahkan kedua tekanan yang akan diukur perbedaannya . Didalam keadaan setimbang. � 2

(�2 − �1)� = � �� , �� � � �𝑖 �= � sin 𝜃 37

� 2

(�2 − �1)� = � �. �sin 𝜃

38

�= �2 − �1 =

2 � � � sin 𝜃 � 2 � � .�

Sudut Θ mengukur perbedaan tekanan Θ = kira-kira 30 0 pada aksis Y dapat dipergunakan untuk mengukur 3 kN/m2 Indicator

Level

w

C o u te r w e ig h t

B e ll K n if e Edge

P1

S e a lin g liq u id

P2

BALANCEDLEVELBELLGAUGE

d

Balance beam

pivot CW Bell 2

Bell 1

S e a lin g liq u id

P2

P1

BEAM BELL GAUGE

Gbr. 3.8. Beam Bell Gauge. �= �2 − �1 =

� . �� 2 ⁄� sin 𝜃 � ��

W

= Weight of counter weight ; kg

d

= Jarak w dari pivot, m

A

= Daerah masing-masing bell, m2

S

= Jarak masing-masing bell support dari titik pivot, m

Θ

= Sudut simpang dari beam

39

S c a le

Ke Printer Bellow

Spring

p SPRING IOADED BELLOW GAUGE

Gbr. 3.9. Spring Loaded Bellow Gauge. �= � d

= Simpangan bellow, m

p

= Tekanan yang dipakai; N/m2

Ab

= Luas area bellow; m2

Kb

= Konstanta ketahan bellow; N/m

Ks

= Konstanta ketahan spring; N/m �=

� � � �+ � �

�(� �+ � �) 2 ⁄� � � �

Jika beroperasi dengan saklar listrik �+ � �(� �+ � �) � �

P= P=

F = Gaya beroperasi dengan listrik/ mekanik Ns ds = Simpangan operasi listrik/mekanik. 40

To vacuum

h 0 1 2 3 4 5 6 Movable reservoir

Meansuring

Bulb

Opening

MC LEOD GAUGE

Gbr. 3.10. Mc Leod Gauge. Vc = a . h.

a = Vol. per unit

Volume gas yang diukur dalam tabung h = panjang meansuring capillary tube yang terjadi oleh gas 𝑉

� �= � � 𝑉

VB = volume bagian bawah

� �= �= ℎ �ℎ 2 �= �� − � .ℎ

h = kolom meansuring

𝑐

h. a<< VB, Maka

�ℎ2 �= � �

41

Moving Coil Meter Thermocoule

Vacuum

Heater Eleman

A

Metal or Gas Envelope

Thermocople Vacuum Gauge

Gbr. 3.11. Thermocople Vacum Gauge. Weights Test Gauge

Platporn

Piston

Valve

Handle Chamber

Plunger

DEAD WEIGHT TESTER

Gbr. 3.12. Dead Weight Tester.

�= A m g F

� �+ � � = m-2 area = masa kg = grafity m/s2 = gesekan, N

42

Latihan Soal : 1. Jelaskan yang dimaksud tekanan Absolute, relatif, dan Hampa (Vacum) ?. 2. Tuliskan persamaan untuk menghitung gas ideal?. 3. Jelaskan Keunggulan dan kekurangan pengukuran tekanan dengan menggunakan tabung manometer, Well Mnometer, inclined tube manometer, mercury manometer, dan ring balance manometer? 4. Manometer pipa U digunakan untuk mengukur tekanan air pada pipa lurus, sebelah kanan manometer terbuka ke udara sementara sebelah kiri terhubung ke pipa . Perbedaan level merkury ke dua pipa 130 mm . Hitung Tekanan air pada pipa dalam satuan K N/m2 . Densitas merkury 13,56 x 103 Kg/m3.?. 5. Dalam pengukuran dengan sistem mekanikal apakah masih banyak digunakan di industri?.

43

BAB IV PENGUKURAN ALIRAN

4.1.Pengukuran Aliran ( Flow) Dalam pengukuran aliran (flow) ada tiga cara : a) Kecepatan fluida ngalir (m/d) b) Debit (banyaknya volume) fluida yang mengalir persatuan waktu (ℓ/detik, Gp H ) c) Jumlah (volume) fluida yang mengalir untuk selang waktu tertentu (liter, galon) 1 galon per menit (gpm) = 231 inci kubik permenit (in3/min) = 63,09 sentimeter kubik per detik ( cm3/s). 1 liter = 0,26417 galon = 1000 cm3 1 kaki kubik (cfm, atau ft3/mm) = 0,028317 m3/min = 471,95 cm3/s 1 kaki kubik standar per menit udara pada 200C, 1 atm. = 0,07513 pon, massa per menit = 0,54579 gram per detik (gram/s) Macam dari pengukuran aliran ini banyak sekali, tetapi pada dasarnya dapat dibagi menjadi tiga bagian besar: A. Head flow meter B. Area flow meter C. Positive displacement meter Jenis Head flow meter: a.

Tabung venturi

A1

b. Flow Nozzle c. Plat Oriffice d. Tabung Pitot

A2

V1 Input

Aliran

Output P2

P1

Gbr. 4.1. Aliran fluifa melalui saluran aliran mengecil 44

V2

V1 = Kecepatan aliran . P1 = tekanan A1 = luas penampang (input) V2, P2, A2. bagian (output) Disini berlaku persamaan kontinuitas banyaknya fluida yang masuk sama dengan banyaknya yang keluar. V1 A1 = V2. A2. Jika alirannya turbulen, dimana kecepatan fluida diseluruh penampang sama, maka berlaku gaya persamaan Bernouli:

� 1 �

+

��12 � 2 = 2� �

+

��22 2�

C = masa jenis fluida, kg/m2 g = percepatan grafitasi kg. m/N s2 A = luas ft2 atau m2 P1,2 = tekanan N/m2 Dari kedua persamaan diatas

�=

�2 � 2 2 √1−( ) � 1

2� (�1 − �

√

�2)

m3/s atau ft3/s

Laju aliran (ℓ/detik)

Jadi terlihat disini mengukur perbedaan tekanan (P1 - P2) dapat ditentukan besarnya debit aliran. Pengukuran aliran dalam praktek dipengaruhi oleh: -

Koefisien discharge, ditentukan oleh kerugian-kerugian gesekan dalam pipa.

