BAB II LANDASAN TEORI II. 1. Teori Pengukuran II.1.1. Pengertian Pengukuran Pengukuran adalah proses menetapkan standar untuk setiap besaran yang tidak terdefinisi. Standar tersebut dapat berupa barang yang nyata, dengan syarat sifat barang tersebut tidak berubah ubah dalam waktu yang lama. Yang perlu diperhatikan dalam melakukan aktifitas pengukuran adalah: a. Standar yang dipakai harus memiliki ketelitian yang sesuai dengan standar yang dapat diterima oleh umum. b. Cara pengukuran dan alat yang digunakan harus sesuai persyaratan. Umumnya, dalam melakukan pengukuran dibutuhkan instrumen untuk menentukan besaran. Instrumen adalah sebuah alat untuk menentukan nilai dari suatu kuantitas atau variabel. Instrumen membantu meningkatkan keterampilan manusia dalam banyak hal yang memungkinkan seseorang untuk menentukan nilai besaran yang tidak diketahui. Tanpa bantuan tersebut manusia tidak dapat menentukannya. Dalam pengukuran, digunakan sejumlah istilah sebagai berikut: a. Ketelitian (Accuracy) Ketelitian adalah harga suatu pembacaan instrumen yang mendekati harga sebenarnya dari variabel yang diukur.
b. Ketepatan (Precision) Ketepatan adalah kemampuan untuk mendapatkan hasil pengukuran yang sama dengan memberikan harga tertentu bagi sebuah variabel. c. Kesalahan (Error) Kesalahan adalah penyimpangan variabel yang diukur dari harga yang sebenarnya. d. Sensitivitas (Sensitivity) Sensitivitas adalah kepekaan suatu masukan agar dapat memberikan perubahan pada sistem. e. Resolusi (Resolution) Resolusi adalah perubahan nilai terkecil dalam nilai yang diukur dimana instrumen akan memberikan respon. Ada empat hal yang diukur dalam proses industri, antara lain: 1. Tekanan (Pressure) 2. Suhu (Temperature) 3. Aliran (Flow) 4. Tinggi Permukaan (Level) II.1.2. Karakteristik Pengukuran [1] Alat pengukur (sistem instrumentasi) yang merupakan suatu sistem yang digunakan untuk menunjang kegiatan proses industri, pada dasarnya adalah berfungsi untuk menentukan (mengukur) dan mencatat suatu besaran variabel proses pada tahapan proses industri.
Dengan mengetahui karakteristik suatu sistem instrumentasi maka kita dapat memperkirakan dan memperhitungkan tingkat kebenaran pengukuran dari sistem instrumentasi yang dipergunakan. Karakteristik sistem instrumentasi yang akan menampilkan tingkat kebenaran pengukuran dapat disebabkan oleh beberapa faktor, misalnya karena perakitan yang kurang baik, jenis-jenis dan kualitas komponen yang digunakan atau dapat pula kondisi pemakaian yang tidak sesuai dengan kondisi pengkalibrasian alat. Secara umum karakteristik sistem instrumentasi dapat digolongkan menjadi dua kelompok utama yaitu: 1. Karakteristik Statis Karakteristik statis adalah karakteristik suatu sistem instrumentasi yang perlu diperhatikan untuk penggunaan pada suatu kondisi pengukuran yang tidak bergantung pada waktu (kapan saja). Karakteristik karakteristik tersebut antara lain: a. Ketelitian Ketelitian dari suatu alat ukur (sistem instrumentasi) adalah penyimpangan dari harga yang diamati, dibandingkan dengan harga sebenarnya. Pada umumnya ketelitian ditentukan secara statis dan dinyatakan dalam satuan persentasi dari simpangan skala penuh. b. Reproduksibilitas Reproduksibilitas dari suatu alat ukur adalah derajat pendekatan dari suatu harga pada pengukuran yang berulang. Reproduksibilitas dari
suatu alat ukur dinyatakan dalam suatu unit untuk periode waktu tertentu. Misalnya dalam waktu sebulan, setahun dan seterusnya. c. Sensitivitas Sensitivitas dari sistem instrumentasi mempunyai pengertian: Adanya perubahan terkecil dari suatu variabel pengukuran dengan menggunakan alat ukur yang masih memberikan pengamatan (response). Kebalikannya adalah Dead Zone yaitu harga terbesar dari suatu perubahan harga yang diukur dengan menggunakan alat ukur yang tidak dapat memberikan pengamatan (response). 2. Karakteristik Dinamis Dalam banyak hal, karakteristik dinamis dari sistem instrumentasi menjadi pertimbangan pada pemakaiannya. Karakteristik dinamis antara lain adalah kecepatan tanggap dari sistem instrumen (alat ukur). Kecepatan tanggap adalah cepatnya alat ukur bereaksi terhadap setiap perubahan besaran yang diukur. II. 2. Aliran [2] Yang dimaksud dengan aliran (flow) ada tiga macam, yaitu: a. Kecepatan fluida mengalir (m/detik), dll. b. Debit (banyaknya volume) fluida yang mengalir per satuan waktu (l/detik), (gph = galon per hour), dll.
