4
BAB II DASAR TEORI
2.1 Bejana Tekan
Pada umunya bejana tekan berfungsi sebagai wadah untuk menampung fluida bertekanan yang berupa cairan, uap air, maupun gas bertekanan yang memiliki tekanan melebihi tekanan dari udara luar, bahwa suatu fluida yang berada dalam bejana tekan akan mengalami perubahan fase ketika berada didalamnya. Terdapat tegangan-tegangan yang bekerja didalam bejana tekan yang mampu menyebabkan perubahan dimensi pada bejana tekan yaitu yang disebut regangan. Bejana tekan biasanya digunakan untuk menggabungkan antara tekanan tinggi dan suhu tinggi, fluida yang mudah terbakar, atau material dengan tingkat radio aktif tinggi. Bejana tekan dapat menampung unsur-unsur secara luas yang mencakup beberapa aplikasi seperti pada industri nuklir, minyak, industri-industri kimia, serta minyak dan gas.
2.1.1 Ketebalan Dinding Pada Bejana Tekan
a) Bejana tekan dinding tipis
Suatu bejana tekan dapat dikatakan sebagai bejana tekan berdinding tipis apabila memiliki perbandingan tebal terhadap diameternya dibawah 1:10.
Pada bejana tekan berdinding tipis tegangan yang diperhitungkan hanya pada arah circumferensial dan aksial. Pada arah circumferencsial terjadi tegangan tangensial (hoop strees), dimana tegangan tangensial merupakan gaya per-satuan luas yang arah gayanya sejajar dengan permukaan dan pada arah aksial tegangan yang terjadi adalah tegangan longitudinal (longitudinal stress) yaitu tegangan yang searah dengan panjang bejana dan juga merupakan jumlah dari tegangan aksial (aksial stress). Pada perancangan bejana tekan silinder berdinding tipis terdapat hubungan antara tekanan dan tegangan. Tekanan dan tegangan ini
kemudian akan mempengaruhi perubahan regangan yang disebabkan akibat tekanan dalam (internal pressure). (Habsya, 2012)
b) Bejana tekan dinding tebal.
Bejana tekan dapat tergolong bejana tekan berdinding tebal apabila memiliki perbandingan tebal terhadap diameternya diatas 1:10. Pada bejana tekan berdinding tebal tegangan yang diperhitungkan pada arah circumferensial, longitudinal, dan radial. Perbedaan tebal dinding dapat dilihat seperti pada gambar 2.1.
(a) (b)
Gambar 2.1 (a) bejana tekan dinding tipis (b) bejana tekan dinding tebal (Sumber:https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRk5vFK8-
jqsPV4QH-P1QIFarXInVlbdi5PUMcAg_47aU5zKqrxdw)
Pada umunya tebal atau tipis pada dinding bejana ditentukan bedasarkan tekanan fluida yang berada didalam bejana tekan itu sendiri. Dan perhitungan rumus pada persamaan 2.1 untuk dinding bejana tekan telah diatur oleh ASME sec VIII, div.1 pada ayat UG-32 dan dapat dilihat seperti dibawah ini :
(2.1)
dimana : t = tebal
P = tekanan internal (MPa)
R = diameter dalam silinder (mm)
S = tegangan yang diijinkan pada suhu tertentu (MPa) E = efisiensi sambungan
CA = corrosion allowance (tunjangan korosi)
Terdapat perbedaan yang terjadi dalam distribusi tegangan pada bagian dinding bejana, bejana tekan dinding tipis distribusi tegangannya diabaikan karena ada perbedaan diameter luar dengan diameter dalam yang sangat tipis karena distribusi tegangan yang terjadi sangat tipis. Sedangkan pada bejana dinding tebal, distribusi tegangannya harus diperhitungkan.
(Habsya, 2012)
2.1.2 Bentuk-bentuk umum bejana tekan
a) Bejana tekan berbentuk silinder
Bejana tekan ini digunakan apabila fluida yang disimpan bertekanan sedang atau tinggi. Pada bejana tekan ini umumnya memiliki diameter dari 12 feat atau kurang lebih 3.667 mm. Bejana tekan bentuk ini dapat diposisikan menjadi dua posisi yaitu vertical dan horizontal. Posisi vertical yaitu posisi tegak lurus, dimana posisi ini lebih banyak digunakan dikawasan pantai yang terbuka pada industri perminyakan. Bejana tekan posisi horizontal pengaplikasiannya lebih banyak dijumpai pada industri minyak yang ada didaratan karena memiliki kapasitas produksi lebih besar. Contoh bejana tekan vertical ditunjukan pada gambar 2.2 dan bejana tekan horizontal pada gambar 2.3.
Gambar 2.2 Bejana tekan silinder vertical (Sumber : https://encrypted-
tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRI6VwgWIWjMeyf17XRzPZluF-jM- zN15MuJ9cGiMsIage4xVmHAvuw840)
Gambar 2.3 Bejana tekan silinder horizontal
(Sumber : https://image1ws.indotrading.com/s3/category/w200- h200/17865_jual%20pressure%20vessel.jpg)
b) Bejana tekan berbentuk bola (spherical)
Bejana tekan ini pada umumnya berbentuk bulat seperti bola. Kapasitas yang mampu ditampung oleh bejana ini sekitar 1.000 sampai 25.000 bbl (barrel), atau 158.986 liter sampai 3.974.670 liter dan tekanan kurang lebih dari 66 kPa sampai 1.378 kPa. Model bejana tekan seperti ini mampu menahan tekanan yang tinggi atau memiliki kapasitas yang besar dan bejana tekan model ini memiliki kapasitas atau daya tampung yang bervariasi. Dan salah satu contoh bejana tekan sphericall seperti yang terlihat pada gambar 2.4.
