PENGANTAR SISTEM PENGUKURAN Teknik pengukuran telah berperan penting sejak awal peradaban manusia, ketika pertama kali digunakan untuk mengatur transfer barang dalam perdagangan barter agar terjadi pertukaran yang adil. Revolusi industri pada abad kesembilan belas telah menimbulkan perkembangan pesat pada instrumen dan teknik pengukuran yang baru untuk memenuhi kebutuhan produksi. Sejak saat itu, terjadi pertumbuhan besar dan cepat dalam teknologi industri. Hal ini dapat dilihat terutama pada akhir abad ke dua puluh, yang didorong oleh perkembangan elektronik dan komputer. Pada gilirannya, pertumbuhan industri secara paralel memerlukan perkembangan instrumen dan teknik pengukuran yang baru. Pertumbuhan besar dalam aplikasi komputer untuk kontrol proses industri dan monitoring menyebabkan munculnya kebutuhan akan instrumen untuk mengukur, merekam dan mengontrol variabel proses. Karena teknik produksi modern bekerja dengan batas akurasi yang semakin ketat, dan karena tuntutan ekonomi yang membatasi biaya produksi, maka persyaratan agar instrumen menjadi akurat dan murah semakin sulit. Hal ini menjadi titik fokus penelitian dan pengembangan dari seluruh produsen instrumen. Dalam beberapa tahun terakhir, cara yang paling hemat untuk meningkatkan akurasi instrumen telah ditemukan pada banyak kasus dengan menggunakan daya komputasi digital. Instrumen cerdas ini karenanya tampil secara menonjol dalam katalog produsen instrumen saat ini. 1 Tujuan dan Penerapan Sistem Pengukuran Proses didefinisikan sebagai sistem yang menghasilkan informasi. Informasi yang dihasilkan dalam sebuah proses diwakili oleh satu atau lebih variabel informasi. Sebagai contoh, pergerakan mobil menghasilkan informasi variabel perpindahan, kecepatan dan percepatan; sedangkan reaktor kimia menghasilkan variabel temperatur, tekanan, dan komposisi. Pengamat adalah orang yang memerlukan informasi dalam proses. Pada contoh yang disebutkan pada paragraf sebelumnya, pengamat untuk pergerakan mobil adalah Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 1
sopir, sedangkan pengamat untuk plant reaktor kimia adalah operator. Tujuan sistem pengukuran adalah menghubungkan pengamat dengan proses yang ditinjau, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pengamat ditunjukkan dengan sejumlah nilai variabel informasi saat ini. Variabel informasi disebut sebagai varabel terukur. input untuk sistem pengukuran disebut nilai benar variabel; sedangkan output sistem disebut nilai terukur variabel. Pada sebuah sistem pengukuran yang ideal, nilai terukur akan sama dengan nilai benar. Akurasi sistem dapat didefinisikan sebagai kedekatan nilai terukur dengan nilai benar. Sistem pengukuran yang sempurna adalah sesuatu yang ideal secara teoritis dan tidak mungkin ditemui di aplikasi rill. Oleh karena itu, untuk sistem pengukuran riil diperkenalkan konsep eror sistem pengukuran E, dimana E = nilai terukur - nilai benar Eror adalah indikator unjuk kerja utama bagi sebuah sisem pengukuran. Prosedur dan perlengkapan yang digunakan untuk menetapkan nilai benar variabel terukur akan dijelaskan di bagian Karakteristik Statik. Gambar 1 Ilustrasi tujuan sistem pengukuran Penerapan instrumen pengukuran saat ini dapat diklafisikasikan ke dalam tiga kelompok besar. Pertama adalah penggunaan instrumen pengukuran pada pengaturan perdagangan, yaitu menerapkan intrumen yang mengukur besaran fisik seperti panjang, volume dan massa dalam satuan standar. Bidang penerapan kedua adalah pada fungsi monitoring. Fungsi ini menyediakan informasi yang memungkinkan manusia melakukan beberapa aksi yang diperlukan. Sebagai contoh, pengemudi mobil menggunakan speedometer untuk menentukan apakah dia perlu melambatkan gerakan mobil atau tidak atau bahkan mempercepat gerakan; operator reaktor kimia menggunakan termokopel untuk menentukan apakah dia perlu memperbesar atau memperkecil aliran fluida pendingin reaktor. Secara umum, fungsi monitoring ada untuk menyediakan informasi yang berguna bagi manusia untuk mengontrol beberapa operasi atau proses industri. Pada proses kimia Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 2