c. Jumlah (volume) fluida yang mengalir untuk selang waktu tertentu (liter), (galon), dll. II. 3. Jenis-Jenis Alat Ukur Aliran II.3.1. Head Flow Meter Untuk mengukur aliran fuida dalam suatu pipa dengan head flow meter, maka pada aliran fluida itu dipasang suatu penghalang dengan diameter lubang yang lebih kecil dari diameter pipa sehingga tekanan maupun kecepatannya berubah. Head flow meter ini bekerja dengan cara membedakan tekanan di sebelum dan sesudah penghalang. Faktor-faktor yang mempengaruhi head flow meter adalah: Kerapatan (densitas) dari cairan Temperatur Tekanan Kekentalan (viskositas) Aliran yang tidak konstan (osilasi) Kesalahan pemasangan pipa Ketelitian pemuatan orifice Adanya gas yang terjebak pada cairan Beberapa flow meter di bawah ini merupakan alat pengukur aliran jenis head flow meter: a. Tabung Venturi Pada sekeliling pipa sering dibuat lubang-lubang yang jalan keluarnya dijadikan satu dan dihubungkan dengan pengukur tekanan (disebut cincin
piezometer). Dengan demikian tekanan yang akan diukur merupakan tekanan rata-rata sehingga pengukuran menjadi lebih teliti. Kemiringan di bagian input kira-kira sebesar 30 C, sedangkan dari bagian output lebih kecil yaitu antara 3 C sampai 15 C. perbandingan diameter antara leher dan pipa terletak antara 0,25 sampai 0,50. Hasil pengukuran aliran dengan menggunakan tabung venturi ini adalah yang paling teliti dibandingkan dengan head flow meter yang lain. Karena bagian leher adalah bagian yang lebih mudah rusak, maka kadang-kadang bagian leher ini dibuat sebagai unit tersendiri agar mudah diganti-ganti. Gambar 2.1 Tabung Venturi b. Flow Nozzle Flow nozzle mempunyai bentuk yang lebih sederhana dibandingkan dengan tabung venturi. Tap (lubang pengukur tekanan) pada flow nozzle ini diletakkan kira-kira pada jarak satu kali diameter pipa di muka bagian input dan setengah diameter pipa di belakang bagian output atau tepat di bagian outputnya, tergantung pada pabrik pembuatnya. Flow nozzle ini mempunyai ketelitian yang lebih rendah dibandingkan dengan tabung venturi. Tidak seperti tabung venturi yang pemasangannya mengganggu
sambungan pipa saluran, pemasangan flow nozzle dapat dilaksanakan tanpa mengganggu sambungan pipa. Gambar 2.2 Flow Nozzle c. Pelat Orifice Pelat orifice merupakan pengukur aliran yang paling kecil ketelitiannya di antara pengukur-pengukur aliran jenis head flow meter. Pelat orifice merupakan pelat yang berlubang dengan pinggiran tajam. Pelat ini terbuat dari bahan-bahan yang kuat. Selain terbuat dari logam, ada juga orifice yang terbuat dari plastik agar tidak terpengaruh oleh fluida yang mengalir (erosi atau korosi). (a) (b) Gambar 2.3 Pelat Orifice ; (a) tampak samping, (b) tampak depan [3]
Pelat orifice tipe eksentris dan segmen dipakai untuk mengukur aliran yang mengandung bahan-bahan padat. Bila dipakai pelat orifice tipe konsentris maka akan timbul endapan-endapan benda padat yang akan mengganggu pengukuran. Demikian juga dengan lubang kecil yang diletakkan di bawah yang dibuat agar kesalahan pengukuran dapat diperkecil, yaitu untuk mengalirkan cairan akibat kondensasi agar tidak berkumpul pada pelat orifice dan mengganggu pengukuran aliran gas. Untuk cairan udara yang terjebak dialirkan dengan memberi lubang kecil dibagian