Gambar 2.4 Bejana tekan bentuk spherical (Sumber : https://encrypted-
tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTqghvh1xfmvTy1hBMZ8TB5t8Kske8TfhSFc vFxOYCBaMRgcn769g)
2.1.3 Komponen-komponen Pada Bejana Tekan
a) Penutup (head)
Head merupakan bagian penutup pada bejana tekan yang memiliki beberapa bentuk bagian penutup sesuai dengan kebutuhan bejana tersebut.
Penutup pada bejana tekan tersebut memiliki beberapa jenis yaitu :
1. Ellipsoidal head yang merupakan penutup bejana tekan yang berbentuk setengah elips. Dan perhitungan untuk mencari tebal minimum pada ellipsoidal head dapat dilihat pada persamaan 2.2 yang telah diatur bedasarkan ASME sec VIII, div.1 pada ayat UG-32 seperti dibawah ini :
(2.2)
Dimana : t = tebal
P = tekanan internal (MPa) D = diameter dalam bejana (mm)
S = tegangan yang diijinkan pada suhu tertentu (MPa) E = efisiensi sambungan
CA = corrosion allowance (tunjangan korosi)
2. Hemispherical merupakan bagian penutup bejana tekan yang berbentuk setengah bola dan sering digunakan ketika bejana tekan memiliki tekanan yang tinggi. Dan perhitungan dapat dilihat pada persamaan 2.3 seperti dibawah ini :
(2.3)
Dimana : t = tebal
P = tekanan internal (MPa) L = jari-jari dalam head (mm)
S = tegangan yang diijinkan pada suhu tertentu (MPa) E = efisiensi sambungan
CA = corrosion allowance (tunjangan korosi)
b) Nozzle
Nozzle merupakan suatu lubang yang berfungsi sebagai keluar masuknya
fluida cair atau gas pada bejana tekan.
c) Lubang masuk pada bejana (manhole) dan (handhole)
Pada lubang manhole digunakan sebagai jalan untuk pengecekan pada bagian dalam bejana. Lubang tersebut digunakan pada bejana tekan yang berukuran cukup besar karena sebagai jalan masuk untuk manusia yang bertujuan untuk pengecekan bagian dalam pada bejana. Sama hal dengan lubang manhole, lubang handhole juga digunakan untuk pengecekan bagian dalam bejana tetapi lubang ini di khususkan hanya untuk bejana yang berukuran kecil atau berkapasitas kecil.
d) Penopang bejana tekan (support)
Pada bagian ini terdapat beberapa jenis penopang yaitu saddle support, leg support, dan lug support. Saddle support sering kali digunakan pada bejana tekan horizontal. Pada leg support banyaknya leg yang digunakan tergantung besarnya kapasitas,ukuran, dan pada beban bejana tekan.
Sedangkan lug support lebih sering digunakan pada bejana tekan yang menggantung.
e) Lifting lug
Merupakan komponen dari bejana yang berfungsi sebagai dudukan atau pengait pada bejana yang bertujuan untuk mempermudah memindahkan bejana ke tempat lain. Lifting lug sering digunakan pada bejana tekan yang berukuran cukup besar. (Djatmiko, 2007)
2.1.4 Macam-macam Bejana Tekan Berdasarkan Fungsinya
a) Column
Merupakan bejana tekan yang sering digunakan mengolah minyak untuk dapat menjadi produk-produk olahan seperti kerosene, long residu, over head vappur dan light gas oil.
b) Separator
Merupakan bejana tekan berfungsi sebagai pemisah cairan dan gas.
c) Receiver atau Accumulator
Merupakan bejana tekan yang berfungsi sebagai penampung over head vappur dari column. Receiver atau accumulator dapat digunakan juga
sebagai pemisah cairan gas.
d) Reactor pressure vessel
Merupakan bejana tekan yang dimanfaatkan untuk mereaksikan naptha yang dibantu oleh katalis hydrogen untuk meningkatkan nilai oktan dari naptha.
2.1.5 Faktor Yang Berpengaruh Pada Desain Bejana Tekan
a) Jenis-jenis fluida yang ditampung
Salah satu faktor yang penting untuk mendesain suatu bejana tekan adalah jenis fluida yang ditampung. Fluida yang ditampung antara lain adalah fluida air, oil, minyak dan gas.
b) Kondisi operasi
Sebelum mendesain kita harus mengetahui kondisi tekanan fluida saat beroperasi, temperature dan kapasitas tampung bejana tekan tersebut.
c) Posisi bejana tekan
Salah satu hal yang harus diperhatikan yaitu posisi bejana tekan. Pada desain bejana tekan tersebut terdapat dua posisi yaitu vertical dan horizontal.
d) Pengaruh alam atau kondisi sekitar bejana tekan
Pengaruh alam ini dapat disebabkan oleh pengaruh kekuatan gempa, kekuatan angin, serta posisi atau tempat dimana bejana tekan akan didesain itu sendiri.
e) Standarisasi
Terdapat suatu standarisasi untuk merancangan suatu bejana tekan.
