Pengantar Teknik Pengukuran

PENGANTAR TEKNIK PENGUKURAN

M. AMIR FAUZI, A.Md

PT. INDONESIA POWER UNIT BISNIS JASA PEMELIHARAAN 2011

DAFTAR ISI

1. Prinsip teknik pengukuran …………………………………………..

1

1.1. Sensor ………………………………………………………………

1

1.2. Transimitter/Tranducer ……………………………………………

2

1.3. Controller …………………………………………………………...

2

1.4. Display/actuator ……………………………………………………

3

2. Sensor ……………………….……………………………………….

4

2.1. Sensor panas ………………………………………………………

4

2.2. Sensor mekanis ……………………………………………………

9

2.3. Sensor Optik ……………………………………………………….

9

3. Pengkondisian signal ……………………………………………..…

11

3.1. Pengkondisian signal pasif ……………………………………….

12

3.2. Pengkondisian signal aktif ……………………………………….

14

3.3. Pengkondisian signal digital ………………………………………

18

4. Alat Ukur Listrik ............................................ .................... ............................................. .................................. ............. 20 4.1. Sistem Satuan ............................................ .................... ............................................. ................................. ............ 21 4.2. Ukuran Standar Kelistrika ...................................... ................. .......................................... ..................... 22 4.3. Sistem Pengukuran ........................................... .................... ............................................. .......................... .... 23 4.4. Alat Ukur Ukur Listrik Analog ......................................... .................... ........................................... ...................... 24 4.5. Alat Ukur Ukur Listrik Digital ....................................... ................ ............................................. ......................... ... 26

= = = = = 000 = = = = =


1. PRINSIP TEKNIK PENGUKURAN Sistem

pengukuran

atau

instrumentasi

berkembang

cepat

seiring

dengan

berkembangnya tekhnologi material dan elektronik. Penggunannya tidak saja pada bidang teknik, bidang kedokteran ataupun bidang lainnya turut memmanfaatkannya. Pemanfaatan teknik pengukuran dibedakan menjadi dua, yaitu sebagai monitoring dan sebagai pengontrol. Kriteria umum komponen dari sistem pengukuran dibedakan menjadi 4 kelompok, yaitu : elemen sensor, transmitter, controller dan output (display/actuator). Hubungan ketiga elemen tadi dapat dilihat pada gbr 1 berikut :

DISPLAY

SENSOR

CONTROLLER

TRANSMITTER

ACTUATOR

Gbr. 1 Skema sistem pengukuran

1.1. SENSOR Sensor merupakan elemen yang bersinggungan langsung dengan media yang diukur besarannya. Efek atau respon dari sensor bermacam-macam, tergantung dari jenis sensor yang dipakai. Efek yang diterima atau ditangkap oleh sensor dapat berupa besaran mekanis, electric maupun optik. Sedangkan outputnya bisa berupa besaran mekanis atau listrik. Signal yang dikeluarkan oleh sensor ordenya masih sangat rendah, sehingga perlu dikuatkan atau diubah sehingga dapat dibaca atau digunakan untuk keperluan lain. PT. Indonesia Power Unit Bisnis Jasa Pemeliharaan 1


1.2. TRANSMITTER / TRANDUCER Transmitter/Tranducer dalam teknik pengukuran berfungsi untuk merubah atau menguatkan sinyal yang dihasilkan oleh sensor. Tujuan/fungsi transmitter secara prinsip dibedakan menjadi 3,yaitu : 

Sebagai transmitter berfungsi menyalurkan/mentransmisikan sinyal kepada rangkaian berikutnya



Sebagai Op Amp berfungsi untuk menguatkan sinyal



Sebagai Converter, berfungsi merubah satu besaran ke besaran lain.

