2 DASAR DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR D

(1)

DASAR-DASAR

INSTRUMENTASI PROSES

02

Mempelajari dasar-dasar instrumentasi proses yang menunjang

kelangsungan 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:

(2)

2.1 Karakteristik Pengukuran

Tujuan dasar instrumentasi proses untuk mendapatkan

informasi

penting

(P, V, T, F, C) yang berkaitan dengan kelangsungan proses

Suatu perbandingan sebuah kuantitas yang tidak diketahui

nilainya dengan suatu nilai standar (dalam satuan tertentu)

(3)

Instrument

Measuring

:

Indicating

:

Recording

:

Mengukur nilai variabel proses

Menujukkan nilai variabel proses

Mencatat nilai variabel proses

(4)

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

(5)

PSE

menerima energi dari media yang diukur dan menghasilkan

output 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 sinyal

instrumen 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)

(6)

Temperature bulb (liquid or gas)

Capillary tube Scale

Spiral bourdon tube Gear mechanism

Pointer

(7)

Gambar 2.1.3. Elemen-elemen fungsional dari sistem termometer

Fluid

Temperature tube Tubing

Spiral Bourdon Tube

(8)

Karakteristik Kinerja Instrumen

Kar. Statis:

Source of Error

Kar. Dinamis:

(9)

Kalibrasi (

calibration

)

Penentuan nilai ukur dalam suatu skala bacaaan; biasanya

menghasilkan 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 di dalam rentang (range) yang diperlukan

(10)

Akurasi (

accuracy

)

Kemampuan suatu alat atau sistem untuk menanggapi nilai nyata variabel yang diukur di bawah kondisi reference.

Dalam praktiknya, akurasi dinyatakan dalam batas error (limit of error) dari alat ukur atau sistem di bawah kondisi operasi tertentu yang mungkin sudah/belum ditentukan.

Presisi (

precision

)

Derajat kebenaran (degree of exactness) dari sebuah istrumen

(11)

Reproducibility

Kedekatan hasil pengukuran output yang dilakukan berulang-ulang, dengan input dan kondisi operasi yang sama dalam periode waktu tertentu.

Perfect Reproducibility: instrumen tidak mempunyai drift (kalibrasinya tidak bergeser dalam periode waktu panjang: minggu, bulan, tahun)

Drift

(12)

Sensitivity

Perbandingan (ratio) dari perubahan output terhadap perubahan input, pada kondisi tunak.

Resolution

Nilai inkremen terkecil dari sebuah input atau output yang dapat dideteksi

Jika inkremennya kecil Æ fine resolution

besar Æ coarse resolution

Dead Zone

(13)

Backlash

Disebut juga mechanical hystersis: kehilangan gerak yang mungkin terjadi pada elemen mekanik (gear, linkage, atau peralatan transmisi mekanik lainnya) karena terputus hubungan (kait-nya tidak kuat).

True Value

Nilai variabel terukur yang terbebas dari error

True value = Instrument reading – Static error

Static Error

Perbedaan numeris antara nilai sesungguhnya dengan nilai yang diukur oleh instrumen

Mistake

(14)

Systematic Error

Kadang-kadang disebut bias; deviasi seragam dari titik titik pengukuran sebuah 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)

(15)

Random Error

Error yang tidak diketahui penyebabnya. Error ini biasanya kecil, dan mungkin dapat ditangani secara matematis menurut hukum probabilitas.

Sources of Error

1. 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

(16)

Karakteristik Dinamis

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, atau kapasitas elektrik.

Pure Delay (keterlambatan) sering dijumpai ketika instrumen menunggu beberapa reaksi untuk menanggapi perubahan variabel terukur. Instrumen industri selalu digunakan untuk mengukur kuantitas yang berfluktuasi.

∴

kelakuankelakuan dinamikdinamik daridari sebuahsebuah instrumeninstrumen sangatsangat pentingpenting untukuntuk dipelajari

dipelajari (lebih(lebih penting d.pd.p. kelakuan. kelakuan statikstatik)).

(17)

Speed of Response

Kecepatan instrumen dalam menanggapi perubahan variabel terukur.

Fidelity

Tingkat kepercayaan instrumen dalam menanggapi perubahan variabel terukur tanpa error dinamik.

Lag

Keterlambatan dalam menanggapi perubahan variabel terukur.