Standarisasi tersebut telah diatur oleh standart internasional yaitu ASME code.
2.1.6 Pembebanan Yang Bekerja Pada Perancangan Bejana Tekan
Gaya-gaya yang diberikan kepada suatu perancangan bejana tekan disebut beban. Dalam suatu kebutuhan mendesain bejana tekan adalah menentukan nilai beban-beban aktual yang diberikan saat bejana tekan beroprasi. Pada perancangan bejana tekan tedapat suatu pembebanan pada setiap komponennya, faktor ini dikenakan gaya yang berbeda-beda pada setiap kontruksi bejana tekan yang direncanakan. Pembebanan pada bejana tekan silinder horizontal terdapat beberapa faktor yaitu :
a) Internal pressure
Internal pressure atau tekanan dari dalam bejana tekan. Pada umumnya tekanan ini muncul dikarenakan berdasarkan jenis fluida yang digunakan.
Apabila menggunakan fluida udara maka tekanan yang diberikan kepada dinding bejana memiliki tegangan yang tinggi, karena dapat diketahui bahwa udara yang berada didalam bejana memiliki tekanan yang lebih tinggi dari pada udara yang diluar bejana tekan. Tegangan – tegangan yang terjadi ini menekan dari dalam sehingga bejana akan mengalami regangan dan beresiko mengalami kebocoran pada dinding apabila tekanan yang diberikan lebih tinggi dari pada kapasitas tahan yang dimiliki oleh dinding bejana tekan tersebut. Pada persamaan 2.4, 2.5 dan 2.6 dibawah dapat dilihat tegangan – tegangan yang terjadi yaitu :
1. Tegangan longitudinal
Tegangan longitudinal yang pada umumnya menekan dinding pada bagian poros silinder bejana. Besarnya tegangan ini adalah :
t pr
1 2
(2.4)
2. Circumferential stress
Tegangan keliling yang memberikan tegangan kepada didinding pada arah keliling dinding bejana tekan. Besarnya tegangan ini adalah :
t
pr
1 (2.5)
3. Tegangan akibat dari berat fluida didalam bejana tekan
Tegangan ini dapat terjadi dan berbeda-beda tergantung sesuai fluida yang digunakan. Besarnya tegangan ini adalah :
W = p . v . g (2.6)
Dimana :
p = tekanan dalam
r = jari-jari silinder
ri ro
t = tebal silinder (ro – ri) p = massa jenis fluida (kg/m3)
v = volume fluida didalam bejana (m3) g = konstanta gravitasi (9,8 ms/s2)
b) External pressure
External pressure atau tekanan dari luar bejana. Tekanan dari luar bejana ini diartikan bahwa tekanan yang didapatkan yaitu dari faktor lain atau faktor diluar perancangan bejana tekan. Faktor-faktor luar ini tidak hanya berpengaruh pada ketahanan dinding bejana tekan saja, melainkan juga berpengaruh pada tumpuan- tumpuan untuk membantu berdirinya bejana tekan. Contoh tekanan dari luar yaitu apabila terjadinya bencana alam berupa badai angin yang membawa udara bertekanan tinggi yang kemudian udara tersebut menabrak dinding bejana bagian luar dan menekan dinding bejana kearah dalam, hal ini dapat menyebabkan kerusakan bahkan kerobohan apabila tumpuan-tumpuan yang digunakan kurang diperhitungkan untuk bisa menahan tekanan dari luar.
c) Faktor pembebanan dari material yang digunakan pada bejana tekan Pemilihan material yang digunakan pada umumnya disesuaikan dengan pemilihan fluida yang digunakan dan tekanan dari fluida tersebut. Apabila menggunakan fluida yang bertekanan tinggi dipelukan material yang cukup kuat untuk menahan tekanan tinggi dari dalam bejana (internal pressure). Pemilihan material juga harus memperhatikan tekanan dari luar (external pressure) apabila lokasi bejana yang akan dibangun berada diadaerah pesisir pantai yang memiliki tekanan udara yang cukup tinggi.
Pemilihan material yang digunakan harus sesuai dengan kapasitas tekanan
dan karakteristik material harus mampu menahan tekanan tinggi yang berasal dari tekanan dalam maupun tekanan dari luar bejana. Berat dari material yang akan digunakan juga dapat menimbulkan tegangan yang terjadi, besarnya tegangan dapat dilihat pada persamaan 2.7 dibawah ini :
Wshell = phi (do – di) ps . h/4 (2.7)
Dimana :
do = diameter luar dari dinding (m) di = diameter dalam dari dinding (m)
ps = masa jenis material dinding bejana tekan (kg/m3) h = jarak dari bejana ke titik acuan (m)
Faktor-faktor pembebanan ini sangat mempengaruhi kualitas dan ketahanan pada bejana tekan tersebut. Ketika terjadi pembebanan menuntut desain untuk lebih teliti memperhitungkan masalah keselamatan dan faktor ekonomi dengan baik. Pada suatu perancangan bejana tekan terdapat suatu masalah yang umum atau kegagalan saat mendesain bejana tekan. Kesalahan tersebut antara lain :
1. Kesalahan terhadap memilih material yang digunakan pada perancangan bejana tekan
2. Perancangan pada bejana tekan dalam penentuan kondisi dan lokasi yang kurang tepat atau tidak sesuai dengan keadaan yang akan dirancang, sehingga perhitungan dan penentuan kurang memadai 3. Prosedur yang kurang tepat pada proses pembangunan bejana tekan
sehingga kurang memperhatikan tentang faktor kegagalan dalam mendesain bejana tekan
2.2 Tegangan
Suatu benda yang memiliki keelastisan tertentu akan mengalami perubahan ukuran dan bentuk apabila diberikan gaya untuk merubahnya. Dapat diketahui bahwa besarnya tegangan merupakan perbandingan antara gaya tarik yang bekerja kepada benda dengan luas penampang benda tersebut. Tegangan dapat menunjukan gaya yang bekerja dan pada umumnya tegangan merupakan suatu gaya yang dapat merubah suatu benda apabila tegangan dapat bekerja pada benda tersebut. Perubahan benda yang telah diberi tegangan dapat dilihat perubahanya dan hasil perubahan pada benda tersebut disebut regangan.
