Buku Instrumentasi & Alat Ukur

t-6

⁴

IERPUSTAKAAN KEARSIPAN ISI

JAWATIMUR

11.381

POE

i.3

Poerwanto

Jultza Hidayati

Anizar

a

o

il

@ cnaHA rLMU

ln$tumGntasi

fiat Ukur

Poerwanto

Juliza Hidayati

Anizar

lnstrumentasi dan Alat Ukur

Oleh :

^Poerwanto

Juliza HidaYati Anizar

I t. r K---l (''

I

DI trdrrr

C rrr Ior ir.'

It ar 7lrI ^rlv Iltt X, rrrtq','1 i .lr wr I t nrrtr

1/6,fbr

I

rit,l

1r,,1,., _,,.)

Edisi Pertama

Cetakan Pertama, 2008 Cetakan Kedua,2012

Hak Cipta O 2008 pada

penulis,

_nclahkan

Hak Cipta dilindungi uniung-'ndung' Dilarang memperbany'tk 'rl'ttt trtt'mtt sebagian atau seluruh

iti-n'['

i"i j"iam bentukapa pun' ^secara .l|k]tr'tri-s ^maupun mekanis, termasuk *"nltltokopi, merekam' atau clengan teknik pt'rek'rrtr'tri lainnya' tanpa izin tertulis dari penerbit'

GRAHA ILMU

Candi Cebang Permai Blok U6 Yogyakarta ^{5551 1}

T;i-p :

Q274-882262;0274-4462135

Fax. :

02744462136

E-mail :

info@grahailmu'co'id

I(ATAPENGAIVTAR

-t/l

erkembangan teknologi dewasa

ini,

semakin terasa bertam-

' llJ

^bah maju, khususnya dalam bidang ilmu pengetahuan yang

ll

^sepadan dengan kemajuan

teknologi.

Diharapkan dengan terbitnya

buku ini,

pembaca dapat mengenal, mengevaluasi prinsip kerja instrumen dan alat ukur serta mampu menggunakannya untuk kepentingan pengukuran yang lebih akurat.

lnstrumentasi merupakan salah satu

ilmu teknik yang

makin terasa keperluannya dalam kehidupan sehari-hari untuk mendapatkan

nilai

pengukuran yang lebih akurat. Buku

ini

disusun sebagai penun-

tun

untuk memahami cara kerja dan teknik pengoperasian instrumen dan alat ukur untuk mengawasi sistem dan lingkungan keria, serta di- rangkum dari berbagai buku teknologi yang tercantum dalam daftar pustaka.

Penyusun menyadari bahwa buku yang disusun

ini jauh

dari kesempurnaan dan

kritik

serta saran dari berbagai pihak sangat kami harapkan demi sempurnanya buku ini.

Medan, Februari 2007

Pen ulis, TIM

i

Poerwanto; HidaYati

, Juliza;

^Anizar

Instrumentasi

^dan

Alat

Ukur/Poerwanto;

JuIiza Hidayati;

Anizar

-Edisi

^Pertama

-

Yogyakarta; ^Graha

Ilmu'

²⁰¹²

viii +

¹²⁸

hIm, 1 JiI' z 23

^cm'

ISBN:

glB-g1g-756-350-B

1.

Teknik ^Ju<lu I

il

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR DAFTAR ISI

BAB

I

INSTRUMENTASI ('NSTRUMENTATION)

1.'l

Pendahuluan

1.2

^Tujuan

1.3

^Definisi

BAB

2

DASAR.DASAR

AIAT

UKUR

2.1

Pendahuluan

2.2

Konsep Umum Alat Ukur

2.3

Transduser

Aktif

Dan Pasif

2.4

Karakteristik Kerja Alat Ukur BAB

3

^{TEKNIK PENGUKURAN}

3.1

Pendahuluan

3.2

Jenis Dan Cara Pengukuran

3.3

Konstruksi Umum Dari Alat Ukur

3-4

Penunjuk/pencatat BAB

4

PENGAWASAN MUTU

v

vil

1 1

1

2 5 5 7

I I

19 19 24 28 5'l 67

BAB

5

^{ALAT UKUR}

5.1

^{Standar Pengukuran}

5.2

^{Blok Ukur Presisi}

5.3

Klasifikasi Alat Ukur

5.4

^{Alat Ukur Panjang}

5.5

^{Alat OPtik}

5.6

Kaliper dan Pembagi

5.7

Pengukuran Sudut

5.8

Bilah ^Sinus

5.9

PengukuranPermukaan

5.1

0

^{Pengukur Permukaan}

BAB

6

^{ALAT UKUR} KAPASITAS KERIA

6.'l

^Tujuan

6.2

^Definisi

6.3

Kerja Fisik

6.4

Peralatan/Alat Ukur Kapasitas Kerja BAB

7

ALAT UKUR KELELAHAN OTOT

7.1

^Tujuan

7.2

^Definisi

7.3

Piranti Ukur Kelelahan Otot

7.4

Hubungan Antara Lelah Mental Dan Lelah Otot BAB

B

ANTROPOMETRI

8.1

^Tujuan

8.2

^Definisi

8.3

Piranti Ukur/alat Ukur Tubuh DAFTAR PUSTAKA

TENTANG PENULIS

75 75 75 78 79 B2 B4 B4 B4 B5 B6 87 B7 B7 B8 BB 101 10'l 101 102 113 117 1'17 117 120 123 125

goroSc8c8'

vnl lnstrumentasi & AIat ^Ukur

INSTRUMENTA,SI

(r nsrRUMENTArrON)

1.1. PENDAIIULUAN

-l1nstumentasi

^merupakan salah satu ilmu teknikyang makin terasa

' ff

lr.p.rluannya dalam kehidupan sehari-hari untuk mendapatkan

fl

^nilai pengukuran yang lebih akurat. Keberhasilan para ilmuwan dan

ahli

teknologi seluruhnya tergantung pada kemampuannya me.

milih

dan keberhasilan memanfaatkan secara optimum sistem-sistem instrumen.

1.2 TUJUAN

a.

Mempelajari dasar sistem instrumentasi berdasarkan teknik digi- tal

b.

Memahami konsep dasar pengukuran dan klasifikasi transduser

c.

Mengetahui karakteristik dan unjuk kerja sistem instrumentasi ber- dasarkan teknik digital (elektronika)

d.

Mengimplementasikan sistem instrumentasi pada bidang keseh'at- an kerja

1.5 DEFINISI

1.3.1 lnstrumentasi (Instrumentation)

a.

Penggunaan piranti ukur (instrumen) untuk menentukan harga be- saran yang berubah-ubah, yang seringkali pula untuk keperluan pengemudian besaran yang perlu berada

di

batas-batas harga ter- tentu

b.

Semua

piranti (kimia, listrik, hidrolik,

magnit, mekanik, optik, pneumatik) yang digunakan untuk: menguji, mengamati, meng- ukur, memantau, mengubah, membangkitkan, mencatat, menera/

memelihara, atau mengemudikan sifat-sifat badani (fisik) gerakan atau karakteristik lain.

1.3.2 tnstrumen (lnstrument)

lnstrumen atau piranti ukur merupakan piranti untuk mengukur harga sesuatu kuantitas selama pengamatan.

Piranti itu dapat berupa instrumen tuding (indicating instument) dan dapat berupa instrumen rekan (recording instrument)

lstilah "INSTRUMEN" digunakan dua maksud yaitu:

a.

^{lnstrumen murni yang} terdiri dari mekanisme dan bagian-bagian yang dibangun di dalam wadah (rumah) atau piranti yang berkait- an dengan itu

b.

^lnstrumen murni berikut sembarang alat-alat imbuhan (auxliary) seperti misalnya: tahanan kondensator atau transformator instru- men.

Sebagai pengganti kata

"lnstrumen'

^(piranti) seringkali dipakai pula kata

"alat ukur"

(meter). Kata

piranti

digunakan pula sebagai peng- indonesiaan "device'.

1.3.3 Digital

Definisi Digital:

Aksara yang melambangkan satu bilangan utuh Sembarang aksara dapat juga disebut digit

Aksara yang dipakai untuk menyatukan salah satu bilangan utuh yang lebih kecil dari radiknya (bilangan dasarnya)

Contoh:

salah satu aksara

0

sampai dengan

9

adalah se- aksara 0 dan 1 adalah digit

:

berkaitan dengan kata

yang

_berbentuk

digitdigit

^(secara digit)

Dalam sistem

digit :

,yang ditangani adalah bilangan-bilangan yang sama sekali tidak terpengaruh oleh variasi fisik, karena itu hasilnya sangatlah cermat

Konversi dari isyarat analog ke isyarat digit disebut pemodulasian sandi

1.3.4 Elektronik

Definisi:

1.

Menyangkut piranti-piranti, kalang atau sistem yang mengguna- kan piranti elektron.