Dynamic Error

(18)

Respon Dinamik Instrumen Order Nol

Hubungan input dan output:

i

a

′

s,

b

′

s

= parameter fisik (diasumsi konstan)

Jika

a

′

s,

b

′

s

= 0

a

₀

x

₀

=

b

₀

x

_i

Ideal or perfect dynamic performance

(19)

Respon Dinamik Instrumen Order Satu

(20)

Respon Dinamik Instrumen Order Dua

(21)

2.2. Pengukuran Suhu

(22)

2.2 Pengukuran Suhu

Beberapa Metode Pengukuran Suhu

1. Expansion Thermometer

2. Filled-System Thermometer

Expansion of solid Expansion of liquid Expansion of gas

Liquid-filled thermometer Vapor-pressure thermometer Mercury-filled thermometer

3. Electrical Temperature Instrument

Resistance thermometer Thermocouple

Thermistor

(23)

2.2 Pengukuran Suhu

Bim e t a llic Th e r m om e t e r

Ekspansi elemen bimetallic (dua strip logam). Masing-masing strip logam mempunyai koefisien ekspansi termal berbeda. Ketika strip dipanaskan, seiring dengan naiknya suhu, keduanya berekspansi dengan panjang berbeda (Gb. 2.2.2).

Gb. 2.2.2. Bimetallic Strips

Jarak ekspansi proporsional terhadap pangkat dari panjang strip dan berbanding terbalik dengan tebal strip (logam). Pergerakan bimetallic

tetap

Tersedia: –103 s.d. 1004 oF

(24)

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.5. Thermometer with spiral bimetallic element.

(25)

(26)

2.2 Pengukuran Suhu

Liqu id in Gla ss Th e r m om e t e r

Gb. 2.2.5. Liquid in glass thermometer

Salah satu alat ukur suhu yang paling sederhana, dan digunakan di laboratorium dan industri.

Range: –18.4 s.d. 608 o_{F atau –120 s.d. 320}o_C

Alkohol : untuk suhu sangat rendah

Merkuri : untuk suhu tinggi (merkuri membeku pada suhu –39 o_C).

Mudah pecah dan tidak mudah beradaptasi dengan perubahan suhu, sehingga penggunaannya di industri terbatas.

Termometer gelas berisi air raksa yang digunakan di industri: tangki terbuka berisi cairan, kettle, steam line,dan aliran fluida dalam pipa.

(27)

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.6. Liquid in metal

Kelemahan termometer gelas diatasi dengan penggunaan termometer logam.

Glass bulb diganti dengan steel bulb

Merkuri digunakan sebagai cairan, karena tidak kelihatan, bourdon tube digunakan untuk mengukur perubahan volume cairan.

Ketika suhu naik, volume merkuri dalam bulb mengembang, bourdon tube cenderung untuk lurus, sehingga dapat menggerakkan pointer.

(28)

2.2 Pengukuran Suhu

Rentang suhu dari cairan yang digunakan dalam termometer logam:

–87 s.d. +260

–125 s.d. +500

Cairan organik lain

(29)

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.7. Filled-system

Filled-system Thermometer

Jika bulb dipanaskan atau didinginkan, maka fluida didalamnya mengembang atau berkontraksi, sehingga bourdon tube bergerak.

Perpindahan bourdon tube menggerakan pointer untuk membaca suhu.

Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene,

toluene.

(30)

Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene, toluene.

Koefisian ekspasi xylene adalah 6 kali koef ekspansi mercury, jadi memungkinkan perancangan bulb kecil.

Liqu id- fille d Th e r m om e t e r

Kadang-kadang, air digunakan sebagai pengisi bulb

Kriteria yang harus dipenuhi:

1. Tekanan sistem (di dalam bulb) harus lebih besar daripada tekanan uap cairan pengisi, untuk mencegah penguapan.

2. Cairan pengisi tidak boleh membeku supaya tidak mengganggu kalibrasi/pembacaan suhu.

(31)

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.8. Vapor-pressure

Va por - pr e ssu r e Th e r m om e t e r

Bulb sebagian berisi cairan, kapiler dan bourdon berisi gas.

Cairan mendidih dan menghasilkan gas/uap yang mengisi kapiler dan bourdon. Cairan terus mendidih sampai mencapai tekanan uapnya.

Di titik P_vap cairan berhenti mendidih, kecuali jika suhu naik.

Saat suhu turun, sebagian uap mengembun, dan tekanan turun.

(32)

2.2 Pengukuran Suhu

Rentang suhu cairan yang digunakan dalam vapor-pressure thermometer

120 s.d. 220 oC

Untuk mengukur suhu sangat rendah (sampai – 253 o_C)

– 185.7 o_C

– 122 o_C

Argon

Rentang suhu yang tersedia Titik

didih Suhu

(33)

Gb. 2.2.9. Types of thermometer bulbs

M e r cu r y- fille d Th e r m om e t e r

Similar dengan liquid-filled thermometer, keduanya dipisahkan karena karakteristik mercury yang unik dan kepentingannya dalam pengukuran suhu medium.