atas. Pemasangan tap (lubang) pengukuran untuk pelat orifice ini bermacam-macam, yakni: Tap vena contracta Vena contracta adalah tempat dimana luas aliran mencapai minimum sehingga tekanannya paling kecil. Tap pertama dari tap vena contracta diletakkan pada jarak satu kali diameter sebelum orifice, sedangkan tap kedua diletakkan pada vena contracta. Karena letaknya tergantung pada diameter pipa dan diameter orifice, maka pemasangan tap kedua ini juga berbeda untuk pipa dan orifice yang berlainan. Keuntungan dari tap vena contracta adalah pengukuran yang lebih teliti karena mendapat tekanan diferensial yang lebih besar. Kerugiannya adalah tap kedua harus dipasang pada pipa dengan tepat pada tempat vena contracta.
Tap flange Tap flange diletakkan simetris di kiri dan kanan orifice sejauh kira-kira satu inci. Keuntungan cara ini adalah tap-tapnya dapat dipasang menjadi satu dengan flange pipa tanpa mengganggu pipa dan pelat orifice dapat digantikan tanpa harus mengubah letak tap. Kerugiannya adalah hasil pengukuran yang kurang teliti karena terdapat beda tekanan yang kecil. Tap pipa Tap pertama dari tap pipa diletakkan dua setengah kali diameter sebelum orifice sedangkan tap kedua diletakkan sejauh delapan kali diameter sesudah orifice. Tekanan diferensial yang diukur sangat kecil karena hanya menyatakan rugi tekanan oleh orifice. d. Tabung Pitot Berbeda dengan ketiga head flow meter di atas yang hanya mengukur debit atau laju aliran, maka tabung pitot ini merupakan pengukur kecepatan fluida mengalir. Prinsip kerjanya hampir sama dengan penghalang yang lain. Misalkan fluida di mulut tabung pitot diam atau mempunyai kecepatan nol, maka persamaan Bernoulli menjadi: [2] 2 P1 v1 P2 + =... (2.1) ρ 2 ρ P -P ρ 2 1 v 1= 2 = 2 ( P -P ) 2 1 ρ... (2.2)
Dengan mengukur perbedaan tekanan (P 2 P 1 ) maka kecepatan fluida langsung dapat diketahui. Keuntungan tabung pitot ini adalah pengukuran tidak hanya dilakukan dalam pipa-pipa tertutup tetapi juga dalam saluransaluran terbuka. Kerugiannya adalah tidak dapat dipakai utuk mengukur kecepatan fluida yang mengandung benda-benda padat. Gambar 2.4 Tabung Pitot II.3.2. Area Flow Meter Area flow meter ini merupakan kebalikan dari head flow meter. Pada head flow meter, aliran mengalir melalui saluran yang mempunyai luas tertentu (ditentukan oleh luas pipa dan luas hambatan) yang kemudian perbedaan tekanannya diukur sehingga dapat diketahui debitnya. Salah satu jenis alat ukur aliran dari area flow meter adalah rotameter. Rotameter terdiri dari suatu kerucut yang terbuat dari gelas atau bahan yang transparan dan berskala dengan suatu pelampung didalamnya. Pelampung ini terbuat dari bahan-bahan yang tahan karat terhadap fluida yang mengalir. Karena adanya aliran fluida, maka pelampung akan naik dalam keadaan setimbang dan