-

Bilangan Reynald rel="nofollow"> 2000 (aliran besar)

-

Aliran rendah (aliran laminer) aliran fluida yang kecepatannya tidak sama dalam pipa.

Bilangan Reynold

� �=

�𝑉 � 𝜇

C = Masa jenis fluida V = Kecepatan rata-rata fluida 45

µ = Viskositas (kekentalan) fluida

46

D = Diameter pipa pada penentuan angka Renold. Aliran laminar terjadi pada kekentalan yang tinggi seperti minyak. 4.2. Pengukuran aliran dengan Tabung Venturi

Gbr. 4.2. Tabung Venturi. Pada sekeliling pipa dibuat lubang-lubang yang jalan keluarnya dijadikan satu dan dihubungkan dengan pengukur tekanan. Tekanan yang akan diukur tekanan rata-rata, sehingga pengukuran lebih teliti. Perbandingan diameter leher dan pipa antara 0,25 s/d 0,50

Gbr.4.3. Flow Nozzle.

47

4.3. Pengukuran aliran dengan Flow Nozzle. Tiap-tiap tekanan pada flow nozzle diletakan kira-kira pada jarak satu kaki diameter pipa (D) dibelakang bagian input dan 1/2 diameter pipa dibelakang bagian output. Flow nozzle mempunyai ketelitian lebih rendah dibandingkan dengan tabung Venturi, dan harga lebih murah. 4.4. Pengukuran aliran dengan Plat Oriffice Dengan plat oriffice mudah pemasangan dan murah tetapi ketelitian kurang. Plat orriffce merupakan plat berlubang dengan pinggiran tajam terbuat dari logam, plastic dll.

Gbr.4.4. Plat Oriffice.

Laju Aliran Volumetrik suatu fluida : �= � . �2 =

〰�2 √1 − (� 2/� 1)2

Q = laju aliran ft3/s atau m3/s A = luas ft2 atau m2 48

2� � .√ (�1 − �2) �

P = densitas fluida lbm /ft3 atau kg/m3

49

P1,2 = tekanan fluida lbf /ft2 atau N/m3 gc = percepatan grafitasi 32,17 lbm. ft/lbf. S2 atau 1.0 kg. m/N.s2 � 2. �

p = densitas nitrogen p = �� � ���𝑡� = �𝑖� � � �

C. (koefisien buang)

Koefisien buang tidak constant, dan sangat tergantung pada angka Reynold dan geometri saluran. P = P. R T. T = suhu absolute R = Konstant gas untuk gas yang bersangkutan dengan dapat dinyatakan dalam constant gas ideal dinyatakan dalam constant-gas-universal ® �=

®

�

= 8313 J/kg. mol. K atau 1545 ft. lbf/lbm. Mal0 R

2� �� 2 � = �2 √ (�1 − �2) � .� 1

m = laju aliran massa lbm/s atau kg/s) A = luas ft2 atau m2 gc = 32,17 lbm. Ft/lbf. S2. Atau 1, 0kg. m/N.s2 P = tekanan lbf/ft2 atau N/m2 R = konstanta gas, lbf, ft/lbm. oR atau N.m/kg. k T = suhu absolute, o R atau K 1

M = factor kecepatan masuk =

√1−(

� 22 ) � 1

K = koefisien aliran = CM

β = rasio diameter =

� = �

�2

√�1

Venture, aliran tak mampu-mampat 50

Q nyata = CM A2 √

2 � � √�1 − �2 𝑝

51

Nozzle dan oriffce, tak mampu-mampat Q nyata = K. A2 √

2 ��

√�1 − �2

𝑝

Jika factor mui dimasukan (Y) � �(�1 − �2) nyata = Y. C.M A2 √2 � � �(�1 − �2) nyata = Y. K A2 √2 �

� �= �

𝑉� .�

p = densitas fluida

𝜇

µ = Viskositas dinamik Vm = kecepatan aliran (putaran) D = diameter pada tempat menentukan angka Reynold Contoh : Sebuah tabung Venturi digunakan untuk mengukur laju aliran maksimum air pada 50 gpm pada 70o F. Angka Reynold pada leher venture harus sedikitnya 105 pada kondisi aliran ini, dalam hal ini digunakan pengukur tekanan differensial yang mempunyai ketelitian 0,25 persen skala penuh; dan mempunyai limit skala atas sesuai dengan laju aliran maksimum. Tentukan ukuran venturi itu dan jangkauan maksimum pengukur tekanan differensial itu. Dan perkiraan ketidakpastian dalam pengukuran aliran massa pada laju aliran nominal 20 dan 25 gpm. Penyelesaian: sifat-sifat air ialah P = 62,4lbm/ft2 = 8,33 lbm/gal µ = 2,36 lbm/h.ft. diameter maksimum yang diperbolehkan untuk leher dapat kita hitung dari laju aliran maksimum dan angka Reynold pd leher.