Karakteristik Mercury :

• mendukung operasi elemen pengendalian

• akurasi cukup tinggi

• respon cepat

• Rentang tekanan

tinggi: 400 s.d. 1200 psig

(34)

2.2 Pengukuran Suhu

(35)

2.2 Pengukuran Suhu

Electrical Temperature Instruments

Re sist a n ce Th e r m om e t e r

Karena tahanan logam tertentu berubah dengan berubahnya suhu, sifat ini digunakan untuk mengukur suhu. Jika T ↑ maka R ↑ (vice versa).

Elemen tahanan biasanya panjang (dibentuk spiral), diselubungi dengan porselin untuk mencegah hubungan singkat antara wire dan metal sheath.

(36)

Ka r a k t e r ist ik be be r a pa RTD

(37)

2.2 Pengukuran Suhu

Th e r m ocou ple

Gb. 2.2.11. Thermocouple

Jika salah satu junction

dipanaskan, arus

mengalir dalam circuit

dan dideteksi oleh galvanometer.

Prinsip kerja thermocouple tergantung dari pengaruh thermo-electric.

Jumlah arus yang dihasilkan tergantung dari perbedaan suhu antara dua

junction dan karakteristiknya. Hal ini pertama kali diteliti oleh Seeback (1821) sehingga dikenal dengan Seeback Effect.

(38)

Gb. 2.2.12. Penerapan thermocouple

2.2 Pengukuran Suhu

(39)

(40)

Gb. 2.2.14.

Radiation pyrometer

Ra dia t ion Pyr om e t e r

2.2 Pengukuran Suhu

Pyrometry adalah salah satu teknik pengukuran suhu tanpa kontak fisik, tetapi suhu fluida dideteksi dengan mengukur radiasi elektromagnetik.

Lensa digunakan untuk menyatukan (focus) energi radiasi dari bodi. Radiasi energi diterima oleh detector (thermocouple, thermophile), dan diteruskan ke recorder, sehingga suhu fluida dapat dibaca.

Dalam pyrometer radiasi, sebuah bodi hitam digunakan untuk menyerap panas.

(41)

Gb. 2.2.15. Industrial optical pyrometer

(42)

2.3. Pengukuran Tekanan

A

F

P

=

Definisi: …. (2.3.1)

Barometric

Pressure Absolute Reference Atmospheric Reference (Standard Atmospheric Pressure = 760 mm Hg

= 29.921 in Hg = 14.696 psia)

Pressure

(43)

Beberapa Metode Pengukuran Tekanan

1. Manometer method

(paling sederhana)

2. Elastic Pressure Transducers

U-tube manometer Well-type manometer Barometer

Micromanometer

C-type bourdon tube pressure gauge Diaphragm pressure transducer

Bellows

3. Pressure measurement by measuring vacuum

4. Force-Balance Pressure Gauge

5. Electrical pressure Transducer

(44)

2.3 Pengukuran Tekanan

Gb. 2.3.2. U-tube manometer

ρ = densitas fluida di dalam U-tube

ρ_l = densitas fluida yang diukur tekanannya

h = (h₁ – h₂), perbedaan ketinggian fluida dalam U-tube

(45)

Banyak digunakan karena pengukurannya lebih mudah: pembacaan hanya pada salah satu leher tube.

Akurasi tinggi dapat tercapai jika zero-level pada well diset pada zero-level

(46)

Alat ukur tekanan absolute dengan rentang tekanan dari zero absolute

sampai atmospheric pressure.

Biasanya dinyatakan dalam mm Hg. Ba r om e t e r

(47)

Ela st ic Pr e ssu r e Tr a n sdu ce r

Menggunakan elemen sensor elastis: Bourdon tube, bellows, dan diaphragm.

C- t ype bou r don t u be pr e ssu r e ga u ge

(48)

Digunakan secara luas untuk tekanan gauge; dan dapat mendeteksi tekanan rendah: 0 – 4 mm.

D ia ph r a gm Pr e ssu r e Tr a n sdu ce r

Gb. 2.3.6.

Diaphragm pressure transducer

(a) Metallic Diaphragm

(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. Be llow s

(50)

2.4. Pengukuran

Level

¾ Merupakan salah satu pengukuran tertua

¾ Penting dalam proses industri Æ berpengaruh terhadap tekanan dan laju 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

(51)

Sigh t Gla ss

Disebut juga gauge glass; digunakan untuk pengukuran level cairan dalam tangki secara kontinyu.

2.4 Pengukuran Lev el

Gb. 2.4.1. Sight glass for an open tank

(52)

Untuk tekanan tinggi, sight glass harus dihubungkan dgn tangki pada bagian atas dan bawah (Gb. 2.4.2). Jika tidak perbedaan tekanan antara tangki dan sight glass akan menyebabkan kesalahan pembacaan.

