dasar instrument
TRANSCRIPT
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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