Terdapat berbagai macam-macam tegangan yang terjadi, salah satunya adalah tegangan normal, tegangan normal merupakan suatu intensitas gaya yang bekerja tegak lurus atau normal terhadap penampang. Tegangan normal dapat berbentuk menjadi 2 macam yaitu tegangan tarik dan tegangan tekan. Contoh dari tegangan tarik dimana apabila ada sebuah batang yang diberi gaya tarik menarik aksial maka batang tersebut akan bertambah panjang, inilah yang disebut tegangan tarik.
Sedangkan tegangan tekan merupakan kebalikan dari tegangan tarik dimana sebuah batang yang mendapat suatu tegangan tekan maka batang tersebut akan mengalami tekanan sehingga batang tersebut akan mengalami perubahan bentuk menjadi lebih pendek yang searah dengan arah aksialnya. Dapat dilihat pada gambar 2.5 yang merupakan suatu contoh dari tegangan tekan dan tegangan tarik.
Gambar 2.5 contoh tegangan tarik dan tegangan tekan Sumber :
(https://tse2.mm.bing.net/th?id=OIP.7Lqc9LXCY2pBWSpc51XlMAAAA A&pid=Api&P=0&w=314&h=152)
Dapat dilihat pada gambar diatas jika batang mendapat tekanan kearah luar atau batang ditarik kearah luar maka yang muncul adalah tegangan tarik, sedangkan jika batang mendapat tekanan kearah dalam maka tegangan yang akan muncul adalah tegangan tekan. Secara umum besar tegangan dapat diketahui pada persamaan 2.8 dibawah ini :
A
P
(2.8)
Dimana :
= Tegangan (N/m2)
P = Besarnya gaya (N) A = Luas tampang (m) 2.3 Regangan
Tegangan dapat dikatakan sebagai suatu gaya yang dapat merubah benda dan hasil perubahan benda tersebut merupakan regangan. Regangan merupakan perubahan bentuk suatu benda, regangan dapat muncul ketika benda-benda yang telah dikenai tekanan maka benda tersebut akan mengalami perubahan bentuk atau peregangan. Pada panjang bantang yang akan mengalami perubahan dapat dinyatakan dengan huruf L , perubahan bentuk total (total deformation) yang dihasilkan suatu batang dinyatakan dengan huruf dan perubahan persatuan panjang dinyatakan dengan . Dapat dilihat pada persamaan 2.9 sebagai perubahan persatuan panjang, maka :
L
(2.9)
Perubahan bentuk perubahan total dan panjang L, pada umumnya diberikan dalam besaran inci. Terdapat suatu akibat dalam perubahan bentuk satuan
dalam inci per inci (atau dalam persatuan milimeter per milimeter). Pada batang lurus dari suatu bahan homogen dan berpotongan penampang yang konstan, pada persamaan akan mengalami perubahan bentuk satuan yang lebih aktual. Karena regangan tergolong dalam rasio antara dua panjang, maka regangan dapat dikatakan sebagai besaran yang tak berdimensi, artinya regangan ini tidak memiliki satuan.
Dengan demikian, regangan hanya dapat dinyatakan dengan suatu bilangan dan tidak bergantung pada sistem satuan apapun. Besarnya perubahan bentuk dan ukuran yang dihasilkan oleh suatu batang yang terbuat dari bahan struktural hanya mengalami perubahan panjang yang sangat amat kecil apabila dibebani dengan beban tertentu.
2.4 Modulus Elastisitas
Pada hubungan antara tegangan dan regangan yang dapat dilihat pada persamaan 2.10 yang didalamnya terdapat tegangan tarik dan tekan.
E (2.10)
Persamaan diatas dinyatakan dengan satuan (N/m2), dengan dinyatakan sebagai tegangan aksial, sebagai regangan aksial, dan E sebagai konstanta proporsionalitas yang dikalangan umum sering dikenal sebagai modulus elastisitas bahan. Modulus elastisitas merupakan kemiringan kurva tegangan dan regangan yang berada didalam daerah elastis linier, dan karena regangan tidak mempunyai dimensi, maka satuan untuk variabel E sama dengan satuan untuk tegangan. Satuan variabel E tergolong dalam psi atau ksi pada satuan USCS dan pascal dalam satuan SI.