2.

lstilah elektronik yang berkaitan dengan kegiatan elektron-elek-

tron dan

lubang-lubang (hole)

di

dalam piranti semi konduktor seperti dioda dan transistor

3.

Elektronik: secara umum dikenakan kepada arus yang terdiri dari jumlah kecil elektron-elektron yang bergerak dalam hampa

4.

Elektrik: berkaitan dengan arus elektron dalam jumlah besar dalam penghantar logam atau kawat

1.

2.

3.

b)

Dinotasi dasar, bagai digit Dinotasi biner, Digital

lnstrumentasi &, Alat Ukur ^I nstrumentasi (l nstrumentoti on) 3

5. Digital elektronik adalah piranti

di git-d igit dengan menggunakan

yang bekerja berdasarkan bentuk piranti elektron

somScece

lnstrumentasi & Alat ^Ukur

DASAR-DASARAI-AT UKUR

2.1 PENDAIIULUAN

/.-lalancangan dan

pengembangan

sebuah mesin atau

suatu

' ll(

^sistem,

nilai

praktisnya masih dipertanyakan

kecuali

jika

f I \operasi

dan daya gunanya telah

diuji.

Semua operasi

ini

me- merlukaFfengukuran yaitu membandingkan secara kuantitatif suatu standar yang telah ditentukan sebelumnya dengan suatu besaran yang tidak diketahui.

status standar pengukuran yang disepakati secara internasional untuk satuan dasar pengukuran adalah sebagai berikut:

2.1.1

Standar Panjang

Pada tanggal

14 Oktober 1960,

Konferensi

Umum ke

Sebe- las tentang Berat

dan

Ukuran (The Eleventh

ceneral

Conference on Weights and Measures) mengadopsi definisi meter (satuan panjang) yang terbaru

yaitu

1650763.73 panjang gelombang

di

dalam ruang hampa udara dari radiasi atom Kripton yang mengalami transisi di an- tara tingkat 2p,o dan 5d.

2.1.2

Standar Massa

satuan massa adalah kilogram, yang didefinisikan

oleh

^massa The lnternational Prototype Kilogram, terbuat

dari

platinum-irridium dan disimpan oleh Biro lnternasional untuk ^Berat dan Ukuran di dekat Paris

2.1.3

Standar

Waktu dan

Frekuensi

Di

^Paris, pada tanggal 13 Oktober 1967, Konferensi Umum ke Tiga Belas tentang Berat

dan

Ukuran (The Thirteenth

ceneral

Con- ference

on

Weights and Measures) secara resmi mengadopsi detik se-

bagai Satuan Waktu lnternasional, yang didefinisikan sebagai berikut:

,,Detik adalah jangka waktu 9192631770 periode radiasi atom cesium 133 yang mengalami transisi

di

antara dua tingkat yang sangat kecil pada keadaan dasar".

"Jam" cesium merupakan

stanlar

frekuensi dasar' Pendulum, garpu tala, osilator elektronik

dan

sebagainya dapat digunakan ^se- bagai standar sekunder. Frekuensi adalah

jumlah

pengulangan ^geja- lalfenomena atau satu rangkaian keiadian selama satu interval waktu tertentu (satuannya adalah Hertz) dan kebalikan dari frekuensi ^adalah

periode.

2.1.4

Standar Suhu

Pada tahun 1948 Konferensi Umum ke Sembilan tentang ^Berat dan Ukuran ^(The

Ninth

Ceneral Conference onWeights and ^Measures) menetapkan dua skala suhu internasional: pertama, Skala Kelvin ^Ter- modinamika ^(TKS

:

Thermodynamic Kelvin ^Sca/e), berdasarkan ^suhu yang berkaitan dengan hubungan termodinamika, dan kedua, skala Suhu Praktis lnternasional (IPTS

:

lnternational Practical Tempera- ture Sca/e), merupakan dasar pengukuran yang

lebih

umum. Sistem TKS meliputi metode magnetis, gas ultrasonik dan optis, sedangkan sistem IPTS berdasarkan suhu yang berkaitan dengan sifat-sifat fisik seperti pemuaian ^panas dan variasi termolistrik. Titik nol derajat ^(juga

lnstrumentasi & Alot Ukur Dasar-dasar Alat Ukur

I I

diberi nama celsius untuk menghormati Anders Celsius, pencipta ska- la 100 satuan antara

titik

uap dan

titik

beku air) adalah suhu

di

mana terjadi keseimbangan antara es murni dengan udara jenuh

air

murni pada tekanan atmosfer normal. Hubungan antara nilai derajat Kelvin dan Fahrenheit masing-masing adalah 273,15 dera.iat dan 32 derajat.

2.1.5

Standar

listrik

Sebelum

tahun 1948

standar

listrik

didasarkan

pada

Ohm, Amper dan

Volt

'lnternasional" yang diakui pada tahun 1893. Ohm internasional didefinisikan sebagai tahanan kolom

air

raksa dengan penampang melintang yang sama, mempunyai panjang

106,3

cm dan massa '14,4521 gram pada temperatur

0

derajat celsius. Amper lnternasional didefinisikan sebagai "arus konstan yang apabila melalui Iarutan perak nitrat dalam air yang sesuai dengan spesifikasi standar, dapat mengendapkan perak dengan kecepatan 0,001 1 1B gram per de-

tik." Volt

internasional didefinisikan sehingga sel Clark pada 15 de- rajat celsius mempunyai

ggl

¹ _,434

Yolt.

Standar

listrik

internasional

ini

dimodifikasi menjadi sistem absolut pada tanggal 1 Januari 1948 sebagai berikut:

Ohm

internasional

1,00049 ohm absolut Volt

internasional

^{'1,000330 volt absolut}

Amper

internasional :

0,99835 amper absolut

2.2 KONSEP UMUM AIITT UKUR

Secara umlrm, konsep alat ukur dapat digambarkan dalam dua kategori pokok pertama operasi dan daya guna dilihat dari unsur-unsur fungsional sistem alat ukur, dan kedua, dilihat dari karakteristik statis dan dinamisnya.

Unsur-unsur fungsional alat ukur atau sistem pengukuran secara umum meliputi unsur penginderaan primer, unsur pengkonversi peu- bah (variabel), _unsur pengubah (manipulator), peubah unsur pengirim-

an data dan unsur penyaji data dalam bentuk oleh indera manusia (Cambar 2.1)

yang dapat ditanggapi

Gambar 2.1. U nsur-unsur Fungsional Sistem Pengukuran Unsur pengindera primer adalah unsur pertama yang menerima energi

dari

medium yang

diukur dan

menghasilkan keluaran yang dalam batas-batas tertentu tergantung pada kuantitas yang diukur. Ti- dak diragukan bahwa alat ukur menyerap sejumlah energi

dari

me- dium yang diukur. Karena

itu

kuantitas yang diukur selalu terganggu

oleh tindakan

pengukuran, menyebabkan suatu pengukuran yang sempurna adalah mustahil.

Unsur pengkonversi peubah,

jika

diperlukan, dapat menukar keluaran dari unsur pengindera primer dengan peubah yang lebih co- cok, sedangkan informasi dalam peubah sebelumnya tetap disimpan.

Unsur manipulasi peubah ^secara spesifik menimbulkan perubah- an-perubahan

nilai

numerik sesuai aturan tertentu sehingga memper- tahankan

sifat fisik

peubah. Suatu penguat operasional elektronik dapat mengilustrasikan konsep ini,

di

mana dihasilkan sinyal keluaran yang mempunyai satuan sama dengan sinyal masukan tetapi dengan besaran beberapa kali dari masukan.

lnformasi yang telah diolah perlu dikirimkan dan disajikan oleh unsur pengirim data dan unsur penyaji data kepada manusia untuk tu- juan pemantauan, pengendalian atau analisis. ^Sebagai contoh adalah sistem telementri untuk mengirimkan sinyal

dari

peluru kendali ke- pada peralatan

di

darat

oleh

radio mencatat informasi

ini

pada pita magnetis untuk analisis selanjutnya.

lnstrumentasi & Alat Ukur Dasar-dasar Alot Ukur

2.5 TKANSDUSEK AI{TIF DAN PASIF

Konsep umum mengenai bagaimana fungsi-fungsi seperti yang ditunjukkan dalam

cambar 2.1

dijalankan, dapat digeneralisasi de- ngan memperhatikan energinya. Jadi suatu komponen fisik dapat ber- tindak sebagai transduser aktif atau transduser pasif.

satu komponen yang sebagian besar atau seluruh keluaran ener- ginya berasal

dari

sinyal masukan

dikenal

sebagai transduser pasif, sedangkan transduser

aktif

mempunyai sumber tenaga tambahan yang menyediakan sebagian besar energi keluaran sedangkan sinyal masukan hanya menyediakan sebagian kecil saja. Alat ukur tekanan, termometer tekanan merupakan transduser pasif. penguat elektronik, counter

digital dan

mekanisme servo merupakan beberapa contoh transduser aktif.