� � d =P

𝑉��

��

=

𝜇

2

(𝜋� 4𝜇 )

=

4 �

= 10 5

𝜋� 𝜇

Laju aliran maksimum: �= (50) (8,33)(60) = 2,5 x 104 lbm/h = (3,027. Kg/s) 52

Maka diperoleh Dmaks =

4 (2,5)� 104 ) 𝜋 (105 )(2,36)

= 0, 135 � �= 1,62 𝑖�(4,11�� )

53

Venturi yang dipilih diameter leher 1.0 untuk ini kita mempunyai koefisien buang, diameter bagian hulu dianggap 2,0 in, dari grafik koefisien buang 0,976 untuk 8 x104 < Red < 3 x 105 ketidakpastian dalam koefisien ini dianggap ± 0.002 karena dari gbr merupakan kurva-kurva. Dengan ukuran venture yang dipilih diatas angka Reynold leher mak,

(� )� � � � �= (105 ) (

1,62 ) 1,0

= 1,62 �105

Angka Reynold minimum separuh nilai ini, atau 8,1 x 104. Differensial maksimum dapat dihitung dari. � � �2 √ � � �䎖� = �

2� � √�� �

5 0 (231)

=

2 ,0 (0 ,976 )𝜋 (1

=

)

√ )

(4)(144)√1−(1/2)2

60 (1728)

2 (32,2

√��

62,4

AP = 948 psf = 6,58 psi (45,4 k Pa) Andai sekarang kita mempunyai pengukur tekanan differensial dengan jangkauan maksimum 1000 psf sesuai dengan soal itu. Ketidakpastian dalam bacaan tekanan ialah WAP = ± 2,5 psf (119,7 Pa) Bila aliran diturunkan hingga 25 gpm differensial tekanan menjadi ¼ dari 50 gpm untuk memperkirakan ketidakpastian dalam penyelesaian tekanan kita andaikan demensi venture itu diketahui dengan pasti, demikian juga densitas air besaran yang penting disini ialah. 𝜕� = 𝜕�

� � 2 √

2� � �

√∆�

�� �2 2� 𝜕� � √ = � � = ±0,002 𝜕� 2√�� �

Jadi

� �

= [(

� �2

) + 1 ( 2 ]½

� ��

�

�

4

��

Untuk Q = 50 gpm � �

= [(

0 ,002 2

) +

1

(

2 ,5

)2 ]1/2

54

�

0,976

4

948

= 0,002435 = 0,2435% …..Q = 25 gpm � � �

= [(

0 ,002 2

0,926

) +

)2]1/2 4

1

(

2 ,5

984/4

= 0,00566 ± 0,566%

55

4.5. Pengukuran Aliran Dengan Efek Seret.

Aliran masuk melalui bagian bawah tabung vertical tirus menyebabkan bub terapung bergerak ke atas. Bub ini akan naik di dalam tabung sampai pada titik dimana gaya seret seimbang dengan bobot dan gaya apung, posisi bub ini dalam tabung diambil sebagai laju aliran. Neraca gaya pada bub:

Fd + pf vb

� � �

� �� �

�

� �

Pf dan pb ialah rapatan fluida dan bub, Vb = volume total bub g = percepatan gravitasi dan fd ialah gaya seret yang diberikan oleh;

fd = C d. Ab

2 𝑝 �. 𝑉 � 2� �

Cd = koefisien seret Ab = luas permukaan bub Vm = kecepatan aliran didalam ruang analus antara bub dan tabung.

� �= [

�= ��� = �[

1 29 𝑣 � �� ��

1 2 9 𝑣� ��

�� ��

(

� 𝑡

� �

1/2

( �𝑡 − 1)]

− 1)]1/2

A = luas diberikan.diberikan oleh;

�=

𝜋 4

[(�+ � ��)2 − �2 ]

Y = jarak vertical a = konstanta yang menunjukkan tirus tabung D = diameter pada pintu masuk tabung d = diameter maksimum bub Koefisien seret tergantung pada angka Reynold. Aliran massa diberikan � = . 56

�1 𝑌 � �

2

Koefisien aliran K untuk meter turbin. �=

� � � = � �

F = frekuensi pulsa

57

Koefisien aliran tergantung pada laju aliran dan viskositas kirematrik fluida V Rofometer d

Bab Vm

Aliran y

D Tabung Tiras

Gambar 4.5. Rotameter.

4.6. Anemometer Kawat Panas Anemometer kawat panas ialah suatu piranti yang banyak digunakan dalam penelitian untuk mempelajari aliran yang berubah cepat. Sebuah kawat halus yang dipanaskan dengan listrik yang ditempatkan di dalam arus aliran. Laju perpindahan kalor dari kawat itu dinyatakan g = (a + b v0,5) (Tw - T∞) Dimana: Tw = suhu panas T∞ = suhu arus bebas fluida itu V = kecepatan fluida a, b = konstanta yang didapatkan dari kalibrasi piranti itu. Laju perpindahan kalor diberikan pula oleh: g = ί2 Rw = ί2 Ro [1 + σ(Tw - To)] dimana: ί = arus listrik Ro = tahanan kawat panas pada rujukan To α = koefisien suhu tahanan itu.

58

PN.VN

Potensio meter EVM

Probe Bersolasi

R3 Rs Gawai Panas G R1 R2

E R4

Gbr. 4.6. Rangkaian Pengukur Aliran Kawat Panas Arus ditentukan dengan mengukur penurunan tegangan melintas tekanan standar Rs, dan tahanan kawat ditentukan dari rangkaian jembatan. Untuk pengukuran keadaan steady boleh digunakan kondisi Nol. Jika ί dan Rw telah ditentukan, kecepatan aliran dapat dihitung dengan persamaan diatas. Probe kawat panas banyak digunakan untuk pengukuran transient, lebih-lebih untuk pengukuran fluktuasi turbulen. Kawat flatina atau Wolfram dengan diameter 0,0001 in beroperasi di dalam udara.