Persamaan E. dikenal sebagai hukum Hooke, persamaan ini merupakan versi yang sangat terbatas dari hukum Hooke itu sendiri karena persamaan ini hanya menghubungkan pada tegangan dan regangan longitudinal saja yang terjadi pada tegangan dan regangan tarik atau tekan sederhana pada suatu batang (tegangan uniaksial)
2.5 Diagram Tegangan dan Regangan
Gambar 2.6 Diagram tegangan dan regangan Sumber:
(https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP.9SUCmG0VDV36o6WcADhQTQAAAA&pid=
Api&P=0&w=235&h=180)
Keterangan gambar :
Gambar 2.6 menunjukan bahwa regangan pada sumbu horisontal dan tegangan pada sumbu vertikal. Diagram di atas dapat dilihat mulai dari dengan garis lurus O hingga batas proporsional, pada gambar di atas dijelaskan bahwa tegangan berbanding lurus dengan regangan dan sifat bahan dapat dikatakan linier.
Apabila diberikan penambahan beban sampai garis batas elastis maksimal, maka material akan kembali pada bentuk semula. Pembebanan ini apabila telah melewati batas maksimal elastis maka akan mengalami kenaikan regangan yang lebih cepat disetiap kenaikan pada tegangan, dan pada titik ini material akan mengalami kemuluran atau pelelehan bahan dan daerah ini sering disebut titik mulur (yield point).
Setelah mengalami regangan yang cukup besar akan terjadi pelelehan didalam daerah titik mulur, regangan akan mulai menguat sehingga didalam bahan terjadi perubahan struktur atom dan kristalnya, dan akan menghasilkan ketahanan bahan terhadap deformasi selanjutnya. Dengan diberi penambahan beban, maka tegangan yang muncul semakin besar sehingga terjadi pemanjangan dan akhirnya penambahan beban dpat mencapai hingga harga maksimum, ini disebut tegangan batas, artinya bahan memiliki kekuatan tertinggi terhadap beban maksimum yang diberikan.
2.6 Poison Rasio
Poison rasio adalah konstanta elastisitas yang dimiliki oleh setiap material.
Sebuah material yang diberi gaya satu arah ditarik atau ditekan akan mengalami perubahan bentuk. Apabila sebuah batang bertambah panjang yang disebabkan oleh suatu pembebanan tarik, maka materil tersebut akan berkontraksi pada setiap arah yang tegak lurus terhadap arah pembebanannya. Apabila telah mencapai batas maksimum elastis, maka rasio dari regangan lateral tekan (reganga yang tegak lurus dengan sumbu) terhadap regangan tarik aksial adalah konstan, dapat diberi nama rasio poisson (v). Suatu tegangan aksial σx dapat menimbulkan suatu regangan aksial εx = σx / E dan regangan lateral εy = -v εx, dengan sumbu (y) menyatakan arah normal terhadap sumbu (x). Pada tanda negative digunakan agar regangan tarik adalah positif serta regangan tekan adalah negatif.
2.7 Strain Gauge
Strain gauge pada umunya merupakan komponen elektronika yang dipakai untuk mengukur suatu tekanan. Sensor ini memanfaatkan perubahan resistansi sehingga dapat digunakan untuk mengukur perubahan yang sangat kecil pada material yang disebabkan karena pembekokan ( tensilestress ) atau peregangan ( tensilestrain ). Peletakan suatu strain gauge sebaiknya diletakan pada suatu struktur material agar perubahan panjang starin gauge dan strukturnya akan sama.
Pada umumnya alat pengukur ini berukuran kecil dengan panjang dalam selang antara 1/8 sampai 1/2 inci. Pengukur harus di letakan atau di lekatkan dengan baik pada permukaan material yang akan diukur perubahannya sehingga perubahan panjangnya dapat sebanding dengan regangan di material tersebut. Setiap pengukur pada umumnya terdiri atas suatu metal yang halus memanjang atau memendek.
Gridnya ekuivalen dengan kawat kontinu yang bergerak bolak-balik dari satu ujung grid menuju ke ujung grid lainnya, sehingga secara efektif akan menambah panjangnya. Tahanan elektris kawat tersebut akan berubah, apabila kawat memanjang atau memendek lalu perubahan tahanan ini harus dikonversikan menjadi pengukuran regangan yang bertujuan mempermudah untuk membaca data-data hasil pecobaan yang telah diperoleh. Pengukur memiliki sifat yang sangat sensitif dan dapat mengukur regangan hingga yang sangat kecil 1 x 10-6. Pada umumnya hambatan pada strain gage adalah 120, 350, dan 1000 W.
2.7.1 Bahan Strain Gauge
Strain gages dibuat menggunakan logam campuran seperti Constantan, Nichrome V, Dynaloy, stabiloy, atau platinum alloy. Agar dapat digunakan pada suhu yang cukup tinggi, maka strain gages tersebut dibuat dari bahan kawat. Untuk penggunaan pada suhu sedang strain gages di buat dengan membentuk metal alloy (paduan logam) dapat menjadi lembaran tipis oleh proses photoetching (proses pengkopian).
Aktive lenght dari gages terletak pada bagian transverse axis. Pemasangan strain gages harus dengan cara ditempelkan sehingga transverse axis dapat berada pada arah yang sama dengan pergerakan struktur strain gages tersebut. Strain gages akan ikut memanjang dan akan meningkatkan tahanannya. Pemampatan yang kurang benar akan mengurangi tahanan dari strain gages karena panjang normal strain gages dapat berkurang.