2.4 KAKAI{TERISTIK KEKJA AIIIT UKUR

Pasal-pasal berikut akan membahas komponen-komponen fung-

sional

suatu sistem pengukuran.

Masih

tersisa pertanyaan penting yang belum dijawab seperti seberapa

jauh

ketepatan suatu alat ukur

dan

sistem pengukuran mampu mengukur masukan yang _dikehen- daki, dan bagaimana alat ukur tersebut menolak masukan palsu. Karak- teristik efektif alat ukur secara garis besar dapat dibagi menjadi dua kelompok besar, yaitu karakteristik statis dan dinamis. secara umum karakteristik statis juga mempengaruhi kualitas pengukuran

di

bawah kondisi-kondisi dinamis. Dalam kenyataannya persamaan-persamaan diferensial daya guna dinamis mengabaikan pengaruh gesekan kering, gerak-balik (blacklash), histerisis, _sebaran statistik

dan

sebagainya, walaupun persamaan-persamaan tersebut mempunyai pengaruh pada tingkah laku dinamis. Tentu saja pendekatan ini merupakan perkiraan, namun sangat berguna.

I

2.4.1 Karakteristik

Statis

Dapat ditetapkan suatu kriteria daya-guna alat ukur yang mem-

berikan

gambaran

yang

bermakna mengenai kualitas ^pengukuran tanpa memperhatikan gambaran dinamis yang melibatkan ^persamaan diferensial. Dengan kata lain, karakteristik statis suatu alat ukur adalah karakteristik yang harus diperhatikan apabila alat tersebut digunakan untuk mengukur suatu kondisi yang tidak berubah karena waktu ^atau hanya berubah secara lambat laun.

2.4.2 Kalibrasi

Kalibrasi mengacu kepada satu keadaan

di

mana semua masuk-

an

^(yang dikehendaki, yang mengganggu, yang mengubah) kecuali satu masukan dipertahankan pada

nilai

tetap. Masukan yang dipela- jari tersebut kemudian diubah-ubah sepanjang rentang nilai konstanta yang sama, yang menyebabkan nilai keluaran berubah sepanjang ^ren- tang nilai konstanta tertentu. Prosedur yang ^sama diulangi secara ber- variasi sesuai dengan setiap masukan yang

diteliti

berdasarkan minat, sehingga mengembangkan satu kumpulan hubungan masukan-kelu- aran statis.

Tidak mungkin melakukan kalibrasi ^suatu alat ukur dengan ^kete- patan lebih besar dari standar yang

diikuti

adalah suatu standar kali- brasi 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 penye- telan menyebabkan 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.

2.4.3 Ketelitian

Ketelitian juga dikenal

sebagai

reproduksibilitas.

Ketelitian pembacaan merupakan kecocokan antara pembacaan-pembacaan itu sendiri. _Jika nilai yang sama dari peubah yang terukur, diukur bebera- pa 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. Penyim- pangan nilai alat ukur yang telah dikalibrasi disebabkan oleh berbagai faktor seperti, kontaminasi logam pada termokopel.

Hal ini

terjadi secara berangsur-angsur dalam satu periode waktu, dan nampaknya tidak diperhatikan. Penyimpangan

ini

hanya dapat diketahui melalui pemeriksaan secara berkala kalibrasi alat ukur.

2.4.4

Ketepatan

Ketepatan didefinisikan sebagai tingkat perbedaan yang seke- cil-kecilnya antara

nilai

pengamatan dengan

nilai

sebenarnya. Untuk memperoleh ketepatan yang diharapkan kalibrasi alat ukur, perlu di- lakukan secara berkala dengan menggunakan standar konstan yang telah diketahui.

Meskipun semua pemakai alat ukur bertujuan agar selalu mem- peroleh tingkat ketepatan setinggi mungkin, namun kesalahan relatif tetap harus diingat. Ukuran relatif suatu kesalahan biasanya dinyatakan dalam lingkup nilai sesungguhnya dari kuantitas yang diukur, sebagai prosentase. Sebagai contoh, bila termokopel digunakan untuk meng- ukur suhu api, misalnya pada 1.000.C dengan ketepatan + _{5oC, maka} prosentase kesalahannya adalah

t-=x100:+100:+0,5%

1.000

Namun bila kesalahan

+

5oC terjadi pada pengukuran suhu

air

men- didih pada 100oC, maka prosentase kesalahannya adalah

10 lnstrumentasi & Alat ukur

Dasar-dosar Alot Ukur 11

il

t 5 x100%:tlo6

1.O

Jauh lebih serius kesalahannya.

2.4.5

^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 tangSapan semen- tara aliran pemikiran lain menganggap kepekaan sebagai ukuran ^pe- rubahan yang dihasilkan oleh alat ukur untuk suatu perubahan peubah yang diukur.

Daerah

mati (dead

zone) adalah rentang

nilai

terbesar dari peubah yang diukur

di

mana alat ukur tidak memberikan ^tanggapan.

Daerah mati biasanya terjadi karena gesekan pada alat pencatat. Juga ditemukan jenis mekanisme tertentu yang hanya dapat menunjukkan sedikit perubahan dan perubahan diskrit

dari nilai

peubah yang di- ukur.

2.4.6

f angkauan

(Rangebility)

Jangkauan (rangeabilitas) dari instrumen biasanya diartikan ^per- bandingan pembacaan meter maksimum ke pembacaan meter mini- mum,

di

mana kesalahan kurang dari harga yang dinyatakan. Dalam hal pengukuran yang mempLlnyai jarum atau pena, ketidakmampuan pemakai untuk menafsirkan perpindahan kecil dari jarum atau ^pena secara tepat, membatasi jangkauan.

2.4.7

Kesalahan Pengukuran

Dalam melakukan pengukuran

fisik, tujuan

utamanya ^adalah memperoleh suatu

nilai

^yang terdiri dari satuan yang

dipilih

dan be- sarannya, yang akan menyatakan ^besar kuantitas fisik yang diukur. ^Se- bagai contoh, dalam pengukuran tekanan, satuan yang

dipilih

adalah bar dan besarnya adalah 100. Jadi, 100 bar. Tingkat kegagalan dalam menspesifikasi besaran ini dilakukan ^secara pasti, dan

ini

berarti pula

variasi kuantitas

nilai

yang dinyatakan

dari nilai

sebenarnya, meru- pakan 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 peng- ukuran yang salah, ada sejumlah sumber kesalahan yang perlu diperik-

sa. Sumber kesalahan

ini

meliputi (1)derau ^(noise), (2)waktu _tanggap (response time),

(3)

keterbatasan rancangan (design

limitation),

⁽⁴⁾ pertambahan atau kehilangan energi karena interaksi, (5) transmisi, (5) _keausan atau kerusakan sistem pengukuran, (7) pengaruh ruangan terhadap sistem, ^(B) kesalahan penafsiran

oleh

pengamat. Untuk ba- hasan

terinci

mengenai karakteristik

ini

pembaca disarankan untuk menelusuri rujukan.

Dalam

memperkirakan besar ketidakpastian

atau

kesalahan dalam menetapkan

nilai

kuantitas sebagai

hasil

pengukuran, harus dibedakan antara dua golongan kesalahan: sistematis dan acak. Ke- salahan sistematis adalah kesalahan yang secara konsisten terulang apabila dilakukan pengulangan percobaan. Kesalahan kal ibrasi sistem pengukuran atau suatu perubahan dalam sistem yang menyebabkan penunjuk menyimpang secara konsisten dari nilai kalibrasi merupakan kesalahan jenis _ini.

2.4.8 Karakteristik Dinamis

Karakteristik

dinamis suatu alat ukur adalah fungsi

waktu.

Hubungan masukan-keluaran dinyatakan

dalam bentuk

^persamaan diferensial. Karakteristik utama adalah kecepatan dalam tanggapan dan kecermatan.

Kecepatan tanggapan ^(respons)

adalah

kecepatan

alat

ukur dalam memberi tanggapan terhadap perubahan kuantitas yang diukur.

Keterlambatan dalam pengukuran yang berkaitan dengan kecepatan tanggapan adalah perlambatan atau penundaan tanggapan suatu alat ukur terhadap perubahan kuantitas yang diukur. Perlambatan demiki-

12 lnstrumentasi ^& AIot Ukur Dasar-dasor Alat Ukur ¹³

I

an

merupakan karakteristik

yang tidak dikehendaki.