4.7. Meter Aliran Magnetik. Aliran suatu fluida yang bersifat menghantar melalui medan magnit, oleh karena fluida itu merupakan suatu konduktor yang bergerak di dalam medan, atau terjadilah tegangan induksi sesuai dengan persamaan :

E = β L µ x 10-8. V Β = densitas fluk magnet, gauss µ = kecepatan konduktor, cm/s L = panjang konduktor, cm

59

Panjang konduktor sebanding dengan diameter tabung dan kecepatannya sebanding dengan kecepatan aliran perata. Tegangan induksi dideteksi dengan dua buah elektrada, dan dapat dianggap pentunjuk langsung mengenai kecepatan aliran. Dua jenis meter aliran magnetic yang dipergunakan secara komersial: 1)

Menggunakan pelapis pipa yang bersifat tidak menghantar dan digunakan untuk fluida berkonduktivitas rendah seperti air. Elektrodanya dipasang sedemikian rupa sehingga rata dengan pelapis tak menghantar itu dan bersentuhan dengan fluida. Meter ini biasanya menggunakan medan magnit bolak-balik karena keluarnya rendah dan memerlukan penguatan. Elektroda

Medan Magnet B

E

Aliran Elektroda

�= �. �. ��. 10−8 � ���

2) Digunakan untuk fluida berkonduktivitas tinggi, terutama logam cair dalam hal ini digunakan pipa besi atau kawat, dengan electroda yang dipasang langsung di luar pipa dan berhadapan secara dianalisis satu sama lain. 4.8.Anemometer Doppler (Laser) atau LDA. Metode ini mempunyai keunggulan dengan lebih baik dibandingkan dengan metode yang lain. Pengukuran kecepatan secara kuantitatif, presisi, sangat tinggi, mampu memberikan respon amat cepat dimana cacah untuk pengukuran terdapat frekkuensi keterbulenan dengan frekuensi tinggi. L2 dan L3 di buat sedemikian rupa berkas yang melalui fluida itu (L3) dalam bagian berkas yang di hamburkan dengan sudut θ (luas L2). Cahaya yang dihamburkan mengalami penggeseran Doppler dalam frekuensi, yang berbanding lurus dengan kecepatan aliran. Bagian berkas yang tak terhamburkan diturunkan intensitasnya dengan penyaring (filter) densitas yang netral dan digabungkan kembali dengan berkas yang terhambur melalui pembelah berkas. Pada tabung multipilter foto akan terlihat adanya interfensi yang sebanding dengan frekuensi geser. Penggeseran ini memberikan indikasi

60

mengenai kecepatan aliran, untuk dapat mengambil kembali kecepatan dan foto tabung diperlukan pengolah Elektronik. LDA ialah laser gas Hz-Ne Panjang generator 632,8 m (~ 5 x 1014Hz) Leher pipa 10 Hz

Pusat penghamburan Lensa L3

Cermin

Lensa L1

+

Laser

Penyaring bensitas netral Lensa L2

Pembelah Berkas Tabung Multip Foto

Bacaan

Pengolah elektronik

(A) Cermin Pembelah Berkas

Tabung mult Foto PM

Lensa

Penyaring + Cermin

Laser

Aliran

(B)

61

FLOW TRANSDUCER MAGNETIK �= �. � . ��. 10−8 � ���

DC PS + _

E

Coil Elektroda

Non Mettalic Fluida Flow

Β = Flax x density wb/m2 L = panjang konduktor = diameter pipa; m µ = kecepatan konduktor (flow); m/s

Pipa

Panas yang Hilang dari kawat 1

) ⁄2 �/� = �(� . �+ �

B: Kecepatan Aliran Panas ρ : Density fluida α dan b konstanta tergantung pada dimensi kawat dan jenis fluida

Heater Wire

Flow

IR 2

heat generated = heat las (dalam kondisi seimbang) I2R = a (𝜗 p.tb)1/2

Pipa Potensio

I

𝜗=

Standard R

B

62

𝐼4 𝑅2 −� 𝑎2

�

kecepatan aliran

Positive Displacemut Output Torak

Pelampung Luas Cicin disekitar pelampung berubah ketika pelampung naik atau turun

Katup geser Input Meter Torak Bolak-Balik

Rotameter Area Flow meter

Baling-Baling

Rotating Ecentric Dram

Meter Baling-Baling Piringan

Meter Piringan Bergoyang

63

Soal Latihan : 1. Sebutkan berapa cara atau metoda untuk melakukan penguran aliran 2. Jelaskan perbedaan pengukuran flow dengan menggunakan metada Venturi, Flow Nozzle, dan Plat Oriffice. 3. Jelaskan prinsip kerja pengukuran dengan menggunakan Efek Seret 4. Pengukuran aliran dengan metoda/cara elektromagnetik cocok untuk fluida apa saja dan berikan contohnya. 5. Coba anda selidi di rumah yang berlangganan air dari PDAM untuk menghitung banyaknya air menggunakan pengukuran apa ?. 6. Jelaskan prinsip kerja pengukuran aliran menggunakan Anemometer Doppler ? 7. Hitung air yang mengalir melalui Venturi meter horizontal yang

berdiameter 400 x

150 mm . Jika perbedaan tekanan yang tersambung pada masukan meter melalui cekungan

250 mm yang diperlihatkan terisi merkuri. Koefisien discharge 0,98;

spesipik gravity merkuri 13,6 103 Kg/m3 ?.

64

BAB V PENGUKURAN KEASAMAN (PH)

5.1.Definisi pH Besarnya PH suatu Zat merupakan suatu ukuran keasaman Zat tadi. Makin besar PHnya makin basa Zat tadi dan makin kecil PHnya makin asam Zat tadi. PH suatu larutan ialah ukuran konsentrasi ion hydrogen CH, dan didefinisikan oleh PH = Log. CA Basa Kuat

14 5% Critic Soda 13 12

Milk of IM

11 Milk of Magresia 10 Solar

9

EGC Water

8 Netral

7 Pum Water 6

Milk

5 American Cheese 4 3 2 Asam Kuat

Orange Juice Lemon Juice

1 0 5% Sulfur Acid

Gambar 5.1. Standar Keasamaan � �𝑖 = −2,30

� 𝐻 � � � � � � ��

A = Kostanta gas universitas, 8314J/kg mol.K T = Suhu absolute, K F = Konstanta Faraday, 9,647 x 10 7 C/kg.mol.