2.7.2 Data Strain Gauge
Pengukuran yang menggunakan strain gages data yang diperoleh hanya dalam satuan hambatan (Ohm) yang dilambangkan dengan R. Hambatan strain gages yang tidak memiliki perubahan dilambangkan dengan R. Pada saat data yang diperoleh dari hambatan R, maka rasio dari
RR
dapat diketahui perhitungannya.
Perhitungan tersebut juga dapat dipengaruhi oleh Gage Factor. Gage Factor adalah perbandingan perubahan hambatan pada gage dan persen pada perubahan panjangnya. apabila perbandingan
RR
dibagi dengan gage factor maka hasil dari perbandingan tersebut adalah perubahan panjang L dengan panjang sesungguhnya yaitu dilambangkan dengan huruf L.
2.8 Jembatan Wheatstone
Jembatan wheatstone merupakan suatu susunan rangkaian listrik untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui harganya (besarnya). Pada umumnya jembatan wheatstone adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur suatu yang tidak diketahui hambatan listrik dengan cara menyeimbangkan dua kali dari rangkaian jembatan, bahwa satu kaki yang mencangkup komponen diketahui kerjanya mirip dengan aslinya. Jembatan wheatstone merupakan suatu proses untuk menentukan nilai hambatan listrik yang presisi, Maka ketika melakukan perbandingan antara besar hambatan yang belum diketahui yang tentunya dalam keadaan jembatan tersebut dalam posisi seimbang. Kegunaan jembatan wheatstone adalah untuk mengukur nilai suatu hambatan dengan cara arus yang mengalir pada galvanometer sama dengan nol.
2.8.1 Jenis-jenis Jembatan Wheatstone
Untuk dapat melakukan pengukuran yang lebih efektif, maka hal pertama yang harus kita lakukan yaitu menemukan suatu cara untuk melakukan perubahan hambatan menjadi perubahan dalam bentuk tegangan. Apabila ingin melakukan
percobaan pada hambatan yang sangat kecil, maka harus mendapatkan perubahan tegangan yang sangat kecil juga. Maka dari itu memerlukan sebuah rangkaian yang dapat memberikan penguat pada kondisi ini. Rangkaian ini dinamakan rangkaian jembatan wheatstone. Beberapa jenis rangkaian dapat dilihat sebagai berikut :
1. Quarter-Bridge Type I
Pada umumnya Quarter-Bridge ini digunakan untuk mengukur gaya axial maupun tegangan bending. Susunan jembatan ini dapat dilihat pada gambar 2.7 dan jenis sensor dapat dilihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.7 Quarter-Bridge Type I Diagram Circuit
(Sumber:https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP._EPxNiT8gzCEMTTfprtRnwHaCu&pid
=Api&P=0&w=298&h=110)
Keterangan Gambar:
R1 Dan R2 merupakan half-bridge resistor sebagai penyelesaian.
R3 merupakan resistor pelengkap dari soket quarter-bridge
R4 merupakan elemen aktif yang mengukur regangan tarik
Gambar 2.8 Jenis Quarter-Bridge I
(Sumber:https://tse1.mm.bing.net/th?id=OIP.mWAPxUzPy0X7lfAMaaW62wHaCh&p id=Api&P=0&w=300&h=102)
Karakteristik rangkaian ini adalah:
a) Satu strain gages yang aktif, yang searah dengan gaya axial atau tegangan bending
b) Quarter Bridge merupakan suatu yang pasif, dan sangat diperlukan sebagai pelengkap half bridge
c) Memiliki ketilitian yang kurang ketika digunakan untuk mengukur perubahan-perubahan suhu
d) Sensitifitas sensor ini pada 1000µ ~ 0.5 m Vout/Vex input
Pada persamaan 2.11 digunakan untuk membaca konversi satuan regangan dapat dilihat dibawah ini :
g L r
r
R x R V GF
strain V 1
2 1
4 (2.11)
2. Quarter-Bridge Type II
Quarter-Bridge jenis ini lebih tepat digunakan untuk mengukur salah
satu gaya axial maupun tegangan bending. Rangkaian untuk jembatan ini dapat dilihat pada gambar 2.9 dan jenisnya dapat dilihat pada gambar 2.10.
Gambar 2.9 Quarter-Bridge Type II Diagram Cirkuit (Sumber:
https://tse3.mm.bing.net/th?id=OIP.nIv3Vlg40i_00u1MxkyYJwAAAA&pid=Api&P=
0&w=269&h=114)
Keterangan gambar:
R1 Dan R2 merupakan half-bridge resistor sebagai penyelesaian.
R3 merupakan sebuah quarter-bridge elemen sebagai penyeimbangan untuk pengukuran suhu.
R4 merupakan elemen aktif yang mengukur regangan pada gaya tarik.
Gambar 2.10 Jenis Quarter-Bridge II (Sumber :
https://tse1.mm.bing.net/th?id=OIP.m7atWm2XuMIU0D2SuwpTVAHaCc&pid=Api
&P=0&w=311&h=103)
Karakteristik karakteristik ini adalah:
a) Terdapat satu elemen alat ukur aktif dan pada bagian yang lain pasif.