^Kecermatan adalah tingkat yang memberi gambar apakah alat ukur menunjukkan perubahan peubah yang diukur tanpa ^kesalahan dinamis. ^Kesalahan

dinamis

adalah ^perbedaan antara kuantitas

nilai

sebenarnya yang

berubah menurut waktu, dan nilai yang ditunjukkan alat ukur jika di- asumsikan tidak ada kesalahan statis. Waktu mati (Dead Time) yan8 berkaitan dengan tipe retardasi dalam pengukuran kesenjangan hanya mengubah tanggapan alat ukur sepanjang ^skala waktu dan menyebab- kan kesalahan dinamis. ^Secara umum, kesenjangan pengukuran jenis ini sangat kecil dan dapat dinyatakan dalam sepersekian detik-

waktu

mati disebabkan oleh daerah

mati

(dead zone) dalam alat ukur dan oleh ^gesekan awal atau pengaruh yang serupa'

Karakteristik dinamis

dari

sistem pengukuran tebih baik diba- has dehgan mengembangkan suatu model matematika yang berlaku umum yang mencakup hal-hal penting berkenaan dengan karakteris-

tik

hubungan dinamis antara masukan-keluaran.

Model

matematika yang digunakan

paling

luas

untuk

mempelajari tanggapan dinamis sistem pengukuran adalah persamaan diferensial linear biasa dengan koefisien-koefisien tetapan yang dapat dirumuskan ^sebagai berikut.

^ dnuo dn-'e.

^d

,"

;f*?n-r 17;f

⁺

"'

^{+ ar}

Eeo

^{+ aoeo}

.dt,dt-l dr-

-

^b,n

fu",

⁺

b'-t 6g,-, "'

⁺

"'

^{+ b111e1 + Doel}

di mana

^eo

:

keluaran

er :

maSukan

dan a dan b adalah tetapan-tetapan yanS berkaitan dengan kombinasi parameter-parameter ^fisi k sistem'

persamaan umum di atas dapat diselesaikan baik dengan meng- gunakan teori operator,D, yang klasik atau menSgunakan transformasi

Laplace.

Marilah kita definisikan operator diferensial sebagai berikut:

Persamaan umum menjadi

(anDn

+

an-1Dn-1

+ ... +

a1D

+

ao)eo

: (b.D, +

b,_,D,-l

+ ... + b,D +

b.)e,

Dengan menggunakan metode operator

'D'

penyelesaian eo secara lengkap diperoleh dalam dua bagian yang terpisah sebagai

Eo:e^-+e

_{oLF opr}

di

mana

^eocr

:

bagian penyelesaian fungsi pelengkap

eoo'

:

bagian penyelesaian integral tertentu

PenyelesaiaD eocr mempunyai

n

tetapan sembarang; eoo, tidak memiliki tetapan. Tetapan sembarang n ini dapat dievaluasi secara nu- merik dengan menentukan

n

kondisi

awal

pada persamaan umum.

Penyelesaian eo., diperoleh dengan menghitung n akar persamaan al- jabar karakteristik.

anDn

+

?n-' Dn-t

+ ... + arD +

?o

:

₀

Bila akar r1, r2, r7,... r, telah diperoleh maka penyelesaian fungsi pelengkap dapat ditulis dengan bantuan beberapa hukum yang telah cukup dikenal (lihatlah buku-buku persamaan diferensial).

Bagian penyelesaian integral teftentu dapat dikerjakan menggu- nakan metode koefisien tak ditetapkan sehingga diperoleh penyele- saiannya. Jika metode tersebut dapat diterapkan, penyelesaian eopi

ditulis sebagai berikut:

eoPi

:

Af

(t) +bf'(t) + cf" (l) +

^...

Di

mana sisi kanan persamaan

meliputi

satu istilah untuk tiap bentuk yang berbeda secara fungsional yang diperoleh dengan meng- hitung f ^(t) dan semua turuannya. Tetapan

A,

B, C dan seterusnya juga dapat dihitung tanpa banyak kesulitan.

D:

^d

dt

14 lnstrumentosi & Alot Ukur Dosar-dosar Alat Ukur 15

Ada cara lain yang disederhanakan untuk menemukan penye- lesaian persamaan diferensial biasa yang bersifat umum

di

atas. Per- bandingan keluaran dengan masukan dinyatakan dengan fungsi pin- dah operasional seperti terlihat

di

bawah ini:

lq(D)

₌

e1

:K

Gambar

2.2.

Fungsi Pindah Operasional Umum

Fungsi transfer (fungsi pindah) ^sangat berguna dalam menggam- barkan karakteristik dinamis sistem dengan simbol yaitu menggunakan diagqam blok. Misalkan satu sistern terdiri dari empat subsatua,n yang mempunyai fungsi pindah K,, ^{K2, K,} dan ^Ko. Seluruh fungsi pindah dari sistem adalah

"o -*,xKrxKrxKo:Ku

€1

(seperti terlihat pada Cambar 2.3)

€o

: K*t

Gambar

2.3.

Fungsi Pindah Keseluruhan

€o:€rXKu

Walaupun demikian transformasi Laplace fungsi pindah umum ^dari persamaan diferensial umum biasa seperti

di

atas dapat diperoleh de' ngan mengganti

"D'dengan

"S'

anDn + dn-rDn-l +... ^{+ arD + bo}

16 lnstrumentasi & Alat Ukur i'trlrn pr;pr"sr- L l+ll j,

dan f(',''r';'cn

I

T

e o ,",,

_

^{bn.'S* +}

br-tS'-l

+... + brS + bo

el

ansn + ?n_rSn-l +... + arS + b,,

Di mana S adalah peubah kompleks transformasi Laplace. Dalam kasus masukan sinusoidal, karena frekuensi sama, maka hubungan an- tara gelombang sinus masukan dan keluaran dispesifikasi sepenuhnya dengan memberikan

nilai

perbandingan

amplitudo dan

perubahan fase kedua kuantitas ini berubah bila frekuensi ro berubah. Fungsi pin- dah sinusoida satu sistem diperoleh dengan mengganti D dan

i

ro di manapun ia muncul pada fungsi pindah operasional.

:

^:q(i<o)a e.r

_ b-(iro)'

⁺ b,,-,(iot)--1 +...b.,(iro)+ bo

ar(iol)'

+ an-r(ico)'-l +... + a,(ior)+ ao

Di mana

fi

frekuensi, rad/waktu

Untuk setiap frekuensi

o

persamaan

di

atas memperlihatkan bahwa

5(ir)

merupakan bilangan kompleks yang dapat dinyatakan dalam

e1

bentuk polar M/$ yang menspesifikasi variasi amplitudo dan perubah- an fase pada setiap waktu.

2.4.9 Alat Ukur Urutan Nol

Alat ukur atau sistem apapun yang mengasumsikan bahwa kecu- ali ao dan bo semua nilai a dan b persamaan diferensial umum Iinear, sama dengan

nol

disebut alat ukur urutan

nol.

Sehingga persamaan umum menjadi persamaan aljabar sederhana.

aoeo

:

_boe,

Sebenarnya tidak diperlukan dua tetapan ao dan ^bo, dan dengan demikian kepekaan statis atau keadaan mantap didefinisikan sebagai

i-

o

berikut

Dasar-dasar Alat Ukur

(" rrtLi;-j

eo: ber

_=Ker

ao

di mana

^K

- bo :

Kepekaan statis ao

Karena persamaan ^eo

:

Ke, merupakan ^persamaan aljabar, maka tidak boleh tidak, e, dapat berubah menurut waktu dan keluaran alat ukur mengikuti ^secara sempurna tanpa penyimpangan atau kesenjang- an waktu. Jadi alat ukur urutan nol memperlihatkan penampilan dina- mis yang ideal atau sempurna. Potensiometer pengukur perpindahan merupakan satu contoh praktis. Namun bila orang memeriksa ^sistem ini secara kritis ternyata ia bukan benar-benar alat ukur urutan nol.

2.4.10 Alat Ukur Urutan

^Pertama

Alat ukur yang mengikuti persamaan sederhana model matema- tika kecuali a,, ^ao dan ^bo.

argoScece

18 lnstrumentasi & Alat Ukur

I

TEKNIK PENGUKURAN

8.1 PENDAIIULUAN

engukuran dalam

arti

yang luas adalah: membandingkan suatu besaran dengan besaran standar.

Besaran standar tersebut harus memenuhi syarat-syarat se.

bagai berikut:

Dapat didefinisikan secara fisik Jelas dan tidak berubah dengan waktu

Dapat digunakan sebagai pembanding,

di

mana saja di dunia ini Satuan

dari

besaran standar

untuk

setiap pengukuran dapat merupakan salah satu atau gabungan dari satuan-satuan dasar. Dalam sistem satuan yang

telah

disepakati secara internasional

(Sl

Units, lnternational System of lJnits, [e Systeme lnternationa/ d'Unites) dike- nal tujuh satuan dasar, setiap satuan dasar mempunyai satuan standar dengan simbol yang biasa digunakan

untuk

menandainya sebagai- mana yang diperlihatkan pada Tabel 3.1.