akan berhenti pada suatu posisi. Makin besar alirannya maka makin tinggi posisi pelampung tersebut. Rotameter ini harus dipasang tegak lurus (tidak boleh miring lebih dari 2 ). Misalkan pelampung mempunyai berat W, volume V p dan luas penampang A p. berat pelampung terbesar akan diimbangi oleh gaya ke atas oleh fluida dan gaya akibat perbedaan tekanan, sehingga dalam keadaan setimbang: [2] WΔp = A pρg + Vf p... (2.3) Wρg V f p p =... (2.4) Ap Dimana : ρgf = berat jenis fluida Δp = beda tekanan Di sini terlihat bahwa beda tekanan Δp tidak tergantung dari posisi pelampung. Jadi pada posisi manapun beda tekanan akan konstan. Karena luas penampang kerucut berubah terhadap posisi pelampung maka luas penampang di mana fluida mengalir di sekeliling pelampung juga tergantung pada posisi. Penampang aliran fluida ini berbentuk cincin. Di dalam aliran ini berlaku persamaan kontinuitas Bernoulli, sehingga pelampung akan mengatur dirinya sendiri pada posisi di mana kedua persamaan tadi dipenuhi. [2] ( ) C Ak Ap ρg p ρg f Q = 2gV 2 p... (2.5) A Aρp g f k Ap 1 Ak Dimana : C = koefisien discharge A k = luas penampang kerucut Ap = luas penampang pelampung terbesar
ρ f ρ p g = berat jenis fluida g = berat jenis pelampung bila Ak A Ak p 2 1, maka bentuk persamaan di atas menjadi : ( k p) Q= K A A... (2.6) jadi laju aliran Q hanya merupakan fungsi dari luas kerucut. Bila sudut kemiringan kerucut kecil, maka luas kerucut ini sebanding dengan tinggi pelampung. Oleh karena berat jenis fluida mempengaruhi persamaan di atas, maka setiap rotameter dikalibrasi untuk fluida tertentu. Gambar 2.5 Rotameter II.3.3. Positive Displacement Meter Positive displacement meter ini merupakan meter jumlah, yaitu mengukur banyaknya fluida yang mengalir melalui saluran tertutup. Berikut adalah beberapa alat pengukur aliran jenis positive displacement meter:
a. Meter torak bolak-balik Pada saat torak bergerak ke kiri, fluida di ruang kiri terdesak keluar sedangkan ruang kanan terisi oleh fluida masuk. Kemudian pada saat torak bergerak ke kanan terjadi hal yang sebaliknya, yaitu fluida di ruang kanan terdorong keluar dan ruang kiri kembali terisi. Volume fluida mengalir setiap kali torak melakukan gerak bolak-balik tertentu jumlahnya, sehingga dengan menghitung gerak bolak-balik torak ini dapat diketahui jumlah volume yang telah mengalir. Biasanya torak ini dihubungkan dengan penghitung mekanis. Gambar 2.6 Meter Torak Bolak Balik b. Meter bilah berputar Prinsip kerja meter bilah berputar ini sama dengan meter torak bolak-balik, hanya di sini terjadi gerakan putar. Silinder dalam letaknya eksentris terhadap silinder luar dan terpasang bilah-bilah yang dapat bergerak pada celah-celah pada poros silinder dalam. Pada ujung-ujung bilah terdapat pegas sehingga selalu akan menekan silinder luar. Bilah-bilah ini berfungsi sebagai pemisah cairan. Pada saat silinder dalam berputar sebagian fluida
terdorong keluar melalui salah satu sektor dan cairan mengalir masuk pada sektor yang lain. Disini juga volume fluida yang telah mengalir untuk satu kali putar tertentu besarnya. Sumbu silinder dalam dihubungkan dengan penghitung mekanis sehingga volume fluida yang telah melewati meter bilah berputar ini dapat diketahui jumlahnya. Silinder berputar karena disebabkan adanya beda tahanan yang bekerja pada pengukur aliran ini. Gambar 2.7 Meter Bilah Berputar [4] c. Meter baling-baling Meter baling-baling ini terdiri dari suatu ruangan yang di dalamnya dipasang dua buah baling-baling. Bentuk dan posisi kedua baling ini seperti terlihat pada gambar 2.8, menyebabkan fluida berganti-ganti masuk dan keluar dari ruang-ruang yang terpisah oleh kedua baling-baling tersebut. Pengukur aliran ini umumnya dipakai untuk mengukur aliran gas.