1.3. CONTROLLER Controller berfungsi untuk mengolah sinyal dari transmitter menjadi bentuk output yang diinginkan. Sinyal output ini dapat berupa besaran analog maupun signal digital, tergantung aplikasi selanjutnya. Dalam controller semua sinyal dari transmitter tadi diubah menjadi sinyal digital dan diproses sesuai program yang diinginkan. Secara prinsip untuk proses pengukuran yang digunakan pada sistem pengaturan, program dalam controller umumnya berupa fungsi aritmatika yang bertujuan untuk menghitung sinyal input sebagai sensing terhadap suatu constanta atau besaran lain (feedback). Program aritmatik tersebut bisa\berupa fungsi Adder, Subtractor, Multliply, Devider atau PID, dll. Sehingga akan diperoleh suatu besaran pada sinyal output sesuai yang diinginkan (process value). Secara sederhana proses pengukuran pada sistem pengaturan dapat dilihat pada gambar berikut : Output Input

CONTROLLER

ACTUATOR

Feedback Gbr.2. Proses pengukuran untuk sistem pengaturan PT. Indonesia Power Unit Bisnis Jasa Pemeliharaan 2

Plant


1.4. DISPLAY/ACTUATOR Display/Actuator merupakan bagian akhir sistem pengukuran. Display merupakan bagian sistem pengukuran yang digunakan untuk fungsi monitoring, sedangkan pada actuator digunakan sebagai bagian dari sistem pengaturan dimana sensor sebagai input dan aktuator sebagai outputnya. Umumnya display bisa berupa Seven Segmen Led atau meter analog. Namun perkembangan software pada komputer memungkinkan menampilkan semua besaran tersebut

pada layar monitor sekaligus memberikan komando pada

controller, sehingga kita kenal dengan istilah HMI (Human Machine Interface)

PT. Indonesia Power Unit Bisnis Jasa Pemeliharaan 3


2. SENSOR Sensor adalah bagian yang berhubungan langsung dengan media yang akan diukur besarannya. Besaran yang dideteksi oleh sensor pada umumnya berupa besaran phisik. Dari jenis besaran itulah suatu sensor dapat dibedakan. Implementasi dalam pengukuran memungkinkan besaran/parameter yang dideteksi belum tentu besaran yang akan diukur. Dua klasifikasi yang mendasar dari sensor adalah sensor yang langsung mendeteksi dan tidak langsung mendeteksi. Klasifikasi sensor menurut media yang diidentifikasi dibedakan menjadi 3, yaitu : 

Sensor panas (thermal)



Sensor mekanis



Sensor optik

2.1. Sensor Panas (Thermal) Sensor panas (thermal) adalah sensor yang mendeteksi besaran panas dari suatu media atau material. Sensor panas pada prinsipnya menyentuh langsung dari media yang akan diukur. Umumnya prinsip kerja sensor panas berdasarkan teori pemuaian. Berdasarkan teori tersebut, maka sensor panas ini dapat dibedakan menjadi 3 kelompok, yaitu : cair, padat dan gas. Pada ketiga jenis zat tersebut perubahan volumenya diidentifikasi dengan perubahan panjang karena perubahan volume pada luas yang konstan. Kelompok sensor ini dalam teknik pengukuran dipresentasikan sebagai thermometer cair, padat dan gas.



2.1.1. Thermometer Cair Thermometer cair yang umum digunakan menggunakan air raksa (Hg), red oil atau alkohol. Prinsip kerjanya merupakan pemuaian volume, dengan formulasi : Vt

= Vo (1 + .∆ T )

Dimana : Vt

: Volume setelah pemuaian.

Vo

: Volume awal

γ

: Koefesien muai volumetris

∆T

: Perubahan temperatur.

Perubahan volume yang terjadi dialokasikan pada penampang tetap sehingga perubahan yang dapat diamati adalah perubahan panjang.

2.1.2. Thermometer Padat Prinsip kerja thermometer padat lebih banyak dikarenakan adanya perubahan panjang akibat pemuaian. Formulasinya sebagai berikut : Lt

= Lo (1 + α .∆ T )

Dimana : Lt

: Panjang setelah pemuaian

Lo

: Panjang awal

α

: Koefesien muai panjang

∆T

: Perubahan temperatur

Thermometer padat banyak digunakan pada pengukuran tempertur tinggi, namun memiliki ketelitian yang rendah. PT. Indonesia Power Unit Bisnis Jasa Pemeliharaan 5


2.1.3. Thermometer Gas Thermometer gas prinsip kerjanya menggunakan hukum Gay-Lussac dari formulasi : P 1 .V 1 T 1

=

P

2 .V 2 T

2

Pada tekanan konstan apabila terjadi perubahan temperatur maka akan terjadi perubahan volume. Perubahan volume dengan luasan konstan sehingga variable yang dapat diamati berupa perubahan panjang. Sensor thermal dimana outputnya merupakan signal electric dibedakan menjadi 4 macam, yaitu : 