misalkan, perkembangan reaksi kimia diindikasikan dengan pengukuran temperatur dan tekanan pada berbagai titik, dan pengukuran tersebut mengijinkan operator melakukan koreksi pada heater, aliran air pendingin, posisi valve dan seterusnya. Bidang penerapan ketiga adalah pada sistem kontrol proses otomatik. Karakteristik instrumen pengukuran yang digunakan pada sistem kontrol umpan balik merupakan hal penting yang mendasar bagi kualitas kontrol yang dicapai. Akurasi dan resolusi variabel output proses yang dikontrol tidak pernah dapat lebih baik dari akurasi dan resolusi instrumen pengukuran yang digunakan. Hal ini merupakan prinsip yang sangat penting. 2 Strukur Sistem Pengukuran Sebuah sistem pengukuran dibuat untuk menyediakan informasi tentang nilai fisik beberapa variabel yang diukur. Pada kasus sederhana, sistem pengukuran dapat terdiri atas satu unit tunggal yang memberikan pembacaan atau sinyal output menurut besarnya variabel tak diketahui yang diukur olehnya. Namun, pada situasi pengukuran yang lebih komplek, sebuah sistem pengukuran terdiri atas beberapa elemen terpisah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Komponen-komponen ini dapat terdiri atas satu atau lebih sub komponen yang terdiri atas elemen-elemen pengukuran yang merupakan satu kesatuan ataupun saling terpisah. Istilah instrumen pengukuran biasanya digunakan untuk menggambarkan sistem pengukuran, apakah ia terdiri hanya satu atau beberapa elemen, dan istilah ini akan sering digunakan pada modul ini. Gambar 2 Struktur sistem pengukuran secara umum 2.1 Elemen Sistem Pengukuran Identifikasi elemen sistem pengukuran dapat berbeda pada sebuah sistem dengan sistem yang lain. Terdapat empat jenis elemen yang mungkin muncul semuanya, atau tidak, pada sebuah sistem pengukuran. Keempat jenis elemen tersebut ditunjukkan pada Gambar 2 dan didefinisikan sebagai berikut: Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 3
Elemen Pengindera Elemen ini kontak dengan proses dan memberikan output yang bergantung pada cara bagaimana variabel diukur. Elemen pengindera juga sering disebut sebagai sensor. Prinsip sebuah elemen pengindera adalah menggunakan perubahan sifat pada dirinya saat mengindera proses untuk ditunjukkan sebagai perubahan fisik tertetu yang terjadi pada proses. Jadi elemen ini memberikan output yang merupakan fungsi dari besaran ukur (input yang diterapkan). Contohnya adalah: Termokopel menghasilkan perubahan g.g.l orde milivolt bergantung pada temperatur Strain gauge menghasilkan perubahan resistansi bergantung pada regangan mekanik Plat orifice menghasilkan drop tekanan bergantung pada laju aliran Jika terdapat lebih dari satu elemen pengindera pada sebuah sistem, elemen yang kontak dengan proses disebut elemen pengindera primer, elemen yang lain disebut elemen pengindera sekunder. Namun, secara umum, sensor primer hanya bagian dari sebuah sistem pengukuran. Elemen Pengkondisian Sinyal Elemen ini mengambil output dari elemen pengindera dan mengubahnya ke dalam bentuk yang lebih sesuai untuk pengolahan lebih lanjut, biasanya dalam bentuk tegangan d.c, arus d.c. atau sinyal frekuensi. Contohnya adalah: Rangkaian jembatan yang mengubah perubahan impedansi menjadi perubahan tegangan Amplifier yang menguatkan sinyal tegangan orde milivolt menjadi volt Osilator yang mengubah perubahan impedansi menjadi tegangan dengan variabel frekuensi. Pada beberap kasus, sensor dan elemen pengkondisian sinyal digabung dan dikenal sebagai transduser. Elemen Pengolahan Sinyal Elemen in mengambil output elemen pengkondisian sinyal dan mengubahnya ke dalam bentuk yang lebih cocok untuk ditampilkan. Contohnya adalah: Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 4
