DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES

Transkripsi

1 02 DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES Tujuan: Mempelajari dasar-dasar instrumentasi proses yang menunjang kelangsungan sistem pengendalian proses Materi: 1. Karakteristik Pengukuran (Measurement Characteristics) 2. Pengukuran Suhu (Temperature Measurement) 3. Pengukuran Tekanan (Pressure Measurement) 4. Pengukuran Volume/Level (Level Measurement) 5. Pengukuran Laju Aliran (Flow Measurement) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 1

2 2.1 Karakteristik Pengukuran Tujuan dasar instrumentasi proses untuk mendapatkan informasi penting (P, V, T, F, C) yang berkaitan dengan kelangsungan proses Pengukuran (Measurement) Suatu perbandingan sebuah kuantitas yang tidak diketahui nilainya dengan suatu nilai standar (dalam satuan tertentu) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 2

3 2.1 Karakteristik Pengukuran Measuring: Mengukur nilai variabel proses Instrument Indicating: Menujukkan nilai variabel proses Recording: Mencatat nilai variabel proses 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 3

4 2.1 Karakteristik Pengukuran Elemen-Elemen Pengukuran Measured Medium Measured Quantity Primary Sensing Element Variable Conversion Element Variable Manipulation Element Observer Presented data Data Presentation Element Data Transmission Element Gambar Elemen-elemen fungsional dari sistem instrumen 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 4

5 2.1 Karakteristik Pengukuran PSE menerima energi dari media yang diukur dan menghasilkan output yang besarnya tergantung dari kuantitas yang diukur. VCE mengubah/mengkonversi output PSE menjadi variabel fisik, seperti tegangan (voltage), jarak perpindahan (displacement) VME memanipulasi sinyal var. fisik untuk menghasilkan sinyal instrumen yang diinginkan. DTE mengirim (transmit) data dari elemen satu ke elemen lain. DPE menunjukkan hasil pengukuran pointer yang bergerak di sepanjang skala ukur catatan pena pada sebuah kertas) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 5

6 Gambar Filled system thermometer 2.1 Karakteristik Pengukuran Gear mechanism Pointer Scale Spiral bourdon tube Capillary tube Temperature bulb (liquid or gas) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 6

7 2.1 Karakteristik Pengukuran Gambar Elemen-elemen fungsional dari sistem termometer Fluid Temperature tube Tubing Measured Medium Temp. Measured Quantity Primary Sensing Element Variable Conversion Element Pressure Data Transmission Element Scale and Pointer Linkage Gear Spiral Bourdon Tube Pressure Observer Presented data Data Presentation Element Motion Variable Manipulation Element Motion Variable Conversion Element 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 7

8 2.1 Karakteristik Pengukuran Karakteristik Kinerja Instrumen Kar. Statis: Calibration Accuracy Precision Reproducibility Drift Sensitivity Resolution Dead Zone Kar. Dinamis: Backlash True Value Static Error Mistake Systematic error Random Error Source of Error Speed of Response Fidelity Lag Dynamic Error Zero-Order Instrument First-Order Instrument Second-Order Instrument 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 8

9 2.1 Karakteristik Pengukuran Kalibrasi (calibration) Penentuan nilai ukur dalam suatu skala bacaaan; biasanya menghasilkan output: voltage, current, frequency, pressure, flow. Langkah-langkah penting dalam kalibrasi: 1. Uji konstruksi instrumen dan tentukan semua input yang mungkin 2. Tentukan input yang akan diterapkan untuk kalibrasi instrumen 3. Siapkan peralatan yang mengijinkan semua input bervariasi di dalam rentang (range) yang diperlukan 4. Dengan menjaga beberapa input konstan, variasikan input lain, catat outputnya, susun hubungan (persamaan) input-output 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 9

10 Akurasi (accuracy) 2.1 Karakteristik Pengukuran Kemampuan suatu alat atau sistem untuk menanggapi nilai nyata variabel yang diukur di bawah kondisi reference. Dalam praktiknya, akurasi dinyatakan dalam batas error (limit of error) dari alat ukur atau sistem di bawah kondisi operasi tertentu yang mungkin sudah/belum ditentukan. Presisi (precision) Derajat kebenaran (degree of exactness) dari sebuah istrumen Contoh: sebuah resistor mempunyai nilai tahanan (nyata) Ω Jika diukur dengan multimeter, terbaca 1,5 MΩ. Pengamat tidak dapat membaca nilai yang sesungguhnya (pada skala). Meskipun tidak ada kesalahan pembacaan, namun kesalahan atau error muncul akibat dari skala bacaan (disebut precision error) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 10