CH = Konsentrasi ion hydrogen di dalam larutan CR = Konsentrasi di dalam elektroda gelas (CR = 1,0 untuk HCl 1 N.)

65

Pengukuran PH dengan Elektroda

55

Konsentrasi ion hydrogen di dalam 1 liter air adalah 10-7 gram ion/liter, ini berarti pH dari air adalah. pH = -Log 10-7 =7 Untuk mengukur PH ada dua cara: a. Indikatorp pH (Calorimetri) b. Elektroda (Elektrometri)

5.2. Macam-macam Elektroda Indicator PH merupakan jat yang akan berubah warnanya bila dicampur/dicelupkan ke dalam larutan asam atau basa. Salah satu contoh indicator PH adalah kertas lakmus. Kertas lakmus ini dicelupkan ke dalam suatu basa maka warnanya menjadi biru. Jika dicelupkan ke dalam asam warnanya menjadi merah. Kalibrasi ini dilakukan dengan cara warna kertas lakmus dibandingkan dengan warna-warna Hander. Elektroda Calomel . ditentukan oleh konsentrasi KCL di dalam laruan ini Elektroda sering di sebut EL Refernsi Elektroda Quintydrone. Dibuat dari logam mulia atau platinium. Bila EL; ini dicelupkan ke dalam suatu larutan yang mengandung Quintydrone maka tegangan listrik timbul tergantung pada ionisasi Quntydrone. Jadi secara tidak langsung tegangan listrik merupakan ukuran dari pH larutan. EL. Quintydrone. O ÷ 9 (pH)

Elektroda Antimony. (4 ÷ 11,5) pH Bila dicelupkan ke dalam larutan yang akan diukur pH nya maka akan terjadi reaksi antara antimony dengan larutan yang akan menimbulkan tegangan listrik yang besarnya sebanding dengan konsentrasi ion hydrogen didalam larutan.

Elektroda gelas (O ÷ 14) pH Bila dua larutan yang mempunyai konsentrasi ion hydrogen yang berbeda dipisahkan oleh suatu membrane gelas tipis, maka akan timbul tegangan yang sebanding dengan perbedaan konsentrasi tadi. Bila salah satu diketahui pH nya maka pH dari larutan yang lain dapat diketahui.

56

Soal Latihan : 1. Jelaskan yang dimaksud dengan pH 2. Jelaskan prinsip kerja cara pengukuran keasamaan dan basa . 3. Sebutkan berapa banyak macam-macam elektroda pengukur pH. 4. Jelaskan perbedaan elektroda Pengukur dengan elektroda Referensi. 5. Gambarkan cara mengukur keasamaan dan basa.

57

BAB VI PENGUKURAN VISKOSITAS

6.1. Definisi Viskositas Suatu sifat dipunyai fluida, dimana makin tinggi viskositasnya makin sukar fluida itu mengalir. Contoh : sirup, minyak , getah, air, bensin, udara (viskositas rendah). 1. Viskositas Dinamik (Absolute) µ 2. Viskositas Kinematik (Kinematic) 𝜗 𝑇

𝜇=

���/� �

Absolute

T = Tegangan geser antara lapisan-lapisan fluida dalam aliran laminar ���/� �= Gradien kec Normal 1 Lbf-s/ft2

= 47.8803 N – s/m2 = 478.803 poise (P) = 1,158 x 102 lbm/h-ft = 47.8803 kg/m-s

1N-s/m2

= 2, 08854.10-2 lbf-s/ft2 = 10P = 1000 senti poise = 2419 lbm/h-ft = 1 kg/m-s

= 100 cP = 1 dyn. s/m2 = 0, 1 N-s/m2 = 2, 08854.10-3 lbf-s/ft2 = 241. 9 lbm/h-ft = 0,1 kg/m-s

1P

𝜇

𝜗 = � Kinematik P = Dersitas Fluida 1 ft2/s = 9,3903 x 10-2 m2/s = 930.03 stoke 3/ st = 929,03 cm2/s 1 m 2/s = 10,7639ft2/s = 104 st 1St = 1 cm2/s

58

= 100centistokes /csft = 10-4 m2/s = 10,7639 x 10-4 ft2/s

6.2. Falling Shhere Viscometer

Steel Ball 250 220 200

Liquid

𝜗 = ��2 �

100

(� �− � �)

2⁄ � �

25 0

Gbr. 6.1. Falling Shere Viscometer K

= Konstanta dari efek dinding tabung

Ps

= kepadatan bola ; kg/m3

Pt

= Kepadatan fluida kg/m3

V

= Velocity terminal m/s

d

= diameter bola. M

g

= gaya gravitasi tabung m/s3

6.3. Falling Viston Viscometer m

= massa piston, kg

D

= diameter piston, m

L

= panjang piston, m

59

(18 � )�

�

T Seal Luar

Inner Cilinder

y

L

D

Liquid W

Gbr.6.2. Falling Viston Viscometer µ : Dinamic Viskosity 𝜇 = ��𝜗 ⁄��

K = Konstanta =

� .� .� � .� .�

� /� � � 2 �. �/� = � /� � � .

=

F = m.g

T = F/A

A = π. D.L

� � � = �� �

Dinamic Viskosity �=

=

� . �. � 2 �. �/� ��. � .�

� 2 �. �/� �

µ : Dinamic Viskosity

6.4. Rotating Cylinder

y

D

L

�=

v

Piston

60

2� .� 2 �. �/� 3 � . �. � �

Liquid

Gbr. 6.3. Rotating Cylinder

61

T

= Torgue; Nm

L

= panjang silinder m.

D

= Diameter silinder m.

W

= Angular vclocity rad/s

Pegas Skala Inner Cylinder Outer

Gbr. Inner Cylinder.