Analog-to-digital converter (ADC) yang mengubah tegangan ke dalam bentuk digital untuk masukan ke komputer. Pemfilteran atau penapisan noise yang terinduksi, baik filter analog maupun filter digital Komputer yang menghitung nilai terukur variabel dengan menggunakan data digital yang datang. Contoh perhitungan yang umum dilakukan pada komputer instrumen pengukuran adalah: Perhitungan massa total gas produk dengan menggunakan data laju aliran dan kerapatan Perhitungan luasan peak pada hasil kromatografi untuk memberikan nilai komposisi aliran gas Koreksi untuk elemen pengindera yang tak-linier Pada beberapa peralatan, pengolah sinyal digabungkan ke dalam transduser, yang kemudian dikenal sebagai transmiter. Elemen Presentasi Data Elemen ini menampilkan nilai terukur dalam bentuk yang dapat dikenal dengan mudah oleh pengamat. Contohnya adalah: Indikator skala-penunjuk sederhana Chart recorder Alphanumeric display Visual display unit 2.2 Contoh Sistem Pengukuran Gambar 3 menunjukkan sebuah sistem pengukuran temperatur dengan elemen pengindera adalah termokopel; yang memberikan output tegangan dalam orde milivolt. Pengkondisian sinyal terdiri atas rangkaian kompensasi perubahan temperatur sambungan referensi, dan amplifier. Sinyal tegangan diubah ke dalam bantuk digital menggunakan ADC. Selanjutnya komputer mengkoreksi ketidaklinieran sensor, dan nilai terukur ditampilkan pada VDU. Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 5
Gambar 3 Contoh struktur sistem pengukuran temperatur Gambar 4 Contoh struktur sistem pengukuran kecepatan Gambar 5 Contoh stuktur sistem pengukuran laju aliran 6
Pada Gambar 4, kecepatan rotasi sebuah mesin diindera dengan tachogenerator elektromagnetik yang memberikan sinyal output a.c. dengan frekuensi sebanding terhadap kecepatan. Schmitt trigger mengubah gelombang sinus ke bentuk pulsa (sharp-edged pulse) yang kemudian dihitung selama interval waktu tertentu. Hasil perhitungan digital dikirimkan ke komputer yang menghitung frekuensi dan kecepatan. Terakhir, kecepatan ditampilkan pada tampilan digital. Sistem pengukuran Gambar 5 memiliki plat orifice sebagai elemen pengindera; yang memberikan output berupa beda tekanan (differential pressure). Transmitter beda tekanan mengubah sinyal ini ke dalam bentuk sinyal arus dan karenanya menggabungkan bagian pengindera dengan bagian pengkondisian sinyal. ADC mengubah arus ke dalam bentuk digital. Selanjutnya komputer menghitung laju aliran dan dicatat secara permanen pada chart recorder. 3 Tinjauan Ulang Jenis-Jenis Instrumen Instrumen dapat dibagi ke dalam beberapa kelas berdasarkan beberapa kriteria. Pengelompokan ini berguna dalam menentukan beberapa atribut instrumen, seperti akurasi, harga, kemampuannya pada aplikasi yang berbeda. 3.1 Instrumen Aktif dan Pasif Instrumen dibagi ke dalam aktif atau pasif berdasarkan pada apakah output intrumen yang dihasilkan sepenuhnya oleh besaran yang diukur (disebut instrumen pasif) atau apakah besaran yang diukur memodulasi magnitudo sumber daya eksternal (disebut instrumen aktif). Pada instrumen aktif, sumber daya eksternal digunakan dalam bentuk listrik, namun pada beberapa kasus, dalam bentuk energi lain seperti pneumatik atau hidrolik. Contoh instrumen pasif adalah alat ukur tekanan yang ditunjukkan pada Gambar 6. Tekanan fluida ditranslasikan ke pergerakan penunjuk pada skala. Energi yang dikeluarkan dalam bentuk pergerakan penunjuk sepenuhnya berasal dari perubahan tekanan yang diukur: tidak ada input energi lain ke sistem. Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 7
Gambar 6 Contoh instrumen pasif, jenis-defleksi, dan analog: meteran tekanan Contoh instrumen aktif adalah indikator ketinggian tangki minyak jenis pelampung yang disketsa pada Gambar 7. Perubahan tinggi minyak menggerakkan lengan potensiometer, dan sinyal output sebagian berasal dari sumber tegangan eksternal yang digunakan pada potensiometer. Energi dalam sinyal output datang dari sumber daya eksternal: sistem pelampung transduser primer hanya memodulasi nilai tegangan dari sumber daya eksternal. Gambar 7 Contoh instrumen aktif: indikator ketinggian tangki minyak Satu perbedaan yang sangat penting antara instrumen aktif dan pasif adalah tingkat resolusi yang diperoleh. Dengan meteran tekanan yang sederhana seperti yang ditunjukkan di atas, besarnya pergerakan yang dibuat oleh penunjuk untuk perubahan tekanan tertentu sangat ditentukan oleh sifat instrumen. Ketika resolusi instrumen memungkinkan untuk ditambah dengan membuat penunjuk yang lebih panjang, Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 8