11 Reproducibility 2.1 Karakteristik Pengukuran Kedekatan hasil pengukuran output yang dilakukan berulang-ulang, dengan input dan kondisi operasi yang sama dalam periode waktu tertentu. Perfect Reproducibility: instrumen tidak mempunyai drift (kalibrasinya tidak bergeser dalam periode waktu panjang: minggu, bulan, tahun) Drift Sebuah perubahan yang tidak diinginkan atau variasi output secara gradual dalam periode waktu. Jadi jika drift terjadi, korelasi antara inputoutput tidak dapat dibuat. Drift biasanya muncul jika instrumen sudah kuno. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 11

12 Sensitivity 2.1 Karakteristik Pengukuran Perbandingan (ratio) dari perubahan output terhadap perubahan input, pada kondisi tunak. Resolution Nilai inkremen terkecil dari sebuah input atau output yang dapat dideteksi Jika inkremennya kecil fine resolution Dead Zone besar coarse resolution Rentang terbesar dari varabel terukur yang tidak dapat direspon oleh instrumen, kadang-kadang disebut dead spot atau hysteresis. Dead zone biasanya terjadi pada instrumen penunjuk (indicating) atau pencatat (recording). 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 12

13 Backlash 2.1 Karakteristik Pengukuran Disebut juga mechanical hystersis: kehilangan gerak yang mungkin terjadi pada elemen mekanik (gear, linkage, atau peralatan transmisi mekanik lainnya) karena terputus hubungan (kait-nya tidak kuat). True Value Nilai variabel terukur yang terbebas dari error True value = Instrument reading Static error Static Error Perbedaan numeris antara nilai sesungguhnya dengan nilai yang diukur oleh instrumen Mistake Kesalahan yang disebabkan oleh manusia (ketidak-telitian membaca, penerapan instrumen yang kurang tepat, kesalahan komputasi) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 13

14 Systematic Error 2.1 Karakteristik Pengukuran Kadang-kadang disebut bias; deviasi seragam dari titik titik pengukuran sebuah instrumen. Ada 2 jenis: 1. Instrumental error: disebabkan oleh instrumen (friksi pada bearing, tegangan pegas/spring) dihindari dengan: (a)pemilihan instrumen yang tepat (b)penerapan faktor koreksi setelah penentuan besarnya error (c)kalibrasi instrumen terhadap alat standar. 2. Environmental error: disebabkan oleh kondisi eksternal (efek suhu, humiditas, tekanan barometrik) dihindari dengan: (a)menyediakan penyejuk ruangan (AC) (b)melapisi komponen tertentu dalam intrumen (c)menggunakan perlindungan (shield) magnetik 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 14

15 Random Error 2.1 Karakteristik Pengukuran Error yang tidak diketahui penyebabnya. Error ini biasanya kecil, dan mungkin dapat ditangani secara matematis menurut hukum probabilitas. Sources of Error 1. Pengetahuan yang tidak cukup tentang parameter proses dan kondisi perancangan. 2. Perancangan yang pas-pasan (poor design) 3. Perubahan parameter proses 4. Perawatan yang tidak baik (poor maintenance) 5. Error karena manusia yang mengoperasikan instrumen 6. Keterbatasan perancangan 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 15

16 Karakteristik Dinamis 2.1 Karakteristik Pengukuran Instrumen jarang menanggapi secara spontan perubahan variabel terukur. Malah, ada juga yang menunjukkan sifat lambat (slowness/sluggishness) karena sesuatu seperti: massa, kapasitas termal, kapasitas fluida, atau kapasitas elektrik. Pure Delay (keterlambatan) sering dijumpai ketika instrumen menunggu beberapa reaksi untuk menanggapi perubahan variabel terukur. Instrumen industri selalu digunakan untuk mengukur kuantitas yang berfluktuasi. kelakuan dinamik dari sebuah instrumen sangat penting untuk dipelajari (lebih penting d.p. kelakuan statik). Kelakuan dinamik dari intrumen dapat dipelajari dengan melakukan variasi var. terukur a.l. step change, linear change, sinusoidal change. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 16

