2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 1
DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES02
Mempelajari dasar-dasar instrumentasi proses yang menunjangkelangsungan sistem pengendalian proses
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)
Tujuan:
Materi:
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 2
2.1 Karakteristik Pengukuran
Tujuan dasar instrumentasi proses untuk mendapatkan informasipenting (P, V, T, F, C) yang berkaitan dengan kelangsungan proses
Suatu perbandingan sebuah kuantitas yang tidak diketahuinilainya dengan suatu nilai standar (dalam satuan tertentu)
Pengukuran (Measurement)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 3
Instrument
Measuring:
Indicating:
Recording:
Mengukur nilai variabel proses
Menujukkan nilai variabel proses
Mencatat nilai variabel proses
2.1 Karakteristik Pengukuran
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 4
2.1 Karakteristik Pengukuran
Elemen-Elemen Pengukuran
MeasuredMedium
Primary Sensing Element
Variable Conversion
Element
Variable Manipulation
Element
Measured
Quantity
Data Transmission
Element
Data Presentation
Element
Presented data
Observer
Gambar 2.1.1. Elemen-elemen fungsional dari sistem instrumen
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 5
PSE menerima energi dari media yang diukur dan menghasilkanoutput 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 sinyalinstrumen 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)
2.1 Karakteristik Pengukuran
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 6
Temperature bulb (liquid or gas)
Capillary tube
ScaleSpiral bourdon tube
Gear mechanism
Pointer
2.1 Karakteristik Pengukuran
Gambar 2.1.2. Filled system thermometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 7
2.1 Karakteristik Pengukuran
MeasuredMedium
Primary Sensing Element
Variable Conversion
Element
Temp.
Measured Quantity
Variable Conversion
Element
Data Presentation
Element
Presented data
Observer
Gambar 2.1.3. Elemen-elemen fungsional dari sistem termometer
Fluid
Data Transmission
Element
Variable Manipulation
Element
Pressure
Motion Motion
Pressure
Temperature tube Tubing
Spiral Bourdon Tube
Linkage GearScale and Pointer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 8
Karakteristik Kinerja Instrumen
2.1 Karakteristik Pengukuran
Kar. Statis:
CalibrationAccuracyPrecisionReproducibilityDriftSensitivityResolutionDead ZoneBacklashTrue ValueStatic ErrorMistakeSystematic errorRandom ErrorSource of Error
Kar. Dinamis:
Speed of ResponseFidelityLagDynamic ErrorZero-Order InstrumentFirst-Order InstrumentSecond-Order Instrument
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 9
2.1 Karakteristik Pengukuran
Kalibrasi (calibration)
Penentuan nilai ukur dalam suatu skala bacaaan; biasanyamenghasilkan 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 didalam 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 / 10
2.1 Karakteristik Pengukuran
Akurasi (accuracy)Kemampuan suatu alat atau sistem untuk menanggapi nilai nyatavariabel yang diukur di bawah kondisi reference.
Dalam praktiknya, akurasi dinyatakan dalam batas error (limit of error) dari alat ukur atau sistem di bawah kondisi operasitertentu yang mungkin sudah/belum ditentukan.
Presisi (precision)
Derajat kebenaran (degree of exactness) dari sebuah istrumen
Contoh: sebuah resistor mempunyai nilai tahanan (nyata) 1592154 ΩJika diukur dengan multimeter, terbaca 1,5 MΩ. Pengamat tidak dapatmembaca nilai yang sesungguhnya (pada skala). Meskipun tidak adakesalahan pembacaan, namun kesalahan atau error muncul akibat dariskala bacaan (disebut precision error)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 11
2.1 Karakteristik Pengukuran
Reproducibility
Kedekatan hasil pengukuran output yang dilakukan berulang-ulang, dengan input dan kondisi operasi yang sama dalam periode waktutertentu.
Perfect Reproducibility: instrumen tidak mempunyai drift (kalibrasinyatidak bergeser dalam periode waktu panjang: minggu, bulan, tahun)
Drift
Sebuah perubahan yang tidak diinginkan atau variasi output secaragradual dalam periode waktu. Jadi jika drift terjadi, korelasi antara input-output tidak dapat dibuat. Drift biasanya muncul jika instrumen sudahkuno.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 12
Sensitivity2.1 Karakteristik Pengukuran
Perbandingan (ratio) dari perubahan output terhadap perubahan input, pada kondisi tunak.
ResolutionNilai inkremen terkecil dari sebuah input atau output yang dapat dideteksi
Jika inkremennya kecil fine resolution
besar coarse resolution
Dead ZoneRentang terbesar dari varabel terukur yang tidak dapat direspon olehinstrumen, 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 / 13
Backlash2.1 Karakteristik Pengukuran
Disebut juga mechanical hystersis: kehilangan gerak yang mungkinterjadi pada elemen mekanik (gear, linkage, atau peralatan transmisimekanik lainnya) karena terputus hubungan (kait-nya tidak kuat).
True ValueNilai variabel terukur yang terbebas dari error
True value = Instrument reading – Static error
Static ErrorPerbedaan numeris antara nilai sesungguhnya dengan nilai yang diukuroleh instrumen
MistakeKesalahan 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 / 14
Systematic Error2.1 Karakteristik Pengukuran
Kadang-kadang disebut bias; deviasi seragam dari titik titik pengukuransebuah 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 / 15
Random Error2.1 Karakteristik Pengukuran
Error yang tidak diketahui penyebabnya. Error ini biasanya kecil, danmungkin dapat ditangani secara matematis menurut hukum probabilitas.
Sources of Error1. 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 / 16
Karakteristik Dinamis2.1 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, ataukapasitas elektrik.
Pure Delay (keterlambatan) sering dijumpai ketika instrumen menunggubeberapa reaksi untuk menanggapi perubahan variabel terukur. Instrumenindustri selalu digunakan untuk mengukur kuantitas yang berfluktuasi.
∴ kelakuankelakuan dinamikdinamik daridari sebuahsebuah instrumeninstrumen sangatsangat pentingpenting untukuntukdipelajaridipelajari ((lebihlebih penting d.pd.p. . kelakuankelakuan statikstatik)).
Kelakuan dinamik dari intrumen dapat dipelajari dengan melakukanvariasi var. terukur a.l. step change, linear change, sinusoidal change.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 17
Speed of Response2.1 Karakteristik Pengukuran
Kecepatan instrumen dalam menanggapi perubahan variabel terukur.
Fidelity
Tingkat kepercayaan instrumen dalam menanggapi perubahan variabelterukur tanpa error dinamik.
Lag
Keterlambatan dalam menanggapi perubahan variabel terukur.
Dynamic Error
Perbedaan antara nilai nyata yang bervariasi karena waktu dengan nilaiyang ditunjukkan oleh instrumen
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 18
Respon Dinamik Instrumen Order Nol2.1 Karakteristik Pengukuran
Hubungan input dan output:
ii
mi
m
m
mi
m
moo
no
n
nno
n
n
xbdtdxb
dtxdb
dtxdbxa
dtdxa
dtxda
dtxda
011
1
1
011
1
1
++++
=++++
−
−
−
−
−
−
L
L
ysensitivitstaticabK ==
0
0
…. (2.1.1)
Dimana: xo = output ; xi = intput ; t = time
a′s, b′s = parameter fisik (diasumsi konstan)
Jika a′s, b′s = 0 ixbxa 000 =
ii Kxxabx ==
0
00
…. (2.1.2)Order nol
…. (2.1.3)
…. (2.1.4)
Ideal or perfect dynamic performance
(no lag or no distortion)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 19
Respon Dinamik Instrumen Order Satu2.1 Karakteristik Pengukuran
Hubungan input dan output:io
o xbxadtdxa 001 =+
ysensitivitstaticabK ==
0
0
…. (2.1.5)
tconstimeaa tan
0
1 ==τ
…. (2.1.7)Order satu
…. (2.1.8)
…. (2.1.9)
ioo Kxx
dtdx
=+τ
1+=
sK
xx
i
o
τ
…. (2.1.6)ioo x
abx
dtdx
aa
0
0
0
1 =+
Transformasi Laplace:
dimana:
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 20
Respon Dinamik Instrumen Order Dua2.1 Karakteristik Pengukuran
Hubungan input dan output:io
oo xbxadtdxa
dtxda 0012
2
2 =++
ratiodampingaa
a==
20
1ζ
…. (2.1.10)
]/[,2
0 timeradfrequencynaturalundampedaa
n ==ω
…. (2.1.12)
Order dua
…. (2.1.13)
…. (2.1.14)
1212 22
2
2 ++=
++=
ssK
ssK
xx
nn
i
o
ζττωζ
ω
…. (2.1.11)( ) io
o
n
o
n
Kxxdtdx
dtxd
=++ωζ
ω21
2
2
2
Transformasi Laplace:
dimana:
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 21
2.2. Pengukuran Suhu
Gb. 2.2.1. Rentang/skala suhu.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 22
2.2 Pengukuran Suhu
Beberapa Metode Pengukuran Suhu
1. Expansion Thermometer
2. Filled-System Thermometer
Expansion of solidExpansion of liquidExpansion of gas
Liquid-filled thermometerVapor-pressure thermometerMercury-filled thermometer
3. Electrical Temperature Instrument Resistance thermometerThermocoupleThermistor
4. PyrometerRadiation pyrometerOptical pyrometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 23
2.2 Pengukuran Suhu
Bimetallic Thermometer
Ekspansi elemen bimetallic (dua strip logam). Masing-masing strip logam mempunyai koefisien ekspansi termal berbeda. Ketika strip dipanaskan, seiring dengan naiknya suhu, keduanya berekspansi denganpanjang berbeda (Gb. 2.2.2).
Gb. 2.2.2. Bimetallic Strips
Jarak ekspansi proporsional terhadap pangkat dari panjang strip danberbanding terbalik dengan tebal strip (logam). Pergerakan bimetallic digunakan menggerakkan pointer sehingga melintasi skala kalibrasi suhu.
tetap
Tersedia: –103 s.d. 1004 oF
atau –75 s.d. 540 oC
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 24
2.2 Pengukuran Suhu
Gb. 2.2.5. 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 / 25
2.2 Pengukuran Suhu
Gb. 2.2.4. Thermometer with helical bimetallic element
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 26
2.2 Pengukuran Suhu
Liquid in Glass Thermometer
Gb. 2.2.5. Liquid in glass thermometer
Salah satu alat ukur suhu yang paling sederhana, dan digunakan di laboratoriumdan industri.Range: –18.4 s.d. 608 oF atau –120 s.d. 320 oC
Alkohol : untuk suhu sangat rendah
Merkuri : untuk suhu tinggi (merkurimembeku pada suhu –39 oC).
Mudah pecah dan tidak mudah beradaptasidengan perubahan suhu, sehinggapenggunaannya di industri terbatas.
Termometer gelas berisi air raksa yang digunakan di industri: tangkiterbuka berisi cairan, kettle, steam line,dan aliran fluida dalam pipa.
Tidak digunakan, jika suhu berfluktuasiakan diukur dengan akurasi tinggi.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 27
2.2 Pengukuran Suhu
Gb. 2.2.6. Liquid in metal thermometer
Kelemahan termometer gelas diatasi denganpenggunaan termometer logam.
Glass bulb diganti dengan steel bulb
Merkuri digunakan sebagai cairan, karenatidak kelihatan, bourdon tube digunakanuntuk mengukur perubahan volume cairan.
Ketika suhu naik, volume merkuri dalambulb mengembang, bourdon tube cenderunguntuk lurus, sehingga dapat menggerakkanpointer.
Liquid in Metal Thermometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 28
2.2 Pengukuran Suhu
Rentang suhu dari cairan yang digunakan dalam termometer logam:
–87 s.d. +260–125 s.d. +500Cairan organik lain+20 s.d. +90+70 s.d. +195Ether–46 s.d. +150–50 s.d. +300Alcohol–40 s.d. +400–40 s.d. +750Xylene–39 s.d. +650–3 s.d. +1200Mercury
Rentang suhu(oC)
Rentang suhu(oF)
Cairan
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 29
2.2 Pengukuran Suhu
Gb. 2.2.7. Filled-system thermometer
Filled-system ThermometerJika bulb dipanaskan ataudidinginkan, maka fluidadidalamnya mengembang atauberkontraksi, sehingga bourdon tube bergerak.
Perpindahan bourdon tube menggerakan pointer untukmembaca suhu.
Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene, toluene.
Koefisien ekspasi xyleneadalah 6 kali mercury.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 30
Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene, toluene.
Koefisian ekspasi xylene adalah 6 kali koef ekspansi mercury, jadimemungkinkan perancangan bulb kecil.
Liquid-filled Thermometer
Kadang-kadang, air digunakan sebagai pengisi bulb
Kriteria yang harus dipenuhi:
1. Tekanan sistem (di dalam bulb) harus lebih besar daripadatekanan uap cairan pengisi, untuk mencegah penguapan.
2. Cairan pengisi tidak boleh membeku supaya tidakmengganggu kalibrasi/pembacaan suhu.
2.2 Pengukuran Suhu
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 31
2.2 Pengukuran Suhu
Gb. 2.2.8. Vapor-pressure thermometer
Vapor-pressure Thermometer
Bulb sebagian berisi cairan, kapilerdan bourdon berisi gas.
Cairan mendidih dan menghasilkangas/uap yang mengisi kapiler danbourdon. Cairan terus mendidihsampai mencapai tekanan uapnya.
Di titik Pvap cairan berhentimendidih, kecuali jika suhu naik.
Saat suhu turun, sebagian uapmengembun, dan tekanan turun.
Karena perubahan tekanan ini, bourdon menggerakkan pointer yang dapat mengindikasikan suhu.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 32
2.2 Pengukuran Suhu
Rentang suhu cairan yang digunakan dalam vapor-pressure thermometer
120 s.d. 220 oC100 oC375 oCWater
130 s.d. 300 oF (60 s.d. 160 oC)34.5 oC194 oCDi-ethyl ether
80 s.d. 180 oF4.6 oC----Methyl bromide
60 s.d. 130 oF (20 s.d. 80 oC)– 0.6 oC154 oCBulane (n)
30 s.d. 100 oC12.2 oC187 oCEthyl-chloride
150 s.d. 250 oC110.5 oC321 oCToluene
200 s.d. 350 oF78.5 oC243 oCEthyl-alcohol
30 s.d. 120 oC– 10 oC157 oCSulphur dioxide
30 s.d. 130 oF (0 s.d. 50 oC)– 23.7 oC143 oCMethyl chloride
Untuk mengukur suhu sangat rendah (sampai– 253 oC)
– 185.7 oC– 122 oCArgon
Rentang suhu yang tersediaTitikdidih
Suhukritis
Cairan
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 33
Gb. 2.2.9. Types of thermometer bulbs
Mercury-filled Thermometer
Similar dengan liquid-filled thermometer, keduanya dipisahkan karenakarakteristik mercury yang unik dan kepentingannya dalam pengukuransuhu medium.
Karakteristik Mercury :
• mendukung operasielemen pengendalian
• akurasi cukup tinggi
• respon cepat
• Rentang tekanantinggi: 400 s.d. 1200 psig
2.2 Pengukuran Suhu
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 34
2.2 Pengukuran Suhu
Perbandingan beberapa fluida pengisi pada filled-system thermometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 35
2.2 Pengukuran Suhu
Electrical Temperature Instruments
Resistance Thermometer
Gb. 2.2.10. Resistance thermometer
Karena tahanan logam tertentuberubah dengan berubahnya suhu, sifatini digunakan untuk mengukur suhu.
Jika T ↑ maka R ↑ (vice versa).
Elemen tahanan biasanya panjang(dibentuk spiral), diselubungi denganporselin untuk mencegah hubungansingkat antara wire dan metal sheath.
Jenis-jenis logam: platinum, copper, dan nickel.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 36
Karakteristik beberapa RTD
2.2 Pengukuran Suhu
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 37
2.2 Pengukuran Suhu
Thermocouple
Gb. 2.2.11. Thermocouple
Jika salah satu junction dipanaskan, arusmengalir dalam circuit dan dideteksi olehgalvanometer.
Prinsip kerjathermocouple tergantung daripengaruh thermo-electric.
Jumlah arus yang dihasilkan tergantung dari perbedaan suhu antara duajunction 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 / 38
Gb. 2.2.12. Penerapan thermocouple
2.2 Pengukuran Suhu
Penerapan thermocouple
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 39
Gb. 2.2.13. EMF chart for various thermocouples with free end at 0 oC
2.2 Pengukuran Suhu
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 40
Gb. 2.2.14. Radiation pyrometer
Radiation Pyrometer
2.2 Pengukuran Suhu
Pyrometry adalah salah satuteknik pengukuran suhu tanpakontak fisik, tetapi suhu fluidadideteksi dengan mengukurradiasi elektromagnetik.
Lensa digunakan untuk menyatukan (focus) energi radiasi dari bodi. Radiasienergi diterima oleh detector (thermocouple, thermophile), dan diteruskanke recorder, sehingga suhu fluida dapat dibaca.
Dalam pyrometer radiasi, sebuah bodi hitam digunakanuntuk menyerap panas.
Pryrometer dapat mengukur suhu tinggi (>1400 oC)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 41
Gb. 2.2.15. Industrial optical pyrometer
Optical Pyrometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 42
2.3. Pengukuran Tekanan
AFP =Definisi: …. (2.3.1)
Barometric Pressure
Total or Absolute Pressure
(Psia)
Gauge Pressure
Vacuum
Absolute Pressure Absolute Reference
Atmospheric Reference (Standard Atmospheric Pressure = 760 mm Hg
= 29.921 in Hg
= 14.696 psia)
Pres
sure
Gb. 2.3.1. Hubungan antara tekanan absolut, gauge, dan barometrik.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 43
Beberapa Metode Pengukuran Tekanan
1. Manometer method
(paling sederhana)
2. Elastic Pressure Transducers
U-tube manometerWell-type manometerBarometerMicromanometer
C-type bourdon tube pressure gaugeDiaphragm pressure transducerBellows
3. Pressure measurement by measuring vacuum
4. Force-Balance Pressure Gauge
5. Electrical pressure Transducer
2.3 Pengukuran Tekanan
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 44
2.3 Pengukuran Tekanan
U-tube manometer
( ) ( )( )( )ghP
ghhPP
l
l
ρρρρ−=
−−=− 2121
…. (2.3.2)
Dimana:
Gb. 2.3.2. U-tube manometer
ρ = densitas fluida di dalam U-tube
ρl = densitas fluida yang diukur tekanannya
h = (h1 – h2), perbedaan ketinggian fluida dalam U-tube
g = percepatan grafitasi
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 45
2.3 Pengukuran Tekanan
Banyak digunakan karena pengukurannya lebih mudah: pembacaan hanyapada salah satu leher tube.
Akurasi tinggi dapat tercapai jika zero-level pada well diset pada zero-levelpada skala sebelum pembacaan dilakukan
Well-type manometer
Gb. 2.3.3. Well-type manometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 46
2.3 Pengukuran Tekanan
Alat ukur tekanan absolute dengan rentang tekanan dari zero absolutesampai atmospheric pressure.
Biasanya dinyatakan dalam mm Hg.
Barometer
Gb. 2.3.4. Barometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 47
Elastic Pressure TransducerMenggunakan elemen sensor elastis: Bourdon tube, bellows, dandiaphragm.
Gb. 2.3.5. C-type bourdon tube pressure gauge
C-type bourdon tube pressure gauge
2.3 Pengukuran Tekanan
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 48
Digunakan secara luas untuk tekanan gauge; dan dapat mendeteksi tekananrendah: 0 – 4 mm.
Diaphragm Pressure Transducer
2.3 Pengukuran Tekanan
Gb. 2.3.6. Diaphragm pressure transducer
(a) Metallic Diaphragm(b) Slack Diaphragm Gauge
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 49
Digunakan untuk mengukur tenakan absolut (tekanan rendah)
Range: tekanan rendah sampai 155.1 mmHg (3 psi) ;
atau sampai 40 mmHg, jika bellows dibuat cukup besar.
Bellows
2.3 Pengukuran Tekanan
Gb. 2.3.7. Bellows pressure element Gb.2.3.8. Differential Bellows Gauge
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 50
2.4. PengukuranLevelMerupakan salah satu pengukuran tertua
Penting dalam proses industri berpengaruh terhadap tekanan danlaju alir masuk dan keluar tangki.
Metode Pengukuran:
Langsung:
Tak-langsung:
Sight Glass
Float-type
Hydrostatic pressure type
Electrical method
Sight glass for an open tank
High pressure sight glass
Float-operated liquid level indicator
Hydraulic transmission system
Press. Gauge method
Air bellows
Air purge system
Capacitance level indicator
Radiation level detector
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 51
Sight Glass
Disebut juga gauge glass; digunakan untuk pengukuran level cairan dalamtangki secara kontinyu.
2.4 Pengukuran Level
Gb. 2.4.1. Sight glass for an open tank
Ketika level cairan dalam tangki bergerak naik atau turun, level cairan dalamsight 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 / 52
Untuk tekanan tinggi, sight glass harus dihubungkan dgn tangki pada bagianatas dan bawah (Gb. 2.4.2). Jika tidak perbedaan tekanan antara tangki dansight glass akan menyebabkan kesalahan pembacaan.
Sight Glass (lanjutan)
2.4 Pengukuran Level
Gb. 2.4.2. High pressure sight glass
Valve dipasang untuk mencegah pecahnya glass.
Panjang glass ≤ 900 mm. Jika lebih; 2 atau lebih sight glass harus disediakanuntuk level yang berbeda.
Mampu menahan tekanan:350 psi (steam 252 oC)1000 psi (cairan)
Batasan:
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 53
2.4 Pengukuran Level
Kelebihan:
Sight Glass (lanjutan)
1. Pembacaan langsung sangat memungkinkan.2. Perancangan khusus tersedia untuk penggunaan sampai 316 oC dan
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 cairan kental
(viscous) tidak dapat diukur levelnya dengan baik.4. Akurasi tergantung pada kebersihan glass dan cairan.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 54
Gb. 2.4.3. Float-operated liquid level indicator
Float-Type Level Indicator
2.4 Pengukuran Level
Standard Liquid Level:
½ ft – 60 ft (0,15 – 1,52 m)
Pergerakan float ditransmisikanmelalui stainless steel atau phosphor bronze flexible cable ke pointer , danpointer menunjukkan ketinggiancairan dalam tangki.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 55
Gb. 2.4.4. Hydraulic Transmission System for Level Indication
Float-Type Level Indicator
Level cairan dapatditransmisikan ke suatutempat dengan sistemtransmisi hidrolik
2.4 Pengukuran Level
Empat elemen bellow terhubungkan satu sama lain melalui pipa berisi minyak:
2 di receiver (A & B)
2 di transmitter (C & D)
Float naik: A mengembang dan B tertekan, minyak di pipa mengalir dari B keC, 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 / 56
Kelebihan:
Float-Type Level Indicator (lanjutan)
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.
2.4 Pengukuran Level
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 57
2.4 Pengukuran Level
Pressure Gauge Method
Gb. 2.4.5. Open Tank Pressure Indicator
• Metode paling sederhanauntuk pengukuran level tangki terbuka
• Tekanan hidrostatik:
gShP ρ=
• Level cairan:
gSPhρ
=
…. (2.4.1)
…. (2.4.2)
• Jika tangki tertutup:
extg PShP += ρ …. (2.4.3)
P = tekanan: psi atau N/m2
ρ = densitas airSg= specific gravity
h = tinggi cairanPext = tekanan cairan eksternal (tangki tertutup)
Dimana:
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 58
2.4 Pengukuran Level
Air Bellows
Gb. 2.4.6. Flexible air bellows
Ketika instrumen tidak dapatdiletakkan di datum tertentu, dipilihair bellows
Bellows element dihubungkan denganpress indicator menggunakan pipa.
Ketika tangki kosong, udara tidaktertekan dan menunjukkan tekanannol.
Saat tangki terisi cairan, udara dalam bellows tertekan, dan pointer bergerakmenunjukkan tekanan cairan dalam tangki. Tekanan ini dikalibrasikanmenjadi tinggi cairan (level).
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 59
Gb. 2.4.7. A closed box air bellows connected to the pressure fluid tank
Air Bellows
2.4 Pengukuran Level
• Aplikasi Industri.
• Liq seal digunakanuntuk pengukuranlevel cairan yang korosif atau viscous.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 60
2.4 Pengukuran Level
Air Purge System
Gb. 2.4.8. Air purge system
• Bubbler tube
• Cocok untuk semuacairan
• Jika tangki kosong, udara keluar daritube, dan tidak adatekanan baliksehingga tekanannol.
• Jika tinggi cairan bertambah, aliran udara terhambat oleh ketinggian cairantsb, 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 / 61
Gb. 2.4.9. Capacitance level indicator
2.4 Pengukuran Level
Capacitance Level Indicator
• Parallel plate capacitor:
DAKC = …. (2.4.4)
C = capacitance: faradK = konstanta dielektrikA = luas plate, m2
h = jarak dua plate: m
Dimana:
• 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 / 62
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: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.
2.4 Pengukuran Level
Capacitance Level Indicator
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 63
2.4 Pengukuran Level
Radiation Level Detector
Gb. 2.4.10. Radiation type level indicator
• Digunakan ketika, metodeelektrik yang lain tidakmemungkinkan
• Tidak memerlukan kontakdengan cairan yang diukur.
Gammaray
• Jika tangki kosong: γraymenembus dua dinding tangkidan udara dalam tangki.
• Jika tangki berisi cairan: cairan dalam tangki mengurangi radiasi γray . Besarnya radiasi berbanding terbalik dengan volume cairan dalam tangki.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 64
Kelebihan:1. Tidak ada kontak fisik dengan cairan.2. Cocok untuk cairan: korosif, abrasif, viscous, adherent3. 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
2.4 Pengukuran Level
Radiation Level Detector
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 65
2.5. Pengukuran Laju aliranMerupakan pengukuran tertua di bidang Instrumentasi
Menentukan jumlah material yang masuk atau keluar proses.
Metode pengukuran laju aliran:
1. Inferential type flowmeter
2. Quantity flowmeter
3. Mass flowmeter
Inferential type flowmeters
Variable head or differential meter
Akan dibahas
Variable area meter
Turbine meter
Thermal meter
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 66
2.5 Pengukuran Laju Aliran
Variable Head or Differential Meter
Gb. 2.5.1. Differential Pressure Flowmeter
Salah satu metode tertua dan sering digunakan di industri
…. (2.5.1)
…. (2.5.2)
Dari teori Bernoulli:
( )ρ212 2 ppACm −=
( )( )
21
421
2 12. ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡−−
=βρppAcq d
Laju volumetrik
Laju alir massa
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 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
tconscC d tan1 4
=−
=β
cd = discharge coefficient
( )( )pipetheofdiameterinsideD
elementnrestrictioofdiameterdratiodiameter ==β
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 68
2.5 Pengukuran Laju Aliran
Gb. 2.5.2. Orifice Plates
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 69
2.5 Pengukuran Laju Aliran
Gb. 2.5.3. Venturi tubes: (a) Classic ; (b) Eccentric ; (c) Rectangular
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 70
This is a Venturi tube demonstration apparatus built out of PVC pipe and operated with a vacuum pump
A copper aspirator. The water inlet and outlet are at the top and bottom, respectively; the air inlet is on the side.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 71
2.5 Pengukuran Laju Aliran
Variable Area Flowmeter
Gb. 2.5.4. Rotameter
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 72
2.5 Pengukuran Laju Aliran
Turbine Flowmeter
Gb. 2.5.5. Turbine Flowmeter
Cocok untuk pengukuran cairan dan gas dengan laju alir sangat rendah.
Akurasi: ±1/4 s.d. ±1/2
Aplikasi:
+ Militer
+ Sistem pencampuran(industri petroleum)
+ Aerospace and airborne
+ Cryogenic (liq. O2 and N2)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 73
Liquid Measuring Devices:
Liquid/Gas Ultrasonic Flow Meter Liquid Turbine Flow Meter
Orifice Plates
2.5 Pengukuran Laju Aliran
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 74
Gas Measuring Devices
Orifice plate flowmeter
Orifice plate holder
Mini Gas turbine flowmeter
Gas Turbine Flowmeter
Venturi tubes
Flow Nozzles
2.5 Pengukuran Laju Aliran
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN INDALPRO / 75
2.5 Pengukuran Laju Aliran
Thermal Flowmeter
Gb. 2.5.6. Heat transfer flowmeter
( )12 TTWCQ P −=
( )12 TTCQW
P −=
…. (2.5.3)
…. (2.5.4)
Sangat populer untuk pengukuran aliran gas tidak tunak.
Ada 2 : heat transfer flowmeter dan hot-wire flowmeter.
Dimana:
Q = perpindahan panas
W = laju alir massa fluida
CP = Kapasitas panas fluida
T1 = suhu fluida sebelum dipanaskan
T2 = suhu fluida setelah dipanaskan