Thermocouple



RTD



Thermistor



IC



2.1.4. Thermocouple Prinsip thermocouple adalah menyambung dua logam yang berbeda dalam dua junction. Berdasarkan efek Seebeck & Peltier apabila junction tersebut dipanaskan akan menimbulkan beda tegangan. Jenis thermocouple dan range temperaturenya dapat dilihat pada tabel berikut :

JENIS THERMOCOUPLE

RANGE TEMPERATURE 0 s/d 590 °C

B (Platinum –30% vs Platinum –6% Rhodium

600 s/d 1190 °C 1200 s/d 1810 °C -260 s/d 340 °C

E ( Chromega vs Contantan)

350 s/d 990 °C -200 s/d 490 °C

J (Iron vs Contantan)

500 s/d 1190 °C -260 s/d 290 °C

K (Chromega vs Alomega)

300 s/d 840 °C 850 s/d 1370°C -260 s/d 490 °C

N (Nicrosil vs Nisil)

500 s/d 1290 °C -40 s/d 540 °C

R (Platinum –13% Rhodium vs Platinum)

550 s/d 1140 °C 1150 s/d 1760 °C -40 s/d 540 °C

S (Platinum –10% Rhodium vs Platinum)

550 s/d 1140 °C 1150 s/d 1760 °C

T (Cooper vs Contantan)

-260 s/d 390 °C



2.1.5. RTD (Resistance Temperature Detector) RTD pada dasarnya adalah suatu tahanan (resistor) yang apabila dipanaskan maka harga tahanannya akan meningkat. Parameter sebagai pertimbangan dalam teknik pengukuran adalah sensitivitas (αo). Sehingga muncul beberapa jenis RTD, yaitu PT 50, PT 100, dll.

2.1.6. Thermistor Prinsip kerja Thermistor mirip dengan RTD. Karakteristik yang membedakan adalah pada thermistor jika dipanaskan maka harga tahanannya menurun. Thermistor termasuk jenis semiconductor, dimana perubahan temperatur akan mempengaruhi tahanan jenis material.

2.1.7. IC LM335 Sensor jenis ini termasuk dalam IC dimana jika dipanaskan pada outputnya akan mengeluarkan tegangan/arus tergantung dari bentuk rangkaiannya. IC LM335 mempunyai range temperature pengukuran rendah antara –10 s/d 120 °C



2.2. Sensor Mekanis Sensor mekanis pada prinsipnya mengukur atau mendeteksi perubahan posisi. Berdasarkan perubahan posisi tersebut dapat dikembangkan untuk mengukur kecepatan, percepatan, gaya, tekanan maupun flowrate. Sensor mekanis dibagi dalam dua jenis, yaitu langsung dan tidak langsung. Sensor mekanis langsung dipakai secara konvensional seperti manometer Bourden, Pitot Tube, dll. Kriteria sensor mekanis berdasarkan fungsi antara lain untuk mengukur posisi, kecepatan, dan sebagainya. 2.2.1. Sensor Posisi Prinsip kerja sensor posisi adalah mengukur perubahan posisi atau panjang. Jenis sensor ini antara lain : 

Potensiometer



Capasitor



LVDT (Linier Variable Differential Transforner)

2.2.2. Sensor Flowrate & Kecepatan Prinsip kerja sensor ini ada dua macam, pertama mendeteksi beda tekanan sedangkan yang lainnya mendeteksi frekuensi/putaran. Jenis sensor ini antara lain: 

Turbin flow meter



PMG



Pulse detector, dll

2.3. Sensor Optik Sensor optik bekerja berdasarkan prinsip optis gelombang elektromagnetik. Aplikasi dalam teknik pengukuran dibedakan menjadi 3 macam, yaitu energi, interferensi dan radiasi panas.


PENGANTAR TEKNIK PENGUKURAN a) Efek energi dengan memanfaatkan energi photon. Penggunaan pada photo diode digunakan untuk mengukur batas posisi tertentu.

b) Efek interferensi lebih banyak menggunakan frekuensi. Parameter yang disensor

adalah kecepatan berdasarkan frekuensi yang terjadi, sehingga kecepatan dapat diukur dengan formula

Dimana, V

: Kecepatan

λ

: Panjang gelombang

ƒ

: Frekuensi.

c). Efek Radiasi panas pada umumnya digunakan untuk mengukur temperatur. Berdasarkan energi yang diradiasikan dapat diketahui temperatur sumber panasnya.