17 Speed of Response 2.1 Karakteristik Pengukuran Kecepatan instrumen dalam menanggapi perubahan variabel terukur. Fidelity Tingkat kepercayaan instrumen dalam menanggapi perubahan variabel terukur tanpa error dinamik. Lag Keterlambatan dalam menanggapi perubahan variabel terukur. Dynamic Error Perbedaan antara nilai nyata yang bervariasi karena waktu dengan nilai yang ditunjukkan oleh instrumen 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 17

18 Respon Dinamik Instrumen Order Nol 2.1 Karakteristik Pengukuran Hubungan input dan output: a n n d x d o + a n n 1 dt dt d x + bm 1 dt m 1 i m 1 x n 1 o n 1 + L+ + L+ b 1 a 1 dx dt i dx dt o + b + 0 x a i 0 x o = b m d x dt m i m Dimana: x o = output ; x i = intput ; t = time a s, b s = parameter fisik (diasumsi konstan). (2.1.1) Jika a s, b s = 0 Ideal or perfect dynamic performance (no lag or no distortion) a0 x0 = b0 x b0 K = = a 0 static sensitivity 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 18 i b0 x 0 = x i = Kx i a 0 Order nol. (2.1.2). (2.1.3). (2.1.4)

19 Respon Dinamik Instrumen Order Satu 2.1 Karakteristik Pengukuran Hubungan input dan output: a a 1 o + xo = 0 dx dt b a 0 0 dx dt o a1 + a0xo = b0 x i x i. (2.1.5). (2.1.6) dimana: dx τ dt τ = o a a 1 = 0 + x o = Kx Transformasi Laplace: time cons tant b0 K = = a i 0 x x o i = K τ s +1 static Order satu sensitivity. (2.1.7). (2.1.8). (2.1.9) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 19

20 Respon Dinamik Instrumen Order Dua 2.1 Karakteristik Pengukuran Hubungan input dan output: 1 ( ω ) n 2 2 d x dt o 2 2ζ dx + ω dt n o d x dt dx dt 2 o o a2 + a1 + a0xo = b x o = Kx i x Order dua i. (2.1.10). (2.1.11) Transformasi Laplace: dimana: ω a0 undamped natural frequency, [ rad / time] a2 a1 ζ = = damping ratio a a n = = x x o i = 2 s ω 2 n K = ζ τ s + s + 1 ω n K + 2ζτs + 1. (2.1.12). (2.1.13). (2.1.14) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 20

21 2.2. Pengukuran Suhu Gb Rentang/skala suhu. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 21

22 2.2 Pengukuran Suhu Beberapa Metode Pengukuran Suhu 1. Expansion Thermometer Expansion of solid Expansion of liquid Expansion of gas 2. Filled-System Thermometer Liquid-filled thermometer Vapor-pressure thermometer Mercury-filled thermometer 3. Electrical Temperature Instrument Radiation pyrometer 4. Pyrometer Optical pyrometer Resistance thermometer Thermocouple Thermistor 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 22

23 2.2 Pengukuran Suhu Bimetallic Thermometer tetap Tersedia: 103 s.d o F atau 75 s.d. 540 o C Gb Bimetallic Strips Ekspansi elemen bimetallic (dua strip logam). Masing-masing strip logam mempunyai koefisien ekspansi termal berbeda. Ketika strip dipanaskan, seiring dengan naiknya suhu, keduanya berekspansi dengan panjang berbeda (Gb ). Jarak ekspansi proporsional terhadap pangkat dari panjang strip dan berbanding terbalik dengan tebal strip (logam). Pergerakan bimetallic digunakan menggerakkan pointer sehingga melintasi skala kalibrasi suhu. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 23

24 2.2 Pengukuran Suhu Gb Thermometer with spiral bimetallic element. Digunakan di rumah dan di kantor sebagai indikator suhu lingkungan. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 24