Digunakan untuk mengukur temperatur dari elemen quarter bridge.
Pada bagian elemen aktif berfungi untuk membaca gaya axial atau regangan lenturan pada material.
b) Penggunaanya hampir sama dengan half bridge tipe I, perbedaannya pada half bridge tipe I letak elemen R3 terikat dan aktif, ketika material diuji hingga telah mendapatkan efek rasio poisonnya.
c) Resistor penyelesaian menyediakan half bridge.
d) Mengganti kerugian pada nilai suhu.
e) Sensitifitas rangkaian ini pada 1000µ ~ 0.5 m Vout/Vex input
Pada persamaan 2.12 digunakan untuk membaca koversi satuan regangan dapat dilihat dibawah ini :
g L r
r
R x R V GF
strain V 1
2 1
4 (2.12)
3. Half-Bridge Type I
Susunan ini digunakan untuk mengukur salah satu gaya axial atau regangan. Pada gambar 2.11 dapat dilihat susunan jembatan ini dan jenis jembatan ini dapat dilihat pada gambar 2.12.
Gambar 2.11 Half-Bridge Type I Diagram Cirkuit
(Sumber :
https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP.pPFDgcCPwsDPxb7FNzCi0QAAAA&pid=Api&
P=0&w=278&h=114)
Keterangan gambar:
R1 Dan R2 merupakan half-bridge sebagai resistor penyelesaian.
R3 merupakan elemen aktif yang digunakan untuk mengukur kompresi dari Efek rasio poison
V
. R4 merupakan salah satu elemen aktif yang mengukur regangan tarik
.Gambar 2.12 Jenis Half bridge I
(Sumber :https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP.TKDCYZ4YaSkAxIUJRL- eZAAAAA&pid=Api&P=0&w=431&h=175)
Karakteristik rangkaian ini adalah:
a) Terdapat dua elemen strain gages yang aktif. Salah satu sensor untuk membaca regangan axial dan mengukur poison rasio yang tegak lurus terhadap sumbu utama pada regangan.
b) Resistor penyelesaian menyediakan half bridge.
c) Memiliki tingkat sensitive yang cukup tinggi terhadap keduanya di sekitar axis dan regangan lentur.
d) Mengganti kerugian nilai suhu.
e) Mengganti nilai kerugian terhadap pengukuran regangan dan poison rasio dari benda uji.
f) Sensitifitas sensor pada 1000µ ~ 0.65 m Vout/Vex input
Pada persamaan 2.13 digunakan untuk membaca satuan regangan dapat dilihat dibawah ini :
g L rR x R v V V GF
strain V 1
)]
1 ( 2 1
[
4 (2.13)
4. Half-Bridge Type II
Half-Bridge tipe II digunakan untuk mengukur tegangan lentur. Pada
gambar 2.13 menunjukan susunan jembatan ini dan pada gambar 2.14 merupakan jenis rangkaian jembatan ini.
Gambar 2.13 Half-Bridge Type II Diagram Cirkuit
(Sumber:https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP.K9yqGDgAiFQxhYDYiICCsAAAAA&pi d=Api&P=0&w=274&h=114)
Keterangan gambar:
R1 Dan R2 merupakan half-bridge resistor penyelesaian.
R3 merupakan unsur yang mengukur tegangan tekan
. R4 merupakan unsur yang mengukur beban tarik
.Gambar 2.14 Half-Bridge tipe II
(Sumber :
https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP.Iu5eyiFfNP6ycObMdMqIBQHaCu&pid=Api&P
=0&w=373&h=137)
Karakteristik rangkaian ini adalah:
a) Terdapat dua unsur strain-gauge aktif. Satu untuk membaca arah tegangan lentur disamping benda uji, sedangkan yang lain untuk membaca arah tegangan lentur pada sisi berlawanan.
b) Resistor Penyelesaian ini menyediakan half-bridge pada penyelesaian.
c) Memiliki kesensitifan tinggi terhadap tegangan lentur.
d) Rangkaian ini menolak regangan axis.
e) Mengalami nilai kerugian pada temperature.
f) Sensitifitas pada rangkaian ini 1000µ ~ 1 m Vout/Vex input
Pada persammaan 2.14 digunakan untuk menkovesikan satuan regangan dapat dilihat dibawah ini :
g L r
R x R GF
strain 2V 1 (2.14)
5. Full Bridge Tipe I
Full-bridge tipe I digunakan untuk mengukur tegangan lentur. Dapat
dilihat pada gambar 2.15 contoh rangkaian ini dan gambar 2.16 jenis dari rangkaian ini.