Besaran dasar Nama satuan dasar Simbol Panjang

Massa Waktu Arus listrik

Temperatur termodinamika Jumlah zat

lntensitas cahaya

Meter ^(meter) Kilogram ^(kilogram) Detik ^(second) Amper (ampere)

Kwlvin ^(kelvin) Mol ^(mole) Lilin ^(candela)

m kg

S

A

K mol

cd Satuan tambahan

Sudut bidang Sudut ruang

Radial (radial) Steradial (steradian)

rad *)

ST

Tabel 3.1.Satuan Dasar Dari Sl

+) satu derajat adalah sama dengan

: _r

^rad

Semua satuan standar dari setiap pengukuran yang bukan ^me- rupakan satuan dasar tersebut

di

atas adalah merupakan turunan (gabungan)

dari

beberapa satuan dasar, beberapa contoh adalah se-

perti Tabel 3.2.

Tabel 3.2. Contoh satuan turunan

Beberapa nama awalan biasanya digunakan untuk membentuk hasil kali dengan bilangan dasar sepuluh bagi nama-nama satuan stan- dar di atas adalah seperti Tabel 3.3.

Besaran Nama satuan standar Simbol

Luas bidang Volume ^(isi)

Kecepatan Percepatan Gaya Tekanan Energi, (kerja) Daya

Potensial listrik Tahanan listrik

meter persegi meter kubik meter per detik

meter per kuadrat detik newton

pascal

joule watt volt ohm

m2 m3 m/s m/s2 N, kg.m/s2

Pa, N/m2, kg ^(m.s2) J, Nm, kg.m2/s2' W, J/s, kg.m2/s2

V,W/A, kg.m'zl(s3.A)

{r,V/A, kg.m2l(s3.A2)

20 lnstrumentasi &. Alat Ukur _{Teknik Pengukuran}

21

T

Untuk pengukuran geometris maka besaran dasar yang diguna- kan adalah jelas, yaitu besaran panjang dengan satuan panjang yang

diberi

nama dengan meter (m) serta satuan tambahan yaitu _{sudut bi-} dang dengan nama derajat ^(") atau radial ^(rad).

setelah mengalami perubahan-perubahan

dalam

mendefinisi- kan meter, maka akhirnya saat ini telah disepakati secara internasional bahwa yang disebut dengan satu meter adalah:

-

Panjang yang sama dengan 1650763,73 kali panjang gelombang dalam ruang hampa dari radiasi (sinar) yang timbul akibat perubah- an tingkatan energi antara 2p,o dan 5d, dari atom Kripton 86.

Definisi mengalami satu meter yang seteliti

ini

dibuat dengan maksud untuk menrenuhi syarat-syarat penentuan besaran standar un-

tuk

pengukuran sebagaimana yang dibicarakan pada permulaan dari bab ini.

Tabe! 3.3. Nama awalan untuk membentuk hasil ka,li dengan bilang- an dasar sepuluh bagi satuan standar (fraksi satuan standar)

Faktor Pengali Nama awalan Simbol Contoh

'l 018 1015 1012 10e 106 '103 102 101 't 0-1

10'2 10r

10-6 10-e 10-r 'l 0-1s 10-18

eksa (exa) peta (peta) tera (tera) giga (giga) mega (mega)

kilo ^(kilo) hekto (hecto) deka (deca) desi ^(deci) senti (centi) mili (milli) mikro ^(micro) nano (nano)

piko ^(pico) femto (femto) ato ^(atto)

E P

T C M k h da

d

C

m p n p

f

a

1kg:1039

1 MW

:

1O6W 1 cm

:

l0-2m

1mm:10rm

l pm:

10-6m

Dengan hanya memandang definisi pengukuran dan definisi me- ter ini, maka kelihatannya adalah mustahil untuk melakukan pengukur- an atas dimensi suatu produk. Memang dalam prakteknya pengukur- an tidak dilakukan dengan secara langsung membandingkan dengan standar meter, melainkan digunakan alat pembanding yaitu alat ukur.

Pada bermacam-macam jenis alat ukur akan kita temukan skala ukur- an. Skala tersebut menunjukkan satuan panjang yang berupa bagian dari meter, dapat merupakan milimeter ataupun mikrometer. ^Berdasar- kan skala

ini

maka kita dapat membaca berapa panjang atau dimensi dari suatu objek ukur (bagian dari benda ukur). Tentu ^saja prinsip kerja dari alat ukur harus direncanakan sedemikian rupa sehingga ^ada yang ditunjukkan pada skala ukuran adalah sesuai dengan apa yang diukur.

Dengan demikian untuk memastikan bahwa harga yang ditunjukkan oleh alat ukur

tidak

menyimpang dari satuan standar panjang maka harus dilakukan kalibrasi.

Untuk mengkalibrasikan alat ukur ^biasanya digunakan blok ukur tgauge block/slip ^gauge) yaitu balok segi empat, umumnya dibuat dari baja karbon tinggi, baja paduan atau karbida, di mana jarak antara dua sisinya

telah diketahui.

Dengan menyusun bermacam-macam blok ukur dari bermacam-macam ukuran maka praktis dapat dibuat ukuran panjang sebagaimana yang dikehendaki. Selanjutnya balok ukur blok ukur tersebut dapat dikalibrasi dengan memakai prinsip interferome- ter yang menggunakan sinar secara langsung sebagai standar panjang.

Panjang gelombang dari beberapa sinar yang dipakai dapat ditentukan secara

fisik

(dengan menggunakan spektrometer) sehingga diketahui hubungan-hubungannya dengan standar meter seperti yang didefinisi- kan di atas.

Prinsip pengukuran yang diterangkan

di

atas

ini

adalah meru- pakan bagian

dari ilmu

yang dikenal dengan Metrologi lndustri. Se-

jajar

_dengan

ilmu-ilmu teknik

lainnya maka

Metrologi lndustri

ini berkembang menuju penyempurnaan. Semakin maju teknologi pem- buatan suatu produk menuntut ketelitian dan kepercayaan atas cara

22 lnstrumentasi & Alot Ukur Teknik Pengukuran ₂₃

I

_I

dan

alat

untuk mengukur. Banyak

alat

ukur-alat

ukur

modern yang diperkenalkan orang dengan konstruksinya yang telah diperbaharui ataupun yang memakai prinsip kerja yang baru (elektronik). _Jenis alat ukur yang dikenal

di

dalam

Metrologi

lndustri

ini

beraneka ragam, mulai dariyang khusus dibuat untuk suatu macam pengukuran sampai jenis yang lebih umum pemakaiannya.

Bab ketiga dari buku ini dapat dianggap sebagai pengantar me- ngenai

ilmu

metrologi industri,

di

mana akan kita bahas antara lain mengenai:

Jenis dan cara pengukuran, termasuk

di

dalamnya pembahasan mengenai klasifikasi umum dari alat ukur

Konstruksi umum dari alat ukur, yaitu mengenai komponen-kom- ponen utama yang membentuk alat ukur (prinsip kerja alat ukur secara umum)

Sifat-sifat dari alat ukur (beberapa definisi istilah yang penting dari sifat-sifat alat ukur)

Penyimpangan yang terjadi sewaktu proses pengukuran, definisi mengenai ketelitian dan ketepatan, sumber-sumber yang meng- akibatkan penyimpangan di dalam proses pengukuran

Analisa hasil pengukuran dengan metoda statistik, untuk meng- analisa data hasil pengukuran sehingga mempunyai arti yang jelas atau dengan kata lain bagaimana cara mengolah data pengukuran sehingga kita dapat memperoleh informasi yang dianggap pating baik

Pembahasan yang lebih terperinci mengenai alat ukur akan di- berikan pada bab berikutnya, yaitu mengenai alat ukur-alat ukur yang umum digunakan

oleh

operator-operator mesin serta

alat

ukur-alat ukur yang biasanya dipunyai

oleh

suatu Laboratorium Metrorogi tn- dustri.

il

5.2 JENIS DAN CARA PDNGUKURAN

Pengukuran geometris

adalah

mencakup

ketiga

aspek dari geometris yaitu ukuran, bentuk dan kekasaran permukaan. Lebih ter- perinci lagi maka jenis pengukuran dapat dibedakan sebagai berikut:

'l

.

^Linear

2.

Sudut atau kemiringan

3.

^Kedataran

4.

^Profil

5. Ulir 6.

^{Roda gigi}

7.

Penyetelan posisi

B.

^{Kekasaran permukaan}

Dari bermacam-macam ienis pengukuran tersebut

di

atas han-

ya

pengukuran

linear yang paling

banyak

dipakai.

Macam-macam masalah pengukuran dapat dipecahkan dengan menggunakan ^peng- ukuran linear, misalnya pengukuran dimensi dengan toleransinya ^dan

juga

penentuan kesalahan

bentuk. Untuk

melaksanakan jenis-jenis pengukuran

ini

maka dibuat bermacam-macam alat ukur masing-ma- sing dengan cara pemakaian yang tertentu.

Berdasarkan sifat dari alat ukur maka dikenal 5 macam alat ukur yaitu:

1.

^{Alat ukur} langsung, yang mempunyai skala ukur yang telah dika- librasi. Hasil pengukuran dapat langsung dibaca pada skala terse- but.