25 2.2 Pengukuran Suhu Gb Thermometer with helical bimetallic element 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 25

26 2.2 Pengukuran Suhu Liquid in Glass Thermometer Gb Liquid in glass thermometer Salah satu alat ukur suhu yang paling sederhana, dan digunakan di laboratorium dan industri. Range: 18.4 s.d. 608 o F atau 120 s.d. 320 o C Alkohol : untuk suhu sangat rendah Merkuri : untuk suhu tinggi (merkuri membeku pada suhu 39 o C). Mudah pecah dan tidak mudah beradaptasi dengan perubahan suhu, sehingga penggunaannya di industri terbatas. Tidak digunakan, jika suhu berfluktuasi akan diukur dengan akurasi tinggi. Termometer gelas berisi air raksa yang digunakan di industri: tangki terbuka berisi cairan, kettle, steam line,dan aliran fluida dalam pipa. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 26

27 Liquid in Metal Thermometer 2.2 Pengukuran Suhu Kelemahan termometer gelas diatasi dengan penggunaan termometer logam. Glass bulb diganti dengan steel bulb Merkuri digunakan sebagai cairan, karena tidak kelihatan, bourdon tube digunakan untuk mengukur perubahan volume cairan. Ketika suhu naik, volume merkuri dalam bulb mengembang, bourdon tube cenderung untuk lurus, sehingga dapat menggerakkan pointer. Gb Liquid in metal thermometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 27

28 2.2 Pengukuran Suhu Rentang suhu dari cairan yang digunakan dalam termometer logam: Cairan Mercury Xylene Alcohol Ether Cairan organik lain Rentang suhu ( o F) 3 s.d s.d s.d s.d s.d Rentang suhu ( o C) 39 s.d s.d s.d s.d s.d DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 28

29 Filled-system Thermometer 2.2 Pengukuran Suhu Jika bulb dipanaskan atau didinginkan, maka fluida didalamnya mengembang atau berkontraksi, sehingga bourdon tube bergerak. Perpindahan bourdon tube menggerakan pointer untuk membaca suhu. Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene, toluene. Koefisien ekspasi xylene adalah 6 kali mercury. Gb Filled-system thermometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 29

30 2.2 Pengukuran Suhu Liquid-filled Thermometer Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene, toluene. Koefisian ekspasi xylene adalah 6 kali koef ekspansi mercury, jadi memungkinkan perancangan bulb kecil. Kadang-kadang, air digunakan sebagai pengisi bulb Kriteria yang harus dipenuhi: 1. Tekanan sistem (di dalam bulb) harus lebih besar daripada tekanan uap cairan pengisi, untuk mencegah penguapan. 2. Cairan pengisi tidak boleh membeku supaya tidak mengganggu kalibrasi/pembacaan suhu. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 30

31 2.2 Pengukuran Suhu Vapor-pressure Thermometer Bulb sebagian berisi cairan, kapiler dan bourdon berisi gas. Cairan mendidih dan menghasilkan gas/uap yang mengisi kapiler dan bourdon. Cairan terus mendidih sampai mencapai tekanan uapnya. Di titik P vap cairan berhenti mendidih, kecuali jika suhu naik. Saat suhu turun, sebagian uap mengembun, dan tekanan turun. Gb Vapor-pressure thermometer Karena perubahan tekanan ini, bourdon menggerakkan pointer yang dapat mengindikasikan suhu. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 31

32 2.2 Pengukuran Suhu Rentang suhu cairan yang digunakan dalam vapor-pressure thermometer Cairan Suhu kritis Titik didih Rentang suhu yang tersedia Argon 122 o C o C Untuk mengukur suhu sangat rendah (sampai 253 o C) Methyl chloride 143 o C 23.7 o C 30 s.d. 130 o F (0 s.d. 50 o C) Sulphur dioxide 157 o C 10 o C 30 s.d. 120 o C Ethyl-alcohol 243 o C 78.5 o C 200 s.d. 350 o F Toluene 321 o C o C 150 s.d. 250 o C Ethyl-chloride 187 o C 12.2 o C 30 s.d. 100 o C Bulane (n) 154 o C 0.6 o C 60 s.d. 130 o F (20 s.d. 80 o C) Methyl bromide o C 80 s.d. 180 o F Di-ethyl ether 194 o C 34.5 o C 130 s.d. 300 o F (60 s.d. 160 o C) Water 375 o C 100 o C 120 s.d. 220 o C 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 32