3. PENGKONDISI SIGNAL Pengkondisi signal dalam teknik pengukuran bertujuan untuk mengkondisikan sinyal dari sensor sehingga dapat dipergunakan oleh peralatan lain baik untuk monitoring maupun untuk pengaturan. Mekanisme pengkondisian signal sebenarnya dilakukan secara bertingkat mulai dari sensor sampai pada bagian controller. Telah dijelaskan diatas bahwa Transmitter/Tranducer merupakan alat yang berfungsi untuk merubah sinyal dari sensor (phisik) ke bentuk sinyal lain (elektrik). Berdasarkan kriteria tersebut maka tranducer/transmitter didalamnya terdapat pengkondisi signal yang dapat dikelompokkan dalam dua bagian yaitu sistem analog dan digital.

3.1. PENGKONDISI SIGNAL ANALOG Sinyal keluaran dari sensor pada umumnya masih merupakan besaran analog yang memiliki orde sangat kecil sehingga untuk dihubungkan pada perangkat lain masih perlu dikondisikan terlebih dahulu. Pengkondisian signal disini mengandung maksud mengkondisikan signal input (dari sensor) menjadi suatu bentuk signal yang diinginkan pada outputnya. Ada 3 macam metoda pengkondisian signal : 

Dikuatkan ( melalui rangkaian Op Amp)



Difilter ( melalui rangkaian filter )



Diubah ( melalui rangkaian converter )

Dalam prakteknya metoda diatas bisa digunakan salah satu atau gabungan dari ketiga-nya, tergantung jenis output sinyal yang diinginkan. Output sinyal

analog ini

umumnya berupa besaran arus (4 – 20 mA, 0 – 20 mA) atau besaran tegangan (0-5 V, 0 –10 V). Pengkondisian signal analog dibagi kedalam dua cara, yaitu pengkondisian signal pasif dan aktif.



3.1. Pengkondisian Signal Pasif Pengkondisian signal pasif dalam proses bekerjanya tidak membutuhkan power supply dari luar dan umumnya hanya menggunakan komponen-komponen pasif. Penggunaan cara ini mempunyai kekurangan, yaitu karena signal yang dikondisikan menjadi satu dengan power supply-nya. Adapun macam pengkondisi signal pasif antara lain :

A. Penguat Frekuensi Tinggi dan Frekuensi Rendah

Penguat frekuensi umumnya disebut filter, baik frekuensi rendah maupun frekuensi tinggi. Frekuensi kritisnya sebesar ½ πRC dengan harga penguatan minimal 0.707. Bentuk rangkaiannya dapat dilihat pada gbr 3.1 dan 3.2

R 10 Ohm

C 1 mF

C 1mF

R 10 Ohm

Gbr.3.1. Filter Frekuensi Rendah

Gbr.3.2. Filter Frekuensi tinggi

Filter frekuensi diformulasikan sebagai penguatan fungsi ratio ratio ferkuensi ( x = f/fr ) sebagai berikut: Frekuensi rendah :

VLr

=


1 ( 1 + x )


Frekuensi tinggi

:

VHr

=

x

(1 + x )

Dimana : VLr = rasio tegangan filter frekuensi rendah VHr = rasio tegangan filter ferkuensi tinggi X

= rasio frekuensi

B. Voltage Devider Voltage Devider atau pembagi tegangan mempunyai karakteristik hampir sama dengan penguat frekuensi dimana nilai penguatannya ( gain ) maksimum sama dengan inputnya. Bentuk phisiknya berupa dua buah resistor (potensiometer). Input devider berupa tegangan baik DC maupun AC. Dari gambar 3.3 dapat dilihat bahwa harga outputnya sangat tergantung pada nilai resistornya.

Vr V in R

Vout

Gbr.3.3. Voltage Devider

Formulasinya sebagai berikut :

Vout = R2/R1+R2 x Vin



3.2.