sedemikian hingga ujung penunjuk bergerak melalui sudut yang lebih besar, cakupan peningkatan tersebut tentu saja dibatasi oleh batasan praktis pada seberapa panjang penunjuk seharusnya. Pada instrumen aktif, pengaturan magnitudo input energi eksternal mengijinkan pengaturan yang lebih mudah atas resolusi pengukuran. Meskipun cakupan resolusi pengukuran yang meningkat adalah jauh lebih besar, hal ini bukan berarti tak terbatas karena adanya pembatasan magnitudo input energi eksternal berkaitan dengan efek panas dan alasan keamanan. Dari segi harga, instrumen pasif normalnya memiliki konstruksi lebih sederhana dari pada instrumen aktif dan karenanya lebih murah dalam pembuatannya. Oleh karena itu, pemilihan antara instrumen aktif atau pasif untuk aplikasi tertentu melibatkan keseimbangan antara persyaratan resolusi dan harga. 3.2 Instrumen Jenis-Null dan Jenis-Defleksi Meteran tekanan yang telah dijelaskan di atas (Gambar 6) merupakan contoh instrumen jenis defleksi, dimana nilai besaran yang diukur ditampilkan dalam bentuk besarnya pergerakan penunjuk. Jenis lain dari meteran tekanan adalah deadweight gauge yang ditunjukkan pada Gambar 8, yang merupakan instrumen jenis-null. Di sini, anak timbangan diletakkan pada bagian atas pistron hingga gaya ke bawah setimbang dengan tekanan fluida. Anak timbangan ditambahkan hingga piston mencapai tingkat datum, dikenal sebagai titik nol. Pengukuran tekanan dibuat dalam bentuk nilai berat anak timbangan yang dibutuhkan untuk mencapai posisi nol ini. Gambar 8 Contoh instrumen jenis-null: deadweight pressure gauge Akurasi dari kedua instrumen ini bergantung pada beberapa hal yang berbeda. Secara umum, instrumen jenis-null lebih akurat dari pada jenis-defleksi. Dalam hal penggunaan, instrumen jenis-defleksi jelas lebih mudah. Namun, untuk tugas Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 9
kalibrasi, instrumen jenis-nul lebih disenangi karena akurasinya yang menonjol. 3.3 Instrumen Analog dan Digital Instrumen analog memberikan output yang berubah secara kontinyu terhadap perubahan besaran yang diukur. Output dapat memiliki sejumlah nilai yang takterbatas dalam rentang desain instrumen. Meteran tekanan jenis-defleksi yang dijelaskan sebelumnya (Gambar 6) merupakan contoh instrumen analog. Saat perubahan nilai input, penunjuk bergerak dengan gerakan kontinyu yang halus. Meskipun penunjuk dapat berada pada posisi sembarang, jumlah posisi yang dapat terdeteksi oleh mata dengan berbeda adalah terbatas, bergantung pada seberapa besar skala dan seberapa baik dia dibagi. Instrumen digital memiliki output yang berubah dalam langkah diskrit dan sehingga hanya memiliki sejumlah nilai yang terbatas. Penghitung putaran yang ditunjukkan pada Gambar 9 merupakan contoh instrumen digital. Bubungan (cam) ditempelkan pada benda yang berputar yang diukur putarannya, dan pada setiap putaran, bubungan membuka dan menutup saklar. Operasi saklar dihitung oleh pencacah elektronik. Sistem ini hanya dapat menghitung putaran penuh dan tidak dapat membedakan pergerakan yang kurang dari putaran penuh. Gambar 9 Contoh instrumen digital: penghitung putaran Perbedaan utama antara instrumen analog dan digital telah menjadi penting khususnya dengan adanya perkembangan pesat pada aplikasi mikrokomputer untuk sistem kontrol otomatis. Sebuah instrumen yang memiliki output dalam bentuk digital dapat disambungkan langsung ke komputer kontrol. Sedangkan intrumen analog harus menggunakan ADC terlebih dahulu. Konversi dengan ADC memiliki beberapa kerugian. Pertama, ADC menambah harga sistem secara signifikan. Kedua, ada batasan waktu dalam proses mengkonversi sinyal analog ke digital sehingga mengurangi akurasi kontrol yang bergantung pada kecepatan komputer mengontrol. Program Studi S1 Teknik Fisika ITS 10