33 2.2 Pengukuran Suhu Mercury-filled Thermometer Similar dengan liquid-filled thermometer, keduanya dipisahkan karena karakteristik mercury yang unik dan kepentingannya dalam pengukuran suhu medium. Karakteristik Mercury : mendukung operasi elemen pengendalian akurasi cukup tinggi respon cepat Gb Types of thermometer bulbs Rentang tekanan tinggi: 400 s.d psig 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 33

34 2.2 Pengukuran Suhu Perbandingan beberapa fluida pengisi pada filled-system thermometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 34

35 Electrical Temperature Instruments 2.2 Pengukuran Suhu Resistance Thermometer Karena tahanan logam tertentu berubah dengan berubahnya suhu, sifat ini digunakan untuk mengukur suhu. Jika T maka R (vice versa). Elemen tahanan biasanya panjang (dibentuk spiral), diselubungi dengan porselin untuk mencegah hubungan singkat antara wire dan metal sheath. Jenis-jenis dan nickel. logam: platinum, copper, Gb Resistance thermometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 35

36 2.2 Pengukuran Suhu Karakteristik beberapa RTD 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 36

37 2.2 Pengukuran Suhu Thermocouple Prinsip kerja thermocouple tergantung dari pengaruh thermoelectric. Gb Thermocouple Jika salah satu junction dipanaskan, arus mengalir dalam circuit dan dideteksi oleh galvanometer. Jumlah arus yang dihasilkan tergantung dari perbedaan suhu antara dua junction dan karakteristiknya. Hal ini pertama kali diteliti oleh Seeback (1821) sehingga dikenal dengan Seeback Effect. Cocok untuk digunakan sebagai salah satu element pengendalian (sensor element for control system). 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 37

38 2.2 Pengukuran Suhu Penerapan thermocouple Gb Penerapan thermocouple 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 38

39 2.2 Pengukuran Suhu Gb EMF chart for various thermocouples with free end at 0 o C 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 39

40 Radiation Pyrometer 2.2 Pengukuran Suhu Pyrometry adalah salah satu teknik pengukuran suhu tanpa kontak fisik, tetapi suhu fluida dideteksi dengan mengukur radiasi elektromagnetik. Gb Radiation pyrometer Dalam pyrometer radiasi, sebuah bodi hitam digunakan untuk menyerap panas. Lensa digunakan untuk menyatukan (focus) energi radiasi dari bodi. Radiasi energi diterima oleh detector (thermocouple, thermophile), dan diteruskan ke recorder, sehingga suhu fluida dapat dibaca. Pryrometer dapat mengukur suhu tinggi (>1400 o C) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 40

41 Optical Pyrometer Gb Industrial optical pyrometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 41

42 2.3. Pengukuran Tekanan Definisi: P = F A. (2.3.1) Pressure Barometric Pressure Total or Absolute Pressure (Psia) Gauge Pressure Vacuum Absolute Pressure Atmospheric Reference (Standard Atmospheric Pressure = 760 mm Hg = in Hg = psia) Absolute Reference Gb Hubungan antara tekanan absolut, gauge, dan barometrik. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 42

43 2.3 Pengukuran Tekanan Beberapa Metode Pengukuran Tekanan 1. Manometer method (paling sederhana) 2. Elastic Pressure Transducers U-tube manometer Well-type manometer Barometer Micromanometer C-type bourdon tube pressure gauge Diaphragm pressure transducer Bellows 3. Pressure measurement by measuring vacuum 4. Force-Balance Pressure Gauge 5. Electrical pressure Transducer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 43

44 U-tube manometer 2.3 Pengukuran Tekanan Gb U-tube manometer ( P P ) = ( ρ ρ )( h h ) 1 2 l 1 2 P = Dimana: ( ρ ρ )gh l g ρ = densitas fluida di dalam U-tube ρ l = densitas fluida yang diukur tekanannya h = (h 1 h 2 ), perbedaan ketinggian fluida dalam U-tube g = percepatan grafitasi. (2.3.2) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 44