Gambar 2.8 Meter Baling-Baling d. Meter piringan bergoyang Prinsip dari meter piringan bergoyang ini sama dengan ketiga pengukur aliran yang telah diterangkan di atas, yaitu dengan mengisi suatu ruangan yang tertentu volumenya kemudian karena bergoyangnya piringan, fluida akan keluar (gambar 2.9). Bergoyangnya piringan ini disebabkan adanya aliran fluida yang melaluinya. Batang dari yang berada di tengah-tengah piringan dapat dihubungkan ke penghitung mekanis untuk mengetahui jumlahnya volume total yang telah melaluinya. Gambar 2.9 Meter Piringan Bergoyang
e. Meter roda gigi oval Bentuk dan cara kerjanya mirip dengan meter baling-baling, hanya kedua baling-baling diganti oleh dua buah roda gigi yang berbentuk oval (gambar 2.10). Gambar 2.10 Meter Roda Gigi Oval [4] II.3.4. Pengukur-pengukur aliran yang lain a. Meter kecepatan turbin Turbin akan berputar bila aliran cairan mengenai dan mendorong balingbaling dari turbin (gambar 2.11). Suatu kumparan penerima (pick up coil) yang dipasang pada pipa akan merasa berputar ini dan akan menghasilkan pulsa listrik apabila suatu baling-baling melaluinya.
Gambar 2.11 Meter Kecepatan Turbin [5] Frekuensi pulsa yang akan dihasilkan akan sebanding dengan laju aliran volume dari cairan. Meter kecepatan turbin ini mempunyai sifat sebagai berikut: Ketelitian tinggi (0,5%) Sesuai untuk cairan kekentalan rendah Ukuran kecil Sinyal keluaran berupa pulsa Dikalikan dengan pengukuran densitas, dapat menunjukkan laju aliran massa (dilakukan oleh komputer).
b. Meter aliran massa Pengukuran aliran massa dapat dilakukan secara langsung dan tidak langsung (inferensial). Pengukuran tidak langsung dilakukan dengan mengukur volume dan densitas (rapat massa). Dengan mengalikan kedua hasil pengukuran ada suatu komputer, laju aliran massa dapat ditentukan. c. Meter aliran magnetik (Magnetic Flowmeter) Meter aliran magnetik berdasarkan Hukum Faraday tentang induksi tegangan. Pada suatu aliran muatan listrik yang melintasi medan magnet akan timbul tegangan yang besarnya: [2] e = B l V 10 8... (2.7) Dimana : e = tegangan induksi (volt) B = fluks density (gauss) l = panjang konduktor (cm) v = kecepatan dari konduktor (cm/detik) Bagian flow meter ini dapat dilihat pada gambar 2.12. Cairan yang melewati pipa akan memotong flux magnet. Adanya aliran fluida yang bergerak relatif terhadap medan magnet akan menyebabkan tegangan induksi yang arahnya tegak lurus terhadap v dan B. Tegangan yang ditimbulkan dideteksi oleh elektroda yang diletakkan di luar pipa dan besarnya sebanding dengan kecepatan aliran fluida v, karena sinyal rendah dalam millivolt (mv) sebanding dengan kecepatan rata-rata dalam pipa
dan untuk alasan inilah magnetik flowmeter sangat cocok dipasang unutk semua cairan konduktif. Gambar 2.12 Meter Aliran Magnetik Adapun syarat pengukuran aliran fluida dengan menggunakan meter aliran magnetik ini adalah: Fluida harus mengantarkan arus listrik dan pipa dari bahan isolator. Elektroda ditempatkan pada permukaan sebelah dalam dari pipa dan berhubungan langsung dengan fluida. Tegangan output kecil sekali dan medan magnet AC digunakan untuk memperkuat dan mengeliminasi polarisasi.