Sigh t Gla ss ( lanj ut an)

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 disediakan

untuk level yang berbeda.

Mampu menahan tekanan: 350 psi (steam 252 oC) 1000 psi (cairan)

(53)

Kelebihan:

Sigh t Gla ss ( lanj ut an)

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.

(54)

Gb. 2.4.3. Float-operated liquid level indicator

Floa t - Type Le ve l I n dica t or

Standard Liquid Level:

½ ft – 60 ft (0,15 – 1,52 m)

(55)

Gb. 2.4.4. Hydraulic Transmission System for Level Indication

Floa t - Type Le ve l I n dica t or

Level cairan dapat

ditransmisikan ke suatu tempat dengan sistem transmisi hidrolik

Empat elemen bellow

terhubungkan satu sama lain melalui pipa berisi minyak:

2 di receiver (A & B)

2 di transmitter (C & D)

(56)

Kelebihan:

Floa t - Type Le ve l I n dica t or ( lanj ut an)

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.

(57)

Pr e ssu r e Ga u ge M e t h od

Gb. 2.4.5. Open Tank Pressure Indicator

• Metode paling sederhana untuk pengukuran level tangki terbuka

• Tekanan hidrostatik:

g

• Jika tangki tertutup:

ext

(58)

Air Be llow s

Gb. 2.4.6. Flexible air bellows

Ketika instrumen tidak dapat diletakkan di datum tertentu, dipilih

air bellows

Bellows element dihubungkan dengan

press indicator menggunakan pipa. Ketika tangki kosong, udara tidak tertekan dan menunjukkan tekanan nol.

(59)

Gb. 2.4.7. A closed box air bellows connected to the pressure fluid tank

Air Be llow s

• Aplikasi Industri.

(60)

Air Pu r ge Syst e m

Gb. 2.4.8. Air purge system

• Bubbler tube

• Cocok untuk semua cairan

• Jika tangki kosong, udara keluar dari tube, dan tidak ada tekanan balik

sehingga tekanan nol.

• Jika tinggi cairan bertambah, aliran udara terhambat oleh ketinggian cairan tsb, menghasilkan tekanan balik yang menyebabkan pointer bergerak.

(61)

Gb. 2.4.9. Capacitance level indicator

Ca pa cit a n ce Le ve l I n dica t or

• Parallel plate capacitor:

D

A

K

C

=

…. (2.4.4)

C = capacitance: farad

K = konstanta dielektrik

A = luas plate, m2

h = jarak dua plate: m Dimana:

• Jika tinggi cairan naik: capacitance naik, begitu juga sebaliknya.

(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.

(63)

Ra dia t ion Le ve l D e t e ct or

Gb. 2.4.10. Radiation type level indicator

• Digunakan ketika, metode elektrik yang lain tidak memungkinkan

• Tidak memerlukan kontak dengan cairan yang diukur.

Gamma ray

• Jika tangki kosong: γ_ray menembus dua dinding tangki dan udara dalam tangki.

(64)

Kelebihan:

1. Tidak ada kontak fisik dengan cairan.

2. Cocok untuk cairan: korosif, abrasif, viscous, adherent

3. 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

(65)

2.5. Pengukuran Laju aliran

¾ Merupakan pengukuran tertua di bidang Instrumentasi

¾ Menentukan jumlah material yang masuk atau keluar proses.

¾ 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

(66)

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

V a r ia ble H e a d or D iffe r e n t ia l M e t e r

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:

(

₁ ₂

)

ρ

(67)

Dimana: q = laju alir volumetrik

m = laju alir massa

A = Luas penampang orifice

h = differential head (pressure) melewati tahanan dalam pipa

t

c_d = discharge coefficient

(

)

(

inside

diameter

of

the

pipe

)

(68)

(69)

(70)

This is a Vent uri t ube dem onst rat ion apparat us built out of PVC pipe and operat ed wit h a vacuum pum p

(71)

(72)

Tu r bin e Flow m e t e r

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

(73)

Liqu id M e a su r in g D e vice s:

Liquid/Gas Ultrasonic Flow Meter _{Liquid Turbine Flow Meter}

Orifice Plates

(74)

Ga s M e a su r in g D e vice s

Or ifice pla t e flow m e t e r

Or ifice pla t e h olde r

M in i Ga s t u r bin e flow m e t e r Ga s Tu r bin e Flow m e t e r

V e n t u r i t u be s Flow N oz z le s

(75)

Th e r m a l Flow m e t e r

Gb. 2.5.6. Heat transfer flowmeter

(

T

₂

T

₁

)

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

C_P = Kapasitas panas fluida