6.5. Capillary Viscometer Dynamic Viscosity:

𝜇=

4 𝜋 . 𝑝 . _ ℎ��

�� ⁄� 2

Vessel (Bejana)

128.� �

P

= dersity liquid, kg/m3

Hf

= Tingi kolom cairan, m

d

= diameter capitory. m. tube.

Q

= Liquid flow rate : m3/s

L

= penyaring tabung capil

L

hf

d

Capillary (pipa) tube Collecting Flaik

62

Contoh : 1) Viscometer bola jatuh, mengetes kepadatan oil 810 kg/m3 ditempatkan/disimpan pada tabung berdiamter 40m.m. diameter bola 3 mm dengan sensitas 7700 kg/m3 didapat antara 175 dan 25 mm pada garis 204 jika K = 0,834. G = 9, 807 m/s2. Hitung kinematic viscosity pada oil. Penyelesaian: Terminal Velocity V =

−3 (1 75 −2 5) 䆦 1 0

= 7, 35 10−3 � /�

204

Kinematic viscosity adalah: 2 �� . �(� �− � �) 𝜗= 18 � �. � ( 0.834 � 3 �10−3 )�9.807 �(7700 − 810) = 18 �810 �7′ 35�10−3

= 4:73 x 10-3 m2/s 2) Acetic acis mempunyai density 1050 kg/m3 di alirkan melalui tabung berdiameter 1 mm dan 300 mm (panjang tabung). Tinggi kolom cairan 200 mm. isi 50 x 103 mm3. Flow rote 520.s. hitung diameter viscosity Acid dan apakan aliran itu laminer/bukan? Penyelesaian: Flow rote Q =

−9 5 0 �13 0 �

3 /� = 96,2 �10−9 �

10 520

Dynamic viscosity adalah: ���ℎ�. �4

𝜇=

128 . � .�

2 �. �/�

��1050 �9′ 81�(200 �10−3 )�(1 �10−3 )4 = 128 �96′ 2�10−9 �300 �10−3 � � � � � � � � �� � � � � ��〳. @�= = ��� 𝜗 � 𝜇 −9 1050 96,2 �10 =

� ( ) (1 �

1 �10−3 � 1,75 �10−3

10−34)2

63

= 73,5. Rc < 200 aliran laminer

64

BAB VII PENGUKURAN TINGGI PERMUKAAN Dua prinsip dasar untuk pengukuran tinggi permukaan atau level permukaan suatu zat cair adalah sebagai berikut : 1. Pengukuran yang berdasarkan panjang kolom zat cair ( dengan bantuan plampung) 2. Pengukuran berdasarkan tekanan zat cair. Jika untuk menentukan volume zat cair dalam suatu bejana, maka pengukuran yang berdasarkan kolom zat cairlah yang paling tepat. Jika pengukuran berdasarkan tekanan maka harus diperhatikan kerapatan atau berat jenis cairan zat tersebut. Pengukuran level dapat dilakukan dengan bermacam cara antara lain dengan: pelampung atau displacer, gelombang udara, resistansi, kapasitif, ultra sonic, optic, thermal, tekanan, sensor permukaan dan radiasi. 7.1. Pengukuran Level menggunakan Pelampung Pengukuran dengan menggunakan pelampung yang diberi pegangan. Pembacaan dapat dilakukan dengan memasang sensor posisi misalnya potensiometer pada bagian engsel gagang pelampung. Cara ini cukup baik diterapkan untuk tanki-tanki air yang tidak terlalu tinggi atau bak-bak penampung air.

Potensiometer

Gagang Pelampun

h

Cairan

Gambar 7.1. Pengukuran menggunakan Pelampung

65

7.2. Pengukuran Level menggunakan Tekanan Untuk mengukur level cairan dapat pula dilakukan menggunakan sensor tekanan yang dipasang di bagian dasar dari tabung. Cara ini cukup praktis, akan tetapi ketelitiannya sangat tergantung dari berat jenis dan suhu cairan sehingga kemungkinan kesalahan pembacaan cukup besar.

Cairan dengan berat jenis diketahui dan

Sensor Tekanan

Gambar 7.2. Pengukuran Level Menggunakan Sensor Tekanan 7.3. Pengukuran Level menggunakan Optic Pengukuran level menggunakan optic didasarkan atas sifat pantulan permukaan atau pembiasan sinar dari cairan yang diditeksi. Ada beberapa cara yang dapat digunakan untuk pengukuran menggunakan cahaya ( optic), laser, prisma, dll. Sinar laser dari sebuah sumber sinar diarahkan ke permukaan cairan, kemudian pantulannya dideteksi menggunakan detector sinar laser. Posisi pemancar dan detector sinar laser harus berada pada bidang yang sama. Detektor dan sumber sinar laser diputar. Detektor diarahkan agar selalu berada pada posisi menerima sinar. Jika sinar yang datang diterima oleh detektor, maka level permukaan cairan dapat diketahui dengan menghitung posisi-posisi sudut dari sudut detektor dan sudut pemancar. Pemanca

Penerima

Sinar laser

Gambar 7.3. Pengukuran Level menggunakan Sinar Laser 66

Ada beberapa gambaran pengukuran level sebagai berikut :

Gbr.7.4. Pengukuran Level dgn Elektroda

Gbr. 7.5. Peng Level dgn Optik.

Gbr. 7.6. Peng Level dgn Load Cell

Gbr. 7.7. Peng Level dgn Prisma.

67

Soal-soal Latihan : 1. Jelaskan dua prinsip dalam pengukuran tinggi permukanan suatu Zat cair. 2. Jelaskan apa keuntungan dan kerugian pengukuran level dengan menggunakan pelampung di bandingkan dengan menggunakan sensor elektroda. 3. Jelaskan prinsip kerja pengukuran level menggunakan sinar LASER 4. Pengukuran level menggunakan Laser dibandingkan dengan menggunakan fiber optic, jelaskan keuntungan dan kerugiannya. 5. Jika pengukuran level menggunakan Load cell apa keunggulannya dibandingkan dengan menggunakan sensor straige.