45 Well-type manometer 2.3 Pengukuran Tekanan Banyak digunakan karena pengukurannya lebih mudah: pembacaan hanya pada salah satu leher tube. Akurasi tinggi dapat tercapai jika zero-level pada well diset pada zero-level pada skala sebelum pembacaan dilakukan Gb Well-type manometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 45

46 Barometer 2.3 Pengukuran Tekanan Alat ukur tekanan absolute dengan rentang tekanan dari zero absolute sampai atmospheric pressure. Biasanya dinyatakan dalam mm Hg. Gb Barometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 46

47 Elastic Pressure Transducer Menggunakan elemen sensor elastis: Bourdon tube, bellows, dan diaphragm. C-type bourdon tube pressure gauge 2.3 Pengukuran Tekanan Gb C-type bourdon tube pressure gauge 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 47

48 2.3 Pengukuran Tekanan Diaphragm Pressure Transducer Digunakan secara luas untuk tekanan gauge; dan dapat mendeteksi tekanan rendah: 0 4 mm. (a) Metallic Diaphragm (b) Slack Diaphragm Gauge Gb Diaphragm pressure transducer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 48

49 Bellows Digunakan untuk mengukur tenakan absolut (tekanan rendah) Range: tekanan rendah sampai mmhg (3 psi) ; atau sampai 40 mmhg, jika bellows dibuat cukup besar. 2.3 Pengukuran Tekanan Gb Bellows pressure element Gb Differential Bellows Gauge 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 49

50 2.4. Pengukuran Level Merupakan salah satu pengukuran tertua Penting dalam proses industri berpengaruh terhadap tekanan dan laju alir masuk dan keluar tangki. Metode Pengukuran: Langsung: Sight Glass Float-type Sight glass for an open tank High pressure sight glass Float-operated liquid level indicator Hydraulic transmission system Tak-langsung: Hydrostatic pressure type Press. Gauge method Air bellows Air purge system Capacitance level indicator Electrical method Radiation level detector 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 50

51 2.4 Pengukuran Level Sight Glass Gb Sight glass for an open tank Disebut juga gauge glass; digunakan untuk pengukuran level cairan dalam tangki secara kontinyu. Ketika level cairan dalam tangki bergerak naik atau turun, level cairan dalam sight glass juga bergerak naik dan turun, shg level dapat dibaca pada skala. Cairan dalam sight glass boleh tidak sama dengan cairan dalam tangki. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 51

52 2.4 Pengukuran Level Sight Glass (lanjutan) Batasan: Panjang glass 900 mm. Jika lebih; 2 atau lebih sight glass harus disediakan untuk level yang berbeda. Gb High pressure sight glass Mampu menahan tekanan: 350 psi (steam 252 o C) 1000 psi (cairan) Untuk tekanan tinggi, sight glass harus dihubungkan dgn tangki pada bagian atas dan bawah (Gb ). Jika tidak perbedaan tekanan antara tangki dan sight glass akan menyebabkan kesalahan pembacaan. Valve dipasang untuk mencegah pecahnya glass. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 52

53 2.4 Pengukuran Level Sight Glass (lanjutan) Kelebihan: 1. Pembacaan langsung sangat memungkinkan. 2. Perancangan khusus tersedia untuk penggunaan sampai 316 o Cdan 1000 psi. 3. Glass tahan terhadap korosi. Kekurangan: 1. Hanya dapat dibaca di lokasi tangki. 2. Cairan di dalam sight glass mungkin membeku pada musim dingin, sehingga menyebabkan kesalahan pembacaan. 3. Cairan yang mengandung padatan tak-larut atau (viscous) tidak dapat diukur levelnya dengan baik. cairan kental 4. Akurasi tergantung pada kebersihan glass dan cairan. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 53

54 2.4 Pengukuran Level Float-Type Level Indicator Pergerakan float ditransmisikan melalui stainless steel atau phosphor bronze flexible cable ke pointer, dan pointer menunjukkan ketinggian cairan dalam tangki. Standard Liquid Level: ½ ft 60 ft (0,15 1,52 m) Gb Float-operated liquid level indicator 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 54

