Intrumentasi

ELEMEN FUNGSI ALAT UKUR

Setiap cara kerja alat ukur dapat digambarkan dengan diagram elemen fungsi.

Elemen fungsi terdir dari

- 1.Elemen perasa utama (sensing elemen)

elemen ini menerima energi dari medium

yang diukur dan menghasilkan keluaran

sebanding dengan yang diukur

- 2.Elemen pengubah variabel ;

mengubah variabel yang dihasilkan el sensing (sensor)

el sensing +el. Peng. var = tranducer

tranducer : suatu komponen fisik yang

dapat mengubah suatu bentuk en

nergi kebentu energi lain

contoh: mikrofon, loudspeaker disebut elektro

akustik

tranducer ; pasif dan aktif

air raksa pada termometer ( pasif)

loudspeker (aktif) membutuhkan sumber daya tambahan

- 3.Elemen manipulasi

- 4.Elemen transmisi data

- 5.Elemen penyaji data

- 6.Elemen penyimpan data

Med yg diukur

1+2 4 2 3T ∆p

Tab Bourdon

Zat cair

1+2 4

2

3

5

5∆R

R

• Tensimeter / Sphygmomanometer

untuk mengukur tekanan darah pada jantung saat berkontraksi (sistole ) dan sat jantung dalam keadaan relaks (diastole)

kerja jantung

masuk

keluar

Paru, aorta tubuh

Serambi kn Seranbi kr

Bilik kn Bilik kr

masuk

Tensimeter

manometer

manset

Pompa udara

Hg

stetoskop

transduser pencatatTekanan udaraDlm manset

1+2 5

SISTEM PENGUKURAN

LENGAN ATAS

• 2. Alat pengukur kekentalan zat cair

Roda pengaduk

Mangkok cairan

Motor penggerak mangkok

diputar berlawanan dng mangkok

• Tugas

cari sebuah alat ukur dan terangkan cara kerjanya dengan diagram elemen fungsi

dan jelaskan pula jenis trandusernya atau menggunakan elektrode apa.

PENDAHULUAN

• INSTRUMENTASI

segala sesuatu mengenai alat ukur

dan penggunaannya

- Teknik instrumentasi (Draper)

seni dan ilmu,bagaimana sifat dan ge

jala alam dapat diukur dan dimanfaat

kan oleh manusia

• Ruang lingkup

perencanaan, pembuatan, penggunaan

pemeliharaan, pengawasan.

- Masalah pokok tek. Instrumentasi

transfer function (fungsi alih) yaitu

hub.antara besaran input dan outputIn put Out put

TF

I VR

• Instrumentasi : sbg sistem pengukuran

- monitor : termometer, meteran air

- pengukur ; langsung (panjang,berat)

tak langsung (termocoupel)

• Instrumentasi sbg sistemengaturan

alat ukur sebagai komponen sistem

• Instrumen dibedakan menurut sifat

- pemberi tanda : metal detektor

- pencatat ; mesin hitung, ECG

- penunjuk : arloji, indoskopi

- perekam ; komputer, rekorder

- pengukur : termometer, barometer

- pemancar : radio, tilpun

Karakteristik instumen• Statis

sifat alat ukur yang tidak bergantung

waktu.

1. ketelitian alat ukur

mis : alat ukur dng batas ukur 0 – 100 dng ketelitian 0,1 % artinya 0,1%(100-0)

= 0,1, jadi setiap pembacaan mis. 50 hrs 49,9 atau 50,1

Atau dari ; kalibrator – Pengukuran x 100%

2. Resolusi / sensitivitas alat ukur perubahan masukan terkecil / minimum yang

ditunjukkan pada skaka alat ukur 3. Kalibrasi membandingkan skala alat ukur dengan alat

ukur standar4. Deviasi selisih antara harga yang sesungguhnya terhadap yang ditunjuk oleh alat ukur5. Nois signal yang tak terdefinisi /tak diinginkan

• 6 Kepekaan statis ( static sensitivity )

didefinisikan : kemiringan kurva

kalibrasi

xx

xx

∆qi

∆qo

qi

qo

Kepekaan ∆ ∆qo

∆qi

statisInstr. linier

Inst non linier

• Metode kalibrasi alat

Termometer standard

Termometer yg dikalibrasi

dipanasi10 20 30 40

20

40

60

80

Tk

Ts

Tiap 5 menit dicatat temp nyadan dibuat diagram spt gbr

• Dinamis 1. kecepatan respon dinyatakan dengan time respon (tr) 2 . kesalahan dinamis : selisih antara besar

sesungguhnya dengan yang ditunjuk oleh alat ukur

3. delay time ; keterlambatan instrumen untuk memberikan respon (td) = kecepatan

resp. 4. time kontan : waktu yang dibutuhkan ins

63 % mencapai dari steady statenya

5. settling time : waktu yang dibutuhkan ins

trumen untuk mencapai 95% dari stea

dystate

Delay time (td)

Time konstan (ح)

Settling time (tS)

Kesalahan dinamis

t

Output respon

10 v

6,3 V

9,5 V

Mp

• Respon suatu alat dapat dibagi menjadi dua

- keadaan transient

- keadaan steady (mantap)

untuk mengetahui respons alat ukur yaitu dengan cara memberikan gangguan

Ada 4 macam gangguan:

1. Gangguan Step ( step function ) f(t) = A

untuk mengetahui keadaan transien suatu

alat ukurA B

5v

VAB= 5v trasien Steady state

• 2. Gangguan ramp f(t) = at

untuk mengetahui linieritas alat ukur

3. Gangguan sinusoidal f(t)= a sin ωt

untuk mengetahui sifat periodik alat ukur

Keterlambatan mencapai ss

Ss error50

30

t

T

• 4. Gangguan pulsa f (t) = a/T

untuk mengetahui transfer function alat ukur

qo

qi

a/T

T t

Transfer fuction operational adalah hubungan antara output qo dan input qi

yang dapat dituliskan :

qo (S) = bm Sm + bm-1sm-1 + ………+ b1S1 + bo

qi (S) am Sm + am-1 Sm-1+………+ a1S + ao

persamaan diatas menggambarkan karateristik dinamis seluruh sistem yang terdiri

dari komponen2 yang TFnya diketahui

pers`diatas dapat diganti sebagai fungsi frekuensi ( S= iω )

dengan ω =frekuensi sudut ( rad/s)

• Instrumen orde nol

• ao qo = bo qi TF = qