Instrumentasi Proses pada alat Ukur

KONSEP UMUM ALAT UKUR

Secara umum konsep alat ukur dapat digambarkan dalam dua katagori pokok pertama operasi dan daya guna dilihat dari unsur-unsur fungsional sistem alat ukur, dan kedua dilihat darai karakteristik statis dan dinamisnya.
Video alat-alat kimia dapat di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0

Elemen-elemen fungsional suatu instrumen

Secara umum instrumen terdiri dari susunan elemen-elemen fungsional yang mengandung semua fungsi dasar yang dianggap perlu untuk menerangkan setiap instrumen, yaitu :

1.      Elemen perasa utama (Primery Sensing Elemen) adalah elemen yang pertama kali menerima energi dari medium yang diukur dan menghasilkan keluaran yang sedikit banyaknya tergantung pada besaran yang diukur (“measurand”).

2.      Elemen pengubah variabel (Variable Conversion Elemen) adalah elemen yang mengubah sinyal keluaran dari elemen perasa utama yang berupa variabel fisik seperti pergeseran atau tegangan listrik ke variabel lain yang lebih sesuai namun tetap mengandung informasi sinyal aslinya.

3.      Elemen manipulasi variabel (Variable Manipulation Element) adalah elemen yang memanipulasi variabel yang dihasilkan oleh elemen pengubah variabel.Manipulasi disini diartikan secara khusus sebagai suatu perubahannilai numerik yang mengikuti aturan tertentu, tetapi sifat fisik dari variabelnya tidak berubah. Misalnya suatu penguat elektronik yang menerima sinyal tegangan kecil sebagai masukan dan menghasilkan sinyal keluaran yang tetap berupa tegangan tetapi beberapa kali lipat lebih besar dari masukannya.

4.      Elemen transmisi data (Data Transmission Element) adalah elemen yang mentransmisikan data dari satu elemen ke elemen lainya bila elemen-elemen tersebut secara fisik terpisah.

5.      Elemen penyaji data (Data Presentation Element) adalah suatu elemen yang berfungsi untuk menyajikan besaran yang diukur untuk tujuan pemonitoran, pengendalian, atau analisis. Dengan demikian informasi tersebut harus disajikan dalam bentuk yang dapat diterima oleh salah satu indra manusia.

Klasifikasi instrumen berdasarkan operasinya

Berdasarkan operasinya instrumen dibedakan atas :

1. Instrumen yang menggunakan prinsip metoda nol
2. Instrumen yang menggunakan prinsip metoda defleksi

Pada instrumen jenis defleksi, besaran yang diukur menghasilkan efek fisik yang memberi efek yang sama tapi berlawanan pada beberapa bagian instrumen. Efek melawan ini berhubungan erat dengan beberapa variabel (biasanya pergeseran mekanis atau defleksi) yang secara langsung dapat ditangkap oleh indra manusia. Efek melawan bertambah sampai keseimbangan tercapai, yang pada titik ini “defleksi” diukur dan nilai besaran yang diukur diperoleh dari sini.  Gambar pengukur tekanan memperlihatkan contoh instrumen jenis defleksi, karena gaya tekanan dari fluida menghasilkan gaya pegas melawan sebagai akibat ketidakseimbangan gaya pada batang piston (disebut sambungan penjumlahan gaya), yang mengakibatkan defleksi pegas. Pada saat pegas menyimpang, gayanya bertambah. Jadi keseimbangan akan tercapai pada suatu defleksi jika tekanan berada pada rentangan desain instrumen.

Gambar - Pengukur tekanan

Sebagai contoh untuk konsep di atas ditinjau pengukur tekanan sederhana seperti pada gambar. Satu dai sekian interpretasi yang benar adalah sebagai berikut: Elemen utama adalah piston, yang juga sebagai elemen pengubah tekanan fluida (gaya persatuan luas) menjadi gaya resultan pada permukaan piston. Gaya ditransmisikan oleh batang piston ke pegas, yang mengbah gaya menjadi pergeseran yang sebanding. Pergesaran batang piston ini diperbesar (manipulasi) oleh sambungan untuk memberi perpindahan jarum yang lebih besar. Jarum dan sekala menunjukan tekanan, jadi berfungsi menjadi penyajian data. Jika diinginkan penempatan pengukur yang berjauhan dengan sumber tekanan, sebuah tabung kecil dapat dipakai sebagai elemen transmisi data.

Termometer jenis tekanan pada gambar cairan pada tabung bertindak sebagai elemen perasa utama dan pengubah variabel karena perubahan temperatur mengakibatkan penambahan tekanan di dalam tabung yang disebabkan oleh pemuaian termal fluida. Tekanan ini ditransmisikan melalui pipa ke pengukur tekanan jenis Bourdon, yang mengubah tekanan menjadi pergeseran. Pergeseran ini dimanifulasi oleh batang penyambung dan rda gigi untuk memberi gerakan jarum yang lebih besar. Skala dan jarum bertindak sebagai penyajian data.

Klasifikasi instrumen berdasarkan operasinya

Jenis instrumen lainnya ialah peralatan jenis nol yang berusaha mempertahankan defleksi pada nol dengan membuat efek melawan yang sesuai terhadap efek besaran yang diukur. Untuk maksud tersebut alat jenis ini memerlukan detektor ketidak-seimbangan dan alat untuk keseimbangan. Karena defleksi dibuat nol (idealnya) maka diperlukan pengetahuan penentuan nilai numerik yang tepat tentang besarnya efek melawan. Salah satu contoh instrumen yang bekerja berdasarkan metode nol.

KARAKTERISTIK KERJA ALAT UKUR

         Pasal-pasal berikut akan membahas komponen-komponen fungsional suatu system pengukuran. Masih tersisa pertanyaan penting yang belum dijawab seperti seberapa jauh ketapatan suatu alat ukur dan system pengukuran mampu mengukur masukan yang dikehendaki, dan bagaimana alat ukur tersebut menolak masukan palsu. Karateristik daya guna alat ukur secara garis besar, yaitu karakteristik statis dan dinamis. Secara umum karakteristik statis juga mempengaruhi kualitas pengukuran di bawah kondisi dinamis. Dalam kenyatannya persamaan-persamaan diferensial daya guna dinamis mengabaika pengaruh gesekan kering, bolak balik (backlash), histerisis, sebaran statistik dan sebagainya, walaupun persamaan-persamaan tersebut mempunyai pengaruh pada tingkah laku dinamis. Tentu saja pendekatan ini merupakan perkiraan, namun sangat berguna.

KARAKETRISTIK STATIS

Dapat ditetapkan suatu criteria daya guna alat ukur yang memberikan gambaran yang bermakna megenai kualitas pengukuran tanpa memperhatikan gambaran dinamis yang melibatkan persamaan diferensial. Dengan kata lain, karakteristik statis alat ukur adalah karateristik yag harus diperhatikan apabila alat tersebut digunakan untuk mengukur suatu kondisi yang tidak berubah karena waktu atau hanya berubah secara lambat laun.

KALIBRASI

Kalibrasi mengacu kepada suatu keadaan dimana semua masukan (yang dikehendaki, yang mengganggu, yang mengubah) kecuali satu masukan dipertahankan pada nilai tetap,  Masukan yang dipelajari tersebut kemudian diubah-ubah  sepanjang rentang nilai konstanta yang sama, yang menyebabkan nilai keluaran berubah sepanjang rentang nilai konstanta tertentu. Prosedur yang sama diulangi secara bervariasi sesuai dengan setiap masukan yang teliti berdasarkan minat, sehingga mengembangkan satu kumpulan hubungan masukan-keluaran statis. Jumlah data yang sedikit dapat dihitung secara statistik untuk memeperoleh nilai spesifik dari suatu tes signifikansi. Hubungan masukan-keluaran harus disajikan dengan grafik yang menyatakan keadaan ketika hubungan tersebut dibuat. Curve fitting yang dibuat nampaknya memegang peranan penting dalam menggambarkan hubungan masukan-keluaran alat ukur. Metode kuadrat terkecil dari suatu curve fitting digunakan untuk tujuan ini dalam penggunaaan yang luas.

Tidak mungkin melakukan kalibrasi suatu alat ukur dengan ketepatan lebih besar dari standar kalibrasi pembanding. Suatu aturan yang sering diikuti adalah suatu standar kalibrasi yang paling sedikit mempunyai ketepatan 10 kali alat ukur yang dikalibrasi. Jadi adalah amat penting bahwa orang yang melakukan kalibrasi alat ukur harus yakin bahwa standar kalibrasi mempunyai ketepatan yang memadai sebagai pembanding.

Pada penggunaan yang berkesinambungan, mungkin terjadi bahwa setelah beberapa waktu alat ukur mengalami kesalahan nilai nol. Jadi bagi semua jenis alat ukur kalibrasi angka nol dan jangka waktunya perlu dilakukan. Penting pula bagi pemakai untuk mengetahui bagaimana kalibrasi dilakukan.

KETELITIAN

Ketelitian juga dikenal sebagai reproduksibiltas. Ketelitian pembacaan merupakan kecocokan antara pembacaan- pembacaan itu sendiri. Jika nilai yang sama dari peubah yang terukur, diukur beberapa kali dan memberikan hasil yang kurang lebih sama, maka alat ukur tersebut dikatakan mempunyai ketelitian atau reproduksibilitas tinggi, dan juga berarti alat ukur tidak mempunyai penyimpangan. Penyimpangan nilai alat ukur yang telah dikalibrasi disebabkan oleh berbagai faktor seperti kontaminasi logam pada termokopel. Hal ini terjadi secara berangsur-angsur dalam suatu perioda waktu dan nampaknya tidak diperhatikan. Penyimpangan ini hanya dapat diketahui melalui pemeriksaan secara berkala kalibrasi alat ukur.

KETEPATAN

Ketapatan didefinisikan sebagai tingkat perbedaan yang sekecil-kecilnya antara nilai pengamatan dengan nilai sebenarnya. Untuk memperoleh ketapatan yang diharapkan kalibrasi alat ukur, perlu dilakukan secara berkala dengan menggunakan standar konstan yang telah diketahui.  

Meskipun semua pemakai alat ukur bertujuan agar selalu memperoleh tingkat ketepatan setinggi mungkin, namun kesalahan relatif tetap harus diingat. Ukuran relatif suatu kesalahan biasanya dinyatakan dalam lingkup nilai ssungguhnya dari kuantitas yang diukur, sebagai persentase. Sebagai contoh bila termokopel digunakan untuk mengukur suhu api, misalnya pada 1000 ^oC  dengan ketapatan  ± 5 ^o C

Dalam kasus alat ukur terdiri dari beberapa satuan (seperti orifice plate dan manometer pada satu flow meter), tiap satuan memiliki batas kesalahannya masing-masing. Katakanlah alat ukur terdiri dari tiga satuan, batas kesalannya berturut-turut adalah ±a,±b,±c. Maka kemungkinan kesalahan maksimum adalah ± (a +b+c). Tak mungkin semua satuan mempunyai kesalahan maksimum pada waktu yang sama. Jadi ketepatannya sering dinyatakan dalam akar jumlah kuadrat kesalahan ± (a²+b²+c²

Untuk memberikan gambaran lengkap mengenai ketepatan suatu alat ukur, suatu grafik harus digambarkan yang menunjukan nilai kesalahan di berbagai titik pada skala dan dibandingkan dengan nilai sebenarnya. Mula-mula alat ukur harus dikalibrasi pada satu arah dan kemudian pada arah yang lain, atau arah sebaliknya. Dengan cara ini diperoleh dua kurva yang menunjukkan nilai kesalahan dan histerisis pada tiap pembacaan. Histerisis biasanya disebabkan oleh gesekan atau gerak balik ( back klash) pada gerakan alat ukur atau karena perubahan pegas pengendali. Kurva seperti itu dapat digunakan untuk mengoreksi pembacaan alat ukur.

KEPEKAAN

Kepekaan alat ukur secara umum mengacu kepada dua hal. Pada beberapa kasus kepekaan menyatakan perubahan terkecil nilai peubah yang diukur di mana alat ukur memberikan tanggapan sementara aliran pemikiran lain menganggap kepekaan sebagai ukuran perubahan yang dihasilkan oleh alat ukur untuk suatu perbahan peuabah yang dikukur.

Daerah mati (dead zone) adalah rentang nilai terbesar dari peubah yang diukur di maa alat ukur tidak memberikan tanggapan. Daerah mati biasanya terjadi krena gesekan pada alat penunjuk dan alat pencatat paling sering terjadi pada alat pencatat. Juga ditemukan jenis mekanisme tertentu yang hanya dapat menunjukkan sedikit perubahan dan perubahan diskret dari nilai peubah yang diukur.

JANGKAUAN (RANGEABILITY)

Jangkauan (rangeabilitas) dari instrumen biasanya diartikan perbandingan pembacan meter maksimum ke pembacan meter minimum, di mana kesalahan kurang dari harga yang dinyatakan. Dalam hal pengukuran yang mempunyai jarum atau pena, ketidakmampuan pemakai untuk menafsirkan perpindahan kecil dari jarum atau pena secara tepat, membatasi jangkauan. Pengukur sempurna tidak lebih baik daripada apa yang dapat dibacanya. Karena itu kesalahan pembacan harus ditambahkan ke faktor-faktor lain yang membatasi ketelitian dalam pengkur sebenarnya, seperti misalnya geseran, gerakan yang hilang dan sebagainya dalam menentukan ketelitian pengukur. Dalam hal pengaruh kesalahan pada besaran total yang diukur  sangat kecil, dapat diterima jangkauan (rangeabilitas) yang lebih tinggi. Sebaliknya kalau instrumen digunakan untuk kendali (kontrol), atau untuk pengukuran bahan dalam pabrik, ketelitian yang tinggi seperti persentasi harga sebenarnya akan diperlukan yang sebagai akibatnya membatasi jangkauan yang dapat diterima.

KESALAHAN PENGUKURAN

Dalam melakukan pengukuran fisik, tujuan utamanya adalah memperoleh suatu nilai yang terdiri dari satuan yang diplih dan besarannya, yang akan menyatakan besar kuantitas fisik yang diukur. Sebagai contoh dalam pengukuran tekanan, satuan yang diplih adalah bar dan besranya adala 100 jadi 100 bar. Tingkat kegagalan dalam mensfesikasi besaran ini secra pasti, dan ini berarti pula variasi kuantitas nilai yang dinayatakan dari nilai sebenarnya, merupakan kesalahan pengukuran.

Kesalahan ini muncul dalam sistem pengukuran itu sendiri dan dari standar yang digunakan untuk kalibrasi sistem tersebut. Sebagai tambahan untuk kesalahan yang dihasilkan dari kalibrasi sistem pengukuran yang salah, ada sejumlah sumber kesalahanyang perlu diperiksa. Sumber kesalahan ini meliputi (1) derau (noise), waktu tanggap (respone time), (3) keterbatasan rancangan (design limitation), (4) pertambahan atau kehilangan energi karena interaksi, (5) transmisi , (6) keausan atau kerusakan sistem pengukuran, (7) pengaruh ruangan terhadap sistem, (8) kesalahan penafsiran oleh pengamat.

Dalam memperkirakan besar ketidak pastian atau kesalahan dalam menyatakan nilai kuantitas sebagai hasil pegukuran, harus dibedakan antara dua golongan kesalahan : sistematis dan acak. Kesalahan sistematis adalah kesalahan yang secara konsisten terulang apabila dilakukan pengulangan percobaan. Kesalahan kalibrasi sistem pengukuran atau suatu perubahan dalam sistem yang menyebabkan penunjuk menyimpang secara konsisten dari nilai kalibrasi merupakan kesalahan jenis ini. Contohnya antara lain adalah perubahan kelenturan pegas atau diafragma karena umur atau penurunan kekuatan magnit karena shock atau tua. Kegagalan memperhitungkan pengguanaan energi dari sumber tingkat rendah untuk mengoprasikan sistem pengukuran juga akan menghasilkan kesalahan sistematis.

Dalam mencari kesalahan sistematis dan mengevaluasinya, secara umum cukup membantu dengan membuat suatu perubahan tertentu dan diketahui terhdap paarameter-parameter pengukuran yang masih berada di bawah kendali operator, dan menggunakan alat ukur yang berbeda, atau jika mungkin menggunakan alat ukur yang berbeda. Dengan cara ini, kesalahan yang merupakan fungsi dari salah satu diantara parameter-parameter terkendali diubah besarnya; atau kesalahan yang timbul dari kesalahan kalibrasi alat ukur atau kesalahan yang melekat pada metode tertentu dapat diubah. Kesalahan acak adalah kesalahan yang terjadi secara kebetulan, besarnya berfluktuasi tanpa bisa diduga dengan menggunakan pengetahuan sistem pengukuran dan kondisi pengukuran.

Dalam pengukuran kuantitas fisik, pengamatan dipengarhi oleh banyak faktor pendukung. Faktor-faktor ini adalah parameter parameter pengukuran. Pada pengukuran yang ideal semua parameter mempunyai nilai tertentu yang tetap, sehingga besaran yang diukur ditetapkan secara sempurna dan dapat ditentukan  secara pasti.  

  

       Tersedia prosedur statistik yang memungkinkan untuk menyatakan nilai kuantitas yang paling mungkin dari sekumpulan data, kemungkinan timbulnya ketidakpastian dari suatu pengamatan, dan batas kemungkinan ketidakpastian dari nilai terbaik yang dapat diperoleh dari data. Harus dicatat bahwa tujuan analisis adalah ketelitian (atau konsistensi) suatu nilai bukan ketepatan atau pendekatan kepada kebenaran. Hukum-hukum peluang hanya berlaku bagi kesalahan acak, bukan bagi kesalahan sistematis. Teknik rata-rata atau perkiraan varian dapat digunakan untuk analisis ketidakpastian yang sederhana. Cara ini hanya cocok bila data mengikuti hukum sebaran normal. Untuk prosedur statistik dan teori kemungkinan selanjutnya, seperti yang diterapkan untuk pengolahan data, pembaca dapat mempelajarinya lebih lanjut dalam buku statistik dan probabilitas.

Share this post