55 2.4 Pengukuran Level Float-Type Level Indicator Level cairan dapat ditransmisikan ke suatu tempat dengan sistem transmisi hidrolik Empat elemen bellow terhubungkan satu sama lain melalui pipa berisi minyak: 2 di receiver (A & B) Gb Hydraulic Transmission System for Level Indication 2 di transmitter (C & D) Float naik: A mengembang dan B tertekan, minyak di pipa mengalir dari B ke C, dan D ke A, pointer bergerak ke kanan; Bagaimana jika sebaliknya? Transmisi Level : sampai 250 ft (6,35 m) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 55

56 2.4 Pengukuran Level Float-Type Level Indicator (lanjutan) Kelebihan: 1. Memungkinkan membaca level cairan di dalam tangki dari level dasar, meskipun tangki dipasang di daerah bawah tanah. 2. Beaya murah, dan perancangannya terpercaya. 3. Dapat dioperasikan pada suhu yang relatif tinggi. 4. Terdapat berbagai pilihan material yang tahan korosi untuk merancang tipe ini. Kekurangan: 1. Terbatas untuk pengukuran level menengah (moderate). 2. Bentuknya disesuaikan dengan geometri tangki. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 56

57 2.4 Pengukuran Level Pressure Gauge Method Metode paling sederhana untuk pengukuran level tangki terbuka Tekanan hidrostatik: Gb Open Tank Pressure Indicator Dimana: P = ρ h S g Level cairan: h = P ρ S g. (2.4.1). (2.4.2) P = tekanan: psi atau N/m 2 ρ = densitas air S g = specific gravity h = tinggi cairan P ext = tekanan cairan eksternal (tangki tertutup) Jika tangki tertutup: P = ρ h S g + P. (2.4.3) ext 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 57

58 2.4 Pengukuran Level Air Bellows Ketika instrumen tidak dapat diletakkan di datum tertentu, dipilih air bellows Bellows element dihubungkan dengan press indicator menggunakan pipa. Gb Flexible air bellows Ketika tangki kosong, udara tidak tertekan dan menunjukkan tekanan nol. Saat tangki terisi cairan, udara dalam bellows tertekan, dan pointer bergerak menunjukkan tekanan cairan dalam tangki. Tekanan ini dikalibrasikan menjadi tinggi cairan (level). 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 58

59 2.4 Pengukuran Level Air Bellows Aplikasi Industri. Liq seal digunakan untuk pengukuran level cairan yang korosif atau viscous. Gb A closed box air bellows connected to the pressure fluid tank 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 59

60 2.4 Pengukuran Level Air Purge System Bubbler tube Cocok untuk semua cairan Gb Air purge system Jika tangki kosong, udara keluar dari tube, dan tidak ada tekanan balik sehingga tekanan nol. Jika tinggi cairan bertambah, aliran udara terhambat oleh ketinggian cairan tsb, menghasilkan tekanan balik yang menyebabkan pointer bergerak. Pergerakan pointer dikalibrasikan menjadi besaran tinggi cairan. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 60

61 2.4 Pengukuran Level Capacitance Level Indicator Parallel plate capacitor: A C = K. (2.4.4) D Dimana: Gb Capacitance level indicator C = capacitance: farad K = konstanta dielektrik A = luas plate, m 2 h = jarak dua plate: m Jika tinggi cairan naik: capacitance naik, begitu juga sebaliknya. Naik turunnya capacitance dikalibrasikan ke dalam term level cairan 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 61

62 Capacitance Level Indicator Kelebihan: 1. Sangat berguna untuk sistem dengan ukuran sangat kecil. 2. Sangat sensitif. 3. Cocok untuk sistem pengendalian atau untuk indikasi kontinyu. 4. Baik untuk slurry. 5. Prob material untuk fluida korosif tersedia Kekurangan: 2.4 Pengukuran Level 1. Kinerjanya dipengaruhi oleh pengotor fluida, karena pengotor dapat mengubah konstanta dielektrik. 2. Sensitif terhadap perubahan suhu. 3. Fluida tertentu harus menggunakan Prob yang cocok. 4. Panjang prob harus sesuai dengan panjang dinding tangki. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 62