Gambar 2.15 Full-Bridge I Diagram Cirkuit
(Sumber :
https://tse2.mm.bing.net/th?id=OIP.xw5114hV7UTdUavuSPjuMAHaDU&pid=Api&
P=0&w=301&h=135)
Keterangan gambar:
R1 merupakan unsur aktif yang mengukur tegangan tekan
. R2 merupakan unsur aktif yang mengukur beban tarik
. R3 merupakan unsur aktif yang mengukur ketegangan compressive
R4 merupakan unsur aktif yang mengukur beban tarik
.Gambar 2.16 Jenis Full Bridge I (Sumber :
https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP.Iu5eyiFfNP6ycObMdMqIBQHaCu&pid=Api&P
=0&w=373&h=137)
karakteristik rangkaian ini adalah:
a) Memiliki empat unsur alat ukur yang aktif. Terdapat dua tegangan lentur yang berada di samping benda uji dan berada diatas, dua lainnya searah terhadap regangan lentur pada sisi berlawanan yang berada dialas.
b) Sangat sensitif terhadap tegangan lentur.
c) Menolak terhadapa regangan axis.
d) Mengganti nilai kerugian suhu.
e) Mengganti nilai kerugian hambatan pada laju awal.
f) Sensitifitas pada rangkaian ini 1000µ ~ 2.0 m Vout/Vex input
Pada persamaan 2.15 digunakan untuk mengkonversi pada regangan dan dapat dilihat dibawah ini :
GFstrain Vr (2.15)
6. Full Bridge Tipe II
Full-bridge tipe II ini digunakan mengukur tegangan lentur. Dapat dilihat pada gambar 2.17 contoh rangkaian ini dan gambar 2.18 jenis dari rangkaian ini.
Gambar 2.17 Full-Bridge Type II Diagram Cirkuit (Sumber :
https://tse1.mm.bing.net/th?id=OIP.WuGmJU0RsdGdorb6XDakEAAAAA&pid=Api
&P=0&w=200&h=138)
Keterangan gambar:
R1 merupakan unsur aktif yang mengukur poison rasio akibat tekan
V
. R2 merupakan unsur aktif yang mengukur poison rasio akibat tarik
V
. R3 merupakan unsur aktif yang mengukur tegangan tekan
. R4 merupakan unsur aktif yang mengukur tegangan tarik
.Gambar 2.18 Jenis Full-brdge II
(Sumber:https://tse3.mm.bing.net/th?id=OIP.AGcq-
mZXLh98ZY0YqY4H5QHaDR&pid=Api&P=0&w=384&h=170 )
Karakteristik rangkaian ini adalah:
a) Terdapat empat unsur strain-gauge aktif. Pada dua bagian berfungsi membaca arah tegangan lentur dengan satu sisi specimen menuju ketegangan puncak, dan yang lain pada posisi berlawanan. kemudian yang lainnya, dua tindakan unsur sebagai Poisson Meteran yang menjulang secara melintang dengan posisi tegak lurus kepada sumbu utama regangan dengan satu sisi specimen menuju ketegangan puncak, dan lain pada sisi yang berlawanan.
b) Menolak ketegangan di sekitar area axis.
c) Mengganti nilai kerugian untuk temperatur.
d) Mengganti nilai kerugian untuk kumpulan yang mempengaruhi pada tegangan prinsip pengukuran dalam kaitan dengan Poisson¡¯S perbandingan material spesimen.
e) Mengganti nilai kerugian untuk petunjuk ujung pada bagian laju awal.
f) Sensitifitas pada rangkaian ini 1000µ ~ 1.3 m Vout/Vex input
pada persamaan 2.16 untuk mengkonversi satuan-satuan regangan dapat dilihat dibawah ini :
(1 )2 v GF strain Vr
(2.16)
7. Full Bridge Tipe III
Full-bridge tipe III ini digunakan untuk mengukur pada regangan axis.
Dan susunan rangkain tersebut dapat dilihat pada gambar 2.19 dan penentuan jenis rangkaian dapat dilihat pada gambar 2.20
Gambar 2.19 Full-Bridge Type III Diagram Cirkuit (Sumber : https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP._zry_SXL5- 7UQpW9kg3xhwAAAA&pid=Api&P=0&w=208&h=141)
Keterangan gambar:
R1 merupakan suatu unsur aktif yang mengukur poison rasio akibat tekan
V
. R2 merupakan suatu unsur aktif yang mengukur poison rasio akibat tarik
V
. R3 merupakan suatu unsur aktif yang mengukur tegangan tekan
. R4 merupakan suatu unsur aktif yang mengukur tegangan tarik
.Gambar 2.20 Jenis Full-brdge III (Sumber :
https://tse1.mm.bing.net/th?id=OIP.serqk2NQnxtDLBRdcJ3ATgHaCm&pid=Api&P
=0&w=390&h=137)
Karakteristik rangkaian ini adalah :
a) Terdapat empat unsur alat ukur yang aktif. Dan pada dua bagian berfungsi untuk membaca arah regangan di sekitar axis dengan satu
terletak di samping benda uji regangan di bagian sebelah atas, dan pada sisi lain dibagian alas. Pada bagian unsur dua lainnya berfungsi untuk mengukur poison rasio dan berfungsi membaca pada posisi tegak lurus untuk sumbu utama regangan dengan satu bagian di samping benda uji regangan bagian atas, dan sisi lain pada bagian alas.
b) Mengganti nilai kerugian pada temperature c) Menolak tegangan lentur
d) Mengganti nilai kerugian untuk agregat yang mempengaruhi di regangan asas pengukuran yang berkaitan dengan poison rasio pada material benda uji.
e) Mengganti nilai kerugian pada petunjuk ujung di laju awal.
f) Sensitifitas pada rangkaian ini 1000µ ~ 1.3 m Vout/Vex input
Pada persamaan 2.17 digunakan untuk mengkonversi satuaan- satuan regangan dan dapat dilihat dibawah ini :
1)2 ( 1
v V v
GF strain V
r
r (2.17)