68

BAB VIII PENGUKURAN THERMAL ( TEMPERATURE)

Pengukuran temperatur dapat dilakukan dengan berbagai macam cara pada umumnya akan tergantung pada penggunaan sensor atau transducernya karena intinya akan tegantung pada masukannya. Pada pengukuran temperatur masukannya temperatur diubah oleh sensor menjadi sinyal listrik, baik yang bersifat tegangan, arus, tahanan, kapasitif ataupun induktif. 8.1. Pengukuran temperatur dengan sensor bimetal Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu. Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah memuai lebih pendek. Oleh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya bimetal dapat dibentuk menjadi saklar Normally Closed (NC) atau Normally Open (NO).

Logam A Logam B

Bimetal sebelum dipanaskan

Bimetal sesudah dipanaskan

Gambar 8.1.. Kontruksi Bimetal ( Yayan I.B, 1998)

Disini berlaku rumus pengukuran temperature dwi-logam yaitu : t[3(1 m) 2 (1 mm)(m 2 1/ mn)] 6( )(T T )(1 m) 2 A

B

2

1

dan dalam praktek tB/tA = 1 dan (n+1).n =2, sehingga; 3( A

2t B )(T2 T1 )

di mana ρ = radius kelengkungan

69

t = tebal jalur total n = perbandingan modulus elastis, EB/EA m = perbandingan tebal, tB/tA T2-T1 = kenaikan temperature αA, αB = koefisien muai panas logamA dan logam B

8.2. Pengukuran menggunakan sensor Termistor

Dalam

operasinya

termistor

memanfaatkan

perubahan

resistivitas

terhadap

temperatur, dan umumnya nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara eksponensial untuk jenis NTC ( Negative Thermal Coeffisien)

RT R A e Koefisien temperatur α

T

didefinisikan pada temperature tertentu, misalnya 25oC sbb.:

Gambar 8.2. . Konfigurasi Thermistor: (a) coated-bead (b) disk (c) dioda case dan (d) thin-film

Karkateristik termistor berikut memperlihatkan hubungan antara temperatur dan resistansi seperti tampak pada gambar 8.3

70

Gambar 8.3.. Grafik Termistor resistansi vs temperatuer: (a) logaritmik

(b) skala linier

Untuk pengontrolan perlu mengubah tahanan menjadi tegangan, berikut rangkaian dasar untuk mengubah resistansi menjadi tegangan.

Gambar 8.4.. Rangkaian uji termistor sebagai pembagi tegangan

Thermistor dengan koefisien positif (PTC, tidak baku)

Gambar 8.5. Termistor jenis PTC: (a) linier

(b) switching

Cara lain untuk mengubah resistansi menjadi tegangan adalah dengan teknik linearisasi.

71

Daerah resistansi mendekati linier

Untuk teknik kompensasi temperatur menggunakan rangkaian penguat jembatan lebih baik digunakan untuk jenis sensor resistansi karena rangkaian jembatan dapat diatur titik kesetimbangannya.

72

Gambar 8.6. Dua buah Termistor Linier: (a) Rangkaian sebenarnya (b) Rangkaian Ekivalen

Gambar 8.7. Rangkaian penguat jembatan untuk resistansi sensor

Nilai tegangan outputnya adalah:

atau rumus lain untuk tegangan output

8.3.Pengukuran dengan Resistance Thermal Detector (RTD) RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500o C. Tembaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi.

73

Kumparan kawat platina Inti dari Quartz Terminal sambungan

Kabel keluaran

Gambar 8.8. Konstruksi RTD

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu: 1. Tidak diperlukan suhu referensi 2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi. 3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel 4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah 5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah. Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor dan model matematis linier adalah: RT R0 (1 t) dimana : Ro = tahanan konduktor pada temperature awal ( biasanya 0oC) RT = tahanan konduktor pada temperatur toC α = koefisien temperatur tahanan Δt = selisih antara temperatur kerja dengan temperatur awal

Sedangkan model matematis nonliner kuadratik adalah:

74

Gambar 8.9. Resistansi versus Temperatur untuk variasi RTD metal

Bentuk lain dari Konstruksi RTD

Gambar 8.10. Jenis RTD:

(a) Wire (b) Ceramic Tube (c) Thin Film

Rangkaian Penguat untuk three-wire RTD

75

Gambar 8.11. (a) Three Wire RTD (b) Rangkaian Penguat

Ekspansi Daerah Linier Ekspansi daerah linear dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: 1. Menggunakan tegangan referensi untuk kompensasi nonlinieritas 2. Melakukan kompensasi dengan umpan balik positif

Gambar 8.12. Kompensasi non linier (a) Respon RTD non linier; Blok diagram rangkaian koreksi

8.4. Pengukuran menggunakan sensor Termokopel 76

(b)

Pembuatan termokopel didasarkan atas sifat thermal bahan logam. Jika sebuah batang logam dipanaskan pada salah satu ujungnya maka pada ujung tersebut elektron-elektron dalam logam akan bergerak semakin aktif dan akan menempati ruang yang semakin luas, elektronelektron saling desak dan bergerak ke arah ujung batang yang tidak dipanaskan. Dengan demikian pada ujung batang yang dipanaskan akan terjadi muatan positif. Ujung panas

+ e

-

Arus elektron akan mengalir dari ujung panas

Ujung dingin

Gambar 8.13. Arah gerak electron jika logam dipanaskan

Kerapatan electron untuk setiap bahan logam berbeda tergantung dari jenis logam. Jika dua batang logam disatukan salah satu ujungnya, dan kemudian dipanaskan, maka elektron dari batang logam yang memiliki kepadatan tinggi akan bergerak ke batang yang kepadatan elektronnya rendah, dengan demikian terjadilah perbedaan tegangan diantara ujung kedua batang logam yang tidak disatukan atau dipanaskan. Besarnya termolistrik atau gem ( gaya electromagnet ) yang dihasilkan menurut T.J Seeback (1821) yang menemukan hubungan perbedaan panas (T1 dan T2) dengan gaya gerak listrik yang dihasilkan E,