2. Alat

^ukur pembanding, yang mempunyai skala ukur yang telah dikalibrasi. Karena daerah skala ukurnya terbatas, alat

ini

hanya digunakan sebagai pembacaan besarnya selisih suatu dimensi ter- hadap ukuran standar.

3. Alat

^ukur standar, yang mampu memberikan atau menunjukkan suatu harga ukuran tertentu. Digunakan bersama-sama dengan

alat ukur

pembanding untuk menentukan dimensi suatu obyek ukur.

4.

^{AIat ukur} pembatas (kaliber), yang mampu menunjukkan apakah suatu dimensi terletak di dalam atau

di

luar daerah toleransi ukur- an

5. Alat

^ukur bantu, bukan merupakan alat ukur dalam arti yang se- sungguhnya akan tetapi peranannya adalah penting sekali dalam melaksanakan suatu pengukuran.

Hasil pengukuran yang paling baik dapat dicapai dengan me-

milih

alat ukur dan cara pengukuran yang tepat tergantung dari kon-

disi

benda ukur dan ketentuan hasil yang diinginkan. Beberapa cara pengukuran adalah sebagai berikut:

1.

Pengukuran langsung

2"

Pengukuran tak langsung

3.

Pengukuran dengan kaliber batas dan

4.

Pengukuran dengan cara mengandungkan dengan bentuk stan- dar

3.2.1

Pengukuran Langsung

Adalah pengukuran dengan menggunakan alat ukur yang mana hasil pengukuran dapat langsung dibaca pada skala yang telah dika- librasi yang terdapat pada alat ukur tersebut (alat ukur standar). Con- tohnya adalah mengukur panjang dengan mikrometer, lihat Cambar 3.1a.

3.2.2

Pengukuran

Tak

Langsung

Adalah pengukuran yang dilaksanakan dengan memakai alat ukur-alat ukur dari .ienis pembanding, standar dan pembantu. ^Perbe- daan harga yang ditunjukkan oleh skala alat ukur pembanding sewak-

tu

mengukur obyek ukur dan ukuran standar (pada alat ukur standar) dapat digunakan untuk menentukan dimensi dari obyek ukur. Contoh pengukuran semacam ini ditunjukkan pada Cambar 3.'lb.

24 lnstrumentasi &. Alat Ukur Teknik Pengukuran ₂₅

H

3.2.3

Pengukuran

dengan Kaliber

Batas

Adalah pengukuran yang

tidak

menentukan ukuran suatu di- mensi dengan pasti, melainkan hanya menunjukkan apakah dimensi tersebut terletak

di

dalam atau

di

^{luar daerah} toleransi ukuran. Di-

mensi yang terletak

di

dalam daerah toleransi berarti dianggap baik, sedang dimensi yang terletak

di

^{luar daerah toleransi} adalah jelek.

Produk dengan dimensi jelek mungkin masih dapat diperbaiki dengan membuang kelebihan material atau sama sekali harus dibuang ^(tak dapat diperbaiki). Cara pengukuran seperti

ini

dimaksudkan untuk mempercepat pemeriksaan ^atas produk yang dibuat dalarn jumlah be' sar, dan alat ukur yang digunakan adalah dari jenis kaliber ^(go & not

go

gauges),lihat Cambar 3.1c.

3.2.4 Perbandingan

^dengan

Bentuk

Standar

Bentuk suatu produk dapat dibandingkan dengan suatu bentuk standar pada layar dari alat ukur proyeksi. Ketepatan bentuk suatu

ko'

nis dapat diperiksa dengan menggunakan Morse Konis. ^Jadi pada prin- sipnya pengukuran seperti

ini

tidaklah menentukan dimensi ataupun toleransi suatu benda ukur ^secara langsung, lihat Gambar 3'1d'

Alat

ukur dapat pula diklasifikasikan menurut prinsip kerlanya yaitu:

1.

^Mekanis

2.

^Elektris

3.

^OPtis

4.

^Hidrolis

5.

Pneumatis atau Aerodinamis

Sebetulnya dalam banyak hal sulit bagi kita untuk mengklasifi- kasikan alat ukur berdasarkan prinsip kerja seperti

di

atas, karena be- berapa jenis alat

ukur

menggunakan kombinasi

dari

cara-cara kerja tersebut. Dalam paragraf berikut akan kita bahas bagian-bagian yang penting dari alat ukur ^secara umum.

26 lnstrumentasi & Alat Ukur ^Teknik Pengukuran 27

(al Prntrukurun recaru lairgnrng (dangan mlkromcerl,

(cl Fengukuran dmgan krtibar b.ui

(dsQoan krlbor ^porol untuk rncnto- rlkra tolerand lubrnel.

{dt Fifbadllle.n d.rngan b.ntuk d.n.

dar lmrmcrlks bontuk dcnO.n ^pro- fllc proycktorl.

lbl Pcngukurrn tsk lrngall.f Uonenn alat rikur rtrnd.r (rl, rht ukur prmbttdlrq {bl,.lrt

ukur b.fitu lcl,rolblh ^{Ldsngan M} dlukr ol.h kompaatorl.

Gambar 3.1 Beberapa contoh cara pengukuran

5.3 KONSTKUI(SI UMUM DAKI AII(T UKUK

Mungkin alat ukur yang paling sederhana yang dikenal semua orang adalah mistar yang mempunyai garis-garis skala ukuran. ^Kedua ujung dari benda ukur berfungsi sebagai penunjuk pada skala ukur- an sehingga kita dapat membaca dan mengetahui panjang dari benda ukur. Untuk beberapa hal tertentu

di

mana kecermatan

tidak

begitu penting, maka mistar ini dapat digunakan. Akan tetapi apabila bentuk dari obyek ukur adalah sedemikian rupa ^sehingga sulit untuk memakai mistar

ukur,

misalnya

untuk

mengukur diameter dari tengah-tengah poros, atau

jika

diinginkan kecermatan yang

tinggi,

maka harus di- gunakan alat ukur dari jenis yang lain. Memang masalah pengukuran geometris

ini

dalam banyak hal tidaklah semudah mengukur suatu panjang benda ukur dengan mistar seperti contoh

di

atas, masalah pengukuran pada umumnya memerlukan beraneka ragam alat ukur masing-masing dengan ^cara kerja yang berlainan. Bagaimanakah ^suatu alat ukur tersebut dapat berfungsi ^?

Yang membedakan suatu alat ukur dengan alat ukur yang lain adalah konstruksinya, atau dengan kata

lain

cara berfungsinya alat ukur tersebut.

Untuk

memahami cara kerja alat ukur mungkin akan lebih jelas kalau kita terangkan melalui ketiga komponen utama yang membentuk suatu

alat ukur yaitu

sensor, pengubah

dan

penunjuk/

pencatat.

3.3.1

Sensor

Sensor adalah "peraba" dari alat ukur, yaitu yang menghubung- kan alat ukurdengan benda ukur. Ujung-ujung kontakdari mikrometer, kedua lengan dari mistar ingsut (vernier caliper), jarum dari alat ukur kekasaran permukaan adalah merupakan contoh dari sensor mekanis.

Sistem lensa (obyektiO adalah merupakan sensor dari alat ukur optis.

suatu poros dengan lubang-lubang

kecil

melalui mana udara tekan mengalir keluar adalah suatu contoh dari sensor pneumatis.

28 lnstrumentasi & Alat Ukur Teknik Pengukuran z9

!

3.3.2

Pengubah

Pengubah adalah bagian yang terpenting dari alat ukur, melalui mana isyarat dari sensor diteruskan, diubah atau diolah terlebih da- hulu sebelum diteruskan ke bagian lain dari alat ukur (bagian penun- .iuk). Pada bagian inilah diterapkan bermacam-macam prinsip kerja, mulai _clari prinsip kinematis, optis, elektris, pneumatis sampai pada sistem gabungan, yang kesemuanya

ini

pada dasarnya adalah bertu- juan untuk memperbesar dan memperjelas perbedaan yang kecil dari geometri suatu obyek ukur.

3.3.2.1

Pengubah Mekanis

Prinsip kerja dari pengubah alat ukur mekanis semata-mata ber- dasarkan prinsip kinematis yang meneruskan serta mengubah gerakan (biasanya gerakan translasi) menjadi gerakan lain ^(biasanya gerakan ro- tasi) yang relatif lebih besar perubahannya. contohnya adalah sistem roda gigi dan batang bergigi dari jam _ukur

(dial

indicatorl serta sistem ulir dari mikrometer, lihat Cambar 3.2.

Gambar

3.2.

Prinsip pengubah kinematis

dari

^jam

ukur

dan mikrometer

Beberapa alat uku r pemband i n E @ ⁱ al com parator) yang menggu- nakan prinsip pengubah gerakan _secara mekanis dengan perencanaan yang istimewa yaitu

bila

ditinjau dari cara kerjanya yang sederhana

dlid.r tll&Ur.

.lmt

l;-

ii're

\ iti

|!dr \ -.