Pengkondisian Signal Aktif

Pengkondisian signal aktif

adalah suatu pengkondisi sinyal dimana pada

rangkaiannya memerlukan power supply luar dan umumnya menggunakan komponen semikonduktor (Transistor/IC). Dalam aplikasinya pengkondisian aktif dapat berupa rangkaian Op Amp maupun converter. Nilai penguatannya tergantung pada nilai tegangan operasi (Voltage Swing) serta jenis komponen yang digunakan. Simbolnya dapat dilihat pada gbr. 3.4 +vcc Non Inverting Input

+ Vout Inverting input

- Vcc

Gbr. 3.4. Symbol Op-Amp

Sifat dasar Op Amp ideal adalah : 

Mempunyai penguatan yang cukup besar ( 10.000 s/d 100.000 kali )



Mempunyai Impedansi Input (Zin) yang sangat besar (mendekati ∞ )



Mempunyai Impedansi keluaran (Zout) yang kecil

Op Amp pada kondisi kerjanya membutuhkan komponen tahanan atau resistor sebagai kompensator. Pada kondisi tanpa feedback (Rf tidak ada) maka antara Vin dan Vout akan terjadi perbedaan polaritas, tetapi besarnya Vout tidak dapat dikendalikan besarnya. Penambahan resistor Rf sebagai feedback mengakibatkan penjumlahan arus yang seimbang dengan besarnya tahanan feedback.


PENGANTAR TEKNIK PENGUKURAN Adapun jenis Op Amp menurut aplikasinya dapat dibagi menjadi beberapa fungsi, antara lain : a. Inverting Amplifier b. Non Inverting Amplifier c. Penjumlah (summing amplifier) d. Intregator e. Differentiator

A. Inverting Amplifier

Inverting Amplifier

berfungsi untuk merubah polaritas signal input. Gambar

rangkaian Inverting Amplifier dapat dilihat pada gambar 3.5. berikut : Rf

I1 R1

If

-

Vout

I2

+ Vin

RL

Gbr.3.5. Inverting Amplifier

Dari gambar rangkaian diatas dapat diformulasikan bahwa :

Vout = - ( Rf/R1 x Vin )


PENGANTAR TEKNIK PENGUKURAN B. Non Inverting Amplifier Rf

I1

R1

A

If

-

Vout

I2 B

+ RL

V in

Gbr. 3.6. Non Inverting Amplifier

Dari rangkaian diatas dapat diformulasikan sebagai berikut :

Vout = ( 1 + Rf/R1 ) Vin

C. Rangkaian Penjumlah (Summing Amplifier) Rf R1 V1 R2 V2

Vout

R3 V3

RL

Gbr. 3.7. Rangkaian Penjumlah (Summing Amplifier)


PENGANTAR TEKNIK PENGUKURAN Formulasi totalnya adalah sebagai berikut :

Vout = -(Rf/R1. V1 + Rf/R2. V2 + Rf/R3. V3)

Jika R1 = R2 = R3, maka :

Vout = -(V1+V2+V3)

D. Rangkaian Integrator C1

R1 Vout Vin

RL

Gbr. 3.8. Rangkaian Integrator

Formulasinya adalah sebagai berikut :

I1 + I2 = 0 I2 = - I1 C

dVout dt

=−

Vin

Vout

R


= −∫

Vin RC

dt


E. Rangkaian Differentiator R1

C1 Vin

Vout

RL

Gbr. 3.9. Rangkaian Differentiator

Formulasinya adalah sebagai berikut : I1 + I2 = 0 I2 = - I1 Vout R

3.3.

= − C

dVin

Vout

dt

= − RC

dVin dt

Pengkondisian Signal Digital

Pengkondisian signal digital merupakan hal yang sangat penting dalam teknik pengukuran, hal ini dikarenakan tekhnologi sekarang hampir semuanya memakai sistem digital, baik itu untuk keperluan sistem monitoring maupun sistem pengaturan. Pada prinsipnya ada dua metoda pengkondisian signal digital, yaitu Analog to Digital Converter (ADC) dan Digital to Analog Converter (DAC). Pada aplikasinya tidak semua sinyal analog harus dikondisikan menjadi sinyal digital atau sebaliknya, karena umumya konversi sinyal tersebut sudah dapat dilakukan didalam controllernya, kecuali untuk keperluan-keperluan tertentu tanpa menggunakan controller, pengkondisian ini perlu dilakukan.


Pengantar Teknik Pengukuran

Recommend Documents