Peltir (1834), menemukan gejala panas yang mengalir dan panas yang

diserap pada titik hot-juction dan cold-junction, dan Sir William Thomson, menemukan arah arus mengalir dari titik panas ke titik dingin dan sebaliknya, sehingga ketiganya menghasilkan rumus sbb: E = C1(T1-T2) + C2(T12 – T22)

Efek Peltier

Efek Thomson

atau E = 37,5(T1_T2) – 0,045(T12-T22)

77

di mana 37,5 dan 0,045 merupakan dua konstanta C1 dan C2 untuk termokopel tembaga/konstanta. +

Ujung panas

VR Vs -

Beda potensial yang terjadi pada kedua ujung logam yang berbeda

Vout VS VR

Ujung dingin

Gambar 8.14. Beda potensial pada Termokopel

Bila ujung logam yang tidak dipanaskan dihubung singkat, perambatan panas dari ujung panas ke ujung dingin akan semakin cepat. Sebaliknya bila suatu termokopel diberi tegangan listrik DC, maka diujung sambungan terjadi panas atau menjadi dingin tergantung polaritas bahan (deret Volta) dan polaritas tegangan sumber. Dari prinsip ini memungkinkan membuat termokopel menjadi pendingin. Thermocouple sebagai sensor temperatur memanfaatkan beda workfunction dua bahan metal

Gambar 8.15. Hubungan Termokopel (a) titik beda potensial (b) daerah pengukuran dan titik referensi

Pengaruh sifat thermocouple pada wiring

78

Gambar 8.16. Tegangan referensi pada titik sambungan: (a) Jumlah tegangan tiga buah metal (b) Blok titik sambungan

Sehingga diperoleh rumus perbedaan tegangan :

Rangkaian kompensasi untuk Thermocouple diperlihat oleh gambar 8.17

Gambar 8.17. Rangkaian penguat tegangan junction termokopel

Perilaku beberapa jenis thermocouple diperlihatkan oleh gambar 8.18

79

-

tipe E (chromel-konstanta) tipe J (besi-konstanta) tipe T (tembaga-Konstanta) tipe K (chromel-alumel) tipe R atau S (platina-pt/rodium)

Gambar 8.18. Karateristik beberapa tipe termokopel

8.5. Pengukuran dengan Dioda sebagai Sensor Temperatur Dioda dapat pula digunakan sebagai sensor temperatur yaitu dengan memanfaatkan sifat tegangan junction

Dimanfaatkan juga pada sensor temperatur rangkaian terintegrasi (memiliki rangkaian penguat dan kompensasi dalam chip yang sama).

Contoh rangkaian dengan dioda sebagai sensor temperature

Contoh rangkaian dengan IC sensor

80

Rangkaian alternatif untuk mengubah arus menjadi tegangan pada IC sensor temperature

Gambar 8.19. Rangkaian peubah arus ke tegangan untuk IC termo sensor Soal –soal Latihan : 1. Penggunaan sensor bimetal yang digunakan untuk penguran suhu lebih cocok pada pengukuran temperatur untuk sistem kontrol apa . 2. Jelaskan keuntungan dan kerugian pengukuran suhu

dengan menggunakn RTD

dibandingkan dengan sensr termokopel. 3. Sebuah dwilogam terbuat dari bilah kuningan dan invar yang terikat satu sama lain pada 30 0C masing-masing bilah tebalnya 0,3 mm. Hitung jari-jari pembengkokan bila bilah itu dikenakan pada suhu 100 0 C. 4. Sebuah termokopel besi – kontanta dihubungkan dengan termokopel yang terminalnya berada pada 75

0

F . Bacaan potensio meter adalah 3,59 mV . Berapa

suhu pada sambungan termokopel tersebut.

81

DAFTAR PUSTAKA

1. Dally, Rirey, & Mc Connell (1994) ; Instrumentation Engineering Measurements; John Wiley & Sons, Inc. New York. 2. Fribance.E. Austin. (1990); Industrial Instrumentation Fundamentals; Mc Graw Hill. Inc. New York. 3. Daca. S. (1985); Instrumentation Fundamental and Mechanicals; PHI, New Delhi. 4. Leonard S.(1985); Process Control Instrumentation Technology; John wiley & Sons Inc. Singapore. 5. John G. Webster (1999); The measurement Instrumentation and Sensor; ACRC. Handbook Published. 6. JP Holman; (1985) Metoda Pengukuran Teknik. Erlangga. Jakarta. 7. D. Patranabis;(1978); Priciple of Industrial Instrumentation.Mc. Graw Hill. Inc. 8. Yayan IB, (2008), Sensor dan Transducer. Internet. 9. AK . Sawhney, (1970) Mechanical Measurements and Instrumentation. Dhanpat Rai & Sons. 10. Joseph.J ( 1993), Sensors and Circuits, sensors transducer,and supporting circuits for electronic instrumentation, measurement and control. PHI Englewood Cliffs, New Jersey 07632. 11. BASIC INSTRUMENTATION MEASURING DEVICES AND BASIC PID CONTROL Science and Reactor Fundamentals . Instrumentation & Control i CNSC Technical Training Group.

12. Oyas Wahyunggoro, Instrumentasi Indudtri , ITB. 13. Charles Kitchin and Lew Counts, A DESIGNER’S GUIDE TO INSTRUMENTATION AMPLIFIERS. 14. S. Hakim Ad Dairi (2005). Pengukuran Panas dan Temperature, ITB Bandung.

82