'/-

dst

r

lm ^u&ut n&ro0ralar

T

tetapi

menghasilkan perubahan gerakan yang

cukup

besar. Contoh dari cara kerja mekanis yang istimewa ini adalah peubah gerakan dari Eden-Rolt

"milionth"

comparator, .lohansson Mikrokator

dan

Sigma Comparator.

Perubah mekanis dari Eden Rolt comparator menggunakan dua buah blok yang diikat dengan pelat tipis seperti yang ditunjukkan pada Cambar

3.3. Blok

ukur yang akan dikalibrasi apabila diletakkan di antara landasan tetap dengan kontak pengukur ^(sensor mekanis) akan mengakibatkan gerakan translasi

dari blok M relatif

terhadap blok yang diam F. karena kedua blok

ini

pada ujung yang lain masing-ma- sing mempunyai pelat yang tipis yang disatukan pada suatu batang penunjuk, maka akan

terjadi

lenturan pada batang penunjuk (yang sebelumnya posisinya adalah lurus). Perubahan posisi batang penun-

juk ini

dapat diamati dengan menggunakan sistem optis yang mem- perlihatkan suatu bayangan garis penunjuk yang bergerak pada ^skala yang

diam.

Pembesaran pengubah mekanis adalah

4000 x,

bagian pengubah optis 50 x,

jadi

pembesaran adalah 20.000 x.

blotlIrOfi Cdrgfr

a

-**.

Gambar 3.3. Sistem pengubah mekanis

dari

Eden-Rolt

"milionth"

comparator

Bagian pengubah dari alat ukur pembanding Johanson Mikroka- tor mempunyai pelat tipis ^dengan jarum penunjuk (yang sangat ringan)

ditempelken

di

tengahtengahnya. Mulai dari bagian tengah

ini

pelat tipis tersebut secara pemanen dipuntir dalam arah yang berlawanan sehingga membentuk spiral

kiri

dan spiral kanan, lihat Cambar 3.4.

Salah satu ujung pelat yang terpilih dipasang tetap pada batang peng- atur, sedang ujung yang lain dipasangkan pada lengan sualu penyiku (dari pegas baja)

di

mana lengan yang lainnya dihubungkan dengan poros pengukur. Apabila poros pengukur ini bergerak naik ataupun tu- run, sesuai dengan perubahan dimensi dari obyek ukur, maka penyiku akan berubah bentuknya sehingga mengakibatkan pelat yang terpilih (spiral) mengalami perubahan panjang. _Karena perubahan panjang maka spiral ini akan menjadi lebih terpilin atau kurang terpilin dengan demikian

jarum

yang terpasang

di

tengah-tengahnya akan bergerak sesuai dengan perubahan panjang. Segi

lain

yang menarik dari alat

ini

adalah cara pemasangan poros pada rumah dari alat ukur,

di

sini digunakan

cincin

pegas dengan maksud untuk menghindari gesekan.

Pembesaran dari alat ini dapat sampai 5000x.

mcarbdd

ra.rtErr. - gtl lvr.n n

| . p.|lite $t llr.drf.tfrilrjl

* . l-.. totd 10,06 ml a . _{&it hpofttri.}

m/ I

l*ou".,t

^r.,ro.*

Gambar

3.4.

Konstruksi dari pengubah alat

ukur

pembanding lohansson Mikrokator

Teknik Pengukuron lnstrumentasi & Alat Ukur

31

T

Contoh

alat ukur

pembanding dengan prinsip pengubah me- kanis dari jenis yang lain adalah buatan pabrik instrumen Sigma. ^Peng- ubah dari Sigma Comparator

ini

menggunakan "engsel" yang ^bebas gesekan, yaitu terdiri dari dua blok yang disatukan dengan tiga pelat tipis yang saling menyilang, lihat Cambar 3.5. Apabila pada salah satu blok ^{(yang bebas bergerak)} diberi suatu beban maka blok ini ^{akan ter-} putar relatif terhadap blok yang diam, ^persis seperti gerakan ^pada eng- sel. Lengan yang berbentuk akan memperbesar gerakan serta memu- tar silinder dari batang penunjuk dengan perantaraan pita dari logam.

penekan yang berujung runcing dapat diatur jaraknya terhadap sumbu engsel dengan cara mengencangkan salah satu baut dan mengendor- kan baut yang

lain

^yang keduanya terpasang pada poros pengukur' Karena gerakan

dari

poros pengukur

ini

relatif

kecil

maka pemasan- gannya pada rumah alat ukur dapat dilaksanakan dengan memakai di- afragma, dengan demikian ^gesekan yang merugikan dapat dihindari.

mekanis biasanya berupa batang kinematis yang berfungsi untuk mem- perbesar perubahan gerakan dari silinder pengukur menurut perban- dingan jarak antara kedua ujung batang terhadap engselnya. pengubah mekanis ini akan menyebabkan perubahan kemiringannya suatu kaca yang berfungsi sebagai pemantul berkas cahaya dari pengubah optis.

Dalam hal

ini

pengubah optis sesungguhnya merupakan sistem pem- bentuk bayangan yang berupa garis yang diproyeksikan pada layar dari gelas yang diasah serta diberi skala ukuran. Apabila perbandingan jarak antara kedua ujung batang kinematis terhadap engselnya adalah

2:1,

sedang perbandingan

jari-jari

skala dengan jarak _{antara engsel} dan ujung

dari

kaca pemantul adalah 50:1, maka pembesaran total dari alat ukur adalah:

-

Pembesaranmekanis

: 1x2Ox1 : 20

satuan

-

Pembesaran

optis :

50 x

2 : 100

satuan

-

Pembesaran

total :

²⁰

x 100 : 2000

satuan

Faktor pembesaran sebesar

2

dari sistem

optis ini

adalah ber- asaldari pengaruh perubahan kemiringan kaca pemantul, seperti yang dijelaskan ada Cambar 3.6.

* _{rilindcr p.ngukur}

porubdtan trrh bcrklr cahayr.

- zti+6t-N

Cambar 3.6. Prinsip kerja

dari

alat

ukur

mekanis optis

Teknik Pengukuran Gambar 3.5. Skematis prinsip pengubah

dari

sigma Comparator

3.3.2.2.

^Pengubah

Mekanis

OPtis Beberapa

alat ukur

Pembanding gabungan

yaitu

pengubah mekanis dan 32

menggunakan prinsiP kerja pengubah

optis.

Pengubah

lnstrumentasi & Alat Ukur ₃₃

3.3.2.3

Pengubah Elektris

Pengubah yang memakai prinsip kerja elektris berfungsi untuk mengubah isyarat perubahan sebesar non elektris (misalnya perubah-

an

panjang), baik

yang

berasal langsung

dari

sensor ataupun yang telah melalui pengubah primer (biasanya pengubah mekanis), menjadi isyarat perubahan besaran elektris. Perubahan berasal elektris ^(arus atau tegangan listrik) dapat diolah dan diperbesar dengan memakai prinsip elektronik sehingga dapat diketahui hubungan antara isyarat mula dengan isyarat akhir yang diukur dan ditunjukkan pada skala dari alat ukur. Dua contoh yang akan kita bahas adalah pengubah dengan prinsip kapasitor dan transformator.

ponoubarr k$adtlp

pelut kapacltor

v

o

- I vc,9n-r

^{o Kr. I}

K

Gambar 3.7. Pengubah kapasitif dengan skema penguat operasional

34 lnstrumentasi &. Alat Ukur Teknik Pengukuran 35

Kapasitor dapat terbentuk apabila dua buah pelat metal (dengan luas yang sama) didekatkan sampai sejarak

l.

Besarnya kapasitas un- tuk mengumpulkan muatan listrik dari kapasitor ini adalah berbanding terbalik dengan jarak

l,

artinya semakin

jauh

jarak _antara dua pelat kapasitasnya akan menurun atau semakin dekat jaraknya maka kapa- sitasnya makin naik, dengan demikian dapat kita katakan bahwa pelat kapasitor

ini

adalah sensitif terhadap perubahan jarak. _Suatu sirkuit elektronis dapat direncanakan untuk mengetahui besarnya perubahan kapasitas

dari

kapasitor, salah satu cara yang umum dipakai adalah dengan penguat operasional dengan skema seperti Cambar

3.7.Te-

gangan keluar Vo (output) dalam hal ini adalah sesuai dengan jarak ^(l) dikalikan dengan faktor penguat ^(K,).