63 2.4 Pengukuran Level Radiation Level Detector Gamma ray Digunakan ketika, metode elektrik yang lain tidak memungkinkan Tidak memerlukan kontak dengan cairan yang diukur. Gb Radiation type level indicator Jika tangki kosong: γ ray menembus dua dinding tangki dan udara dalam tangki. Jika tangki berisi cairan: cairan dalam tangki mengurangi radiasi γ ray. Besarnya radiasi berbanding terbalik dengan volume cairan dalam tangki. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 63

64 Radiation Level Detector 2.4 Pengukuran Level Kelebihan: 1. Tidak ada kontak fisik dengan cairan. 2. Cocok untuk cairan: korosif, abrasif, viscous, adherent 3. Cocok untuk sistem suhu dan tekanan tinggi. 4. Mempunyai akurasi dan respon yang baik. 5. Tidak mempunyai bagian yang bergerak. Kekurangan: 1. Pembacaannya dipengaruhi oleh perubahan densitas cairan. 2. Source holder mungkin sangat berat. 3. Harga relatif mahal 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 64

65 2.5. Pengukuran Laju aliran Merupakan pengukuran tertua di bidang Instrumentasi Menentukan jumlah material yang masuk atau keluar proses. Metode pengukuran laju aliran: 1. Inferential type flowmeter Akan dibahas 2. Quantity flowmeter 3. Mass flowmeter Inferential type flowmeters Variable head or differential meter Variable area meter Turbine meter Thermal meter 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 65

66 2.5 Pengukuran Laju Aliran Variable Head or Differential Meter Salah satu metode tertua dan sering digunakan di industri Dari teori Bernoulli: Laju volumetrik q = c ( p p ) d. A2 ρ ( 4 1 β ) 1 2. (2.5.1) Gb Differential Pressure Flowmeter Laju alir massa m = C A2 2( p1 p2 )ρ. (2.5.2) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 66

67 2.5 Pengukuran Laju Aliran Dimana: q = laju alir volumetrik m = laju alir massa A = Luas penampang orifice h = differential head (pressure) melewati tahanan dalam pipa cd C = cons tan t 4 1 β = c d = discharge coefficient β = diameter ratio = d ( diameter of restriction element) D( inside diameter of the pipe) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 67

68 2.5 Pengukuran Laju Aliran Gb Orifice Plates 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 68

69 2.5 Pengukuran Laju Aliran Gb Venturi tubes: (a) Classic ; (b) Eccentric ; (c) Rectangular 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 69

70 A copper aspirator. The water inlet and outlet are at the top and bottom, respectively; the air inlet is on the side. This is a Venturi tube demonstration apparatus built out of PVC pipe and operated with a vacuum pump 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 70

71 2.5 Pengukuran Laju Aliran Variable Area Flowmeter Gb Rotameter 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 71

72 2.5 Pengukuran Laju Aliran Turbine Flowmeter Aplikasi: + Militer + Sistem pencampuran (industri petroleum) Gb Turbine Flowmeter + Aerospace and airborne + Cryogenic (liq. O 2 and N 2 ) Cocok untuk pengukuran cairan dan gas dengan laju alir sangat rendah. Akurasi: ±1/4 s.d. ±1/2 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 72

73 2.5 Pengukuran Laju Aliran Liquid Measuring Devices: Liquid/Gas Ultrasonic Flow Meter Liquid Turbine Flow Meter Orifice Plates 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 73

74 Gas Measuring Devices 2.5 Pengukuran Laju Aliran Orifice plate flowmeter Gas Turbine Flowmeter Flow Nozzles Orifice plate holder Mini Gas turbine flowmeter Venturi tubes 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 74

75 2.5 Pengukuran Laju Aliran Thermal Flowmeter Sangat populer untuk pengukuran aliran gas tidak tunak. Ada 2 : heat transfer flowmeter dan hot-wire flowmeter. ( ) Q = WCP T 2 T 1 W = C P Q ( ) T 2 T 1. (2.5.3). (2.5.4) Dimana: Gb Heat transfer flowmeter Q = perpindahan panas W = laju alir massa fluida C P = Kapasitas panas fluida T 1 = suhu fluida sebelum dipanaskan T 2 = suhu fluida setelah dipanaskan 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 75