Pengubah dari jenis Transformator Beda Linier (Linear Variable Differential Transformer, LVDT) bekerja dengan prinsip transforma- tor yaitu timbulnya tegangan imbas pada kumparan sekunder akibat adanya tegangan listrik pada kumparan primer. Tegangan imbas pada kedua kumparan sekunder akan sama besarnya apabila kedudukan inti (core), yaitu suatu batang dari metal, adalah tepat di tengah-tengah, li- hat Cambar 3.8. Apabila letak

inti

bergeser dari posisi semula ^(posisi nol) maka tegangan imbas pada salah satu kumparan sekunder akan menurun, sedang tegangan imbas pada kumparan sekunder yang lain akan naik sebanding dengan perubahan jarak pergeseran

inti,

yaitu seperti rumus berikut (hanya berlaku pada daerah linier):

Vr:v.,ru *9v-,,,,.A1 2

^mura

v -v .-"v

2 mula C ^..Al 2 ^muta

Apabila kedua kumparan sekunder ini dihubungkan secara seri, maka tegangan keluar akan sama dengan:

Vo

:

V,

-

^V2 -- CV.,h. ^Al

Di mana C adalah konstanta yang tergantung dari konstruksi alat ini.

Kurnprnn

rskunder, Kt

primer, Ks rckundrr, K1

HubungEn rcri :

Ko

^K1

=l

il

Gambar

3.8.

Linear Variable Differential Transformer, LVDT

3.3.2.4

^Pengubah

Optis-EIektris

Photosel adalah merupakan komponen yang banyak digunakan pada alat ukur dengan optis-elektris. Apabila intensitas cahaya yang diterima oleh photosel berubah, maka arus listrik pada sirkuit elektro- nis,

di

mana photosel

ini

termasuk sebagai salah satu komponennya, juga akan berubah. Konstruksi dari pengubah alat ukur direncanakan sedemikian rupa sehingga ^suatu perubahan jarak (panjang) akan meng- akibatkan perubahan cahaya yang diterima oleh photosel.

Salah satu cara untuk mengubah intensitas cahaya yang diterima

oleh

photosel adalah dengan menggunakan dua buah pelat tembus cahaya yang berbeda ukuran panjangnya. Pada masing-masing pelat

dibuat

garis-garis

tipis

^yang sejajar dengan jarak yang sangat dekat dan konstan. Apabila kedua pelat

ini

saling didekatkan dengan ^posisi

lnstrumentasi ^&

Alat

Ukur

Teknik Pengukuran 37

q

garis-garisnya sedikit miring, maka akan terlihat beberapa pita gelap dan terang yang saling bergantian pada posisi tegak lurus garis-garis yang sejajar. Pita-pita gelap dan terang ini disebut dengan nama pita- pita Moire (Moire Fringes) yang lebarnya tergantung dari jarak antara dua garis dan kemiringan antara kedua pelat. _Jika pelat yang panjang bergerak relatif terhadap pelat yang pendek maka pita-pita Moire akan bergerak dalam arah tegak lurus arah gerakan pelat, dengan demikian empat buah photosel yang disusun

di

belakang kedua pelat akan me.

nerima cahaya, dari sumber cahaya yang dipasang

di

depan kedua pelat, dengan intensitas yang bergantian antara kuat dan lemah, rihat Cambar 3.9.

Gambar 3.9. Pita-pita Moire dengan susunan photosel yang mampu membedakan perubahan iarak

Satu photosel akan kembali menerima intensitas cahaya yang

kuat

untuk suatu gerakan

pelat

sejauh satu skala (jarak antara dua garis), oleh karena itu dengan kombinasi empat buah photoser maka alat ukur mampu membedakan perubahan jarak _sebesar seperempat skala.

ffMffiUffi IIIIIMIMfl

]flflililWtfiffit[l

mula

ci

Z. garir

c$

r

^garls

Q

^{!( garlr}

_Y

'

Perpindahan relatif antara kedua pelat

ini

dapat diketahui de' ngan cara menghitung jumlah pulsa yang diisyaratkan oleh keempat photosel. Karena penghitungan di laksanakan ^secara elektronis dengan kecepatan sampai 100.000 hitungan per detik, maka batas kecepat-

an

gerakan pelat sewaktu proses pengukuran dilangsungkan adalah cukup besar.

Alat

ukur semacam

ini

banyak digunakan pada mesin perkakas yang modern untuk mengetahui posisi dari ^suatu komponen relatif terhadap komponen yang lain, misalnya posisi dari meja freis (di mana produk ditempatkan) relatif terhadap pisau pemotongnya.

3.3.2.5.

Pengubah Pneumatis

AIat ukur dengan pengubah pneumatis bekerja ^atas dasar suatu gejala bahwa

kondisi

suatu

aliran

udara yang tertentu (tetap) akan berubah apabila ada perubahan pada celah antara permukaan benda ukur dengan permukaan ^sensor alat ukur (di mana udara

ini

mengalir melaluinya). Perubahan kondisi

aliran

udara

ini

dapat diketahui de' ngan cara mengukur perubahan tekanannya ataupun kecepatan aliran- nya. Alat ukur pneumatis ini secara keseluruhannya dianggap sebagai suatu sistem aliran udara yang terdiri dari bagian-bagian sebagai ber- ikut:

l.

Sumber udara tekan

2.

^Sensor yang berfungsi juga sebagai pengubah

3.

Alat pengukur perubahan kondisi aliran ^udara

Berdasarkan cara pengukuran perubahan kondisi aliran udara maka kita temukan dua jenis alat ukur pneumatis, yaitu:

1.

^{Sistem Tekanan} Balik (Back ^{Pressure System)}

2.

Sistem Kecepatan Aliran (Flow-Velocity System) Sistem Tekanan

Balik

Prinsip kerja

dari

alat

ukur

pneumatis dengan sistem tekanan balik dapat kita terangkan dengan menggunakan ^skema seperti Cam- bar 3.'10.

Udara dengan tekanan Ps, mengalir melalui lubang pengontrol (yang dapat diatur diameter efektifnya) menuju

ke

ruang perantara.

Karena diameter lubang pengontrol adalah tetap, D,, sedang diameter efektif D, (melalui mana udara tekan ini mengalir keluar) adalah selalu berubah sesuai dengan perbedaan antara diameter benda ukur dan diameter sensor, maka tekanan udara pada ruang perantara, Po, lugia akan berubah.

r---1

pongatur taktnt r P,

/.pengatat

diameter ^D1

Sumbcr udsra

tekan baromsls; 1Pt1

rutn9 parantara

baromaer ^(Ptl

A7lA1

Gambar 3.10. Alat ukur pneumatis dengan sistem tekanan balik Dengan mengatur diameter efektif D, dan D, (mengatur luas lu- bang efektif

A,

dan Ar) serta tekanan Ps (biasanya 1 sampai dengan

29,6

N/cm2) maka dapat diperoleh suatu daerah linear yang cukup

38 lnstrumentasi &, Alot Ukur Teknik Pengukuron 39

Pb ,A2 -=a-b-- Ps

^A1

atau

pb

:

^ps.a-

A4L.p,

A1

dPb b

n-

--., J

dAz

^A1

Kepekaan (lihat definisi kepekaan pada paragraf

3.4

dari alat ukur pneumatis dengan demikian dapat dicari dengan mendeferensir Pb (besaran yang ditunjukkan alat ukur) terhadap

A,

(besaran yang diukur perubahannya).

lebar dari kurva yang menggambarkan hubungan antara koefisien Pb/

Ps dengan koefisien A2lAr Di antara harga Pb/Ps sebesar 0,6 dan 0,8 yaitu pada daerah linier, maka berlaku rumus berikut:

tekanan ke atas dari aliran udara yang mengalir melalui celah antara pengapung dan dinding dari tabung konis. Apabila celah antara sen- sor dengan benda ukur menyempit, maka kecepatan aliran udara akan turun, akibatnya pengapung akan turun sampai suatu kedudukan ter- tentu yang mana terjadi lagi suatu kesetimbangan (karena celah antara pengapung dengan dinding tabung konis dalam hal ini juga menjadi sempit), demikian

pula untuk hal

yang sebaliknya.

Oleh

sebab itu kedudukan dari pengapung relatif terhadap tabung konis yang diberi suatu skala menggambarkan ukuran dari celah antara sensor dengan benda ukur.

Gambar 3.11. Alat ukur pneumatis dengan sistem kecepatan aliran (3.1)

(3.2)

(3.3)

Rumus (3.3) menyatakan bahwa kepekaan adalah berbanding lurus dengan tekanan Ps dan berbanding terbalik dengan ^luas penam- pang dari lubang pengontrol A,, atau kuadrat dari diameter efektif D,.

Sistem Kecepatan

Aliran

Berbeda dengan sistem tekanan balik yang berdasarkan atas per- ubahan tekanan, maka alat ukur pneumatis dengan sistem kecepatan

aliran

bekerja atas dasar perubahan kecepatan aliran udara. Dalam sistem

ini

lubang pengontrol dengan diameter efektif

D,

tidak diper- lukan, jadi _kecepatan aliran udara hanya dipengaruhi oleh perubahan penampang efektif

A,

^yaitu celah antara permukaan sensor dan per- mukaan benda ukur. Biasanya kecepatan aliran udara diukur dengan menggunakan tabung konis (dari gelas) dan suatu pengapung, lihat Cambar

3-11.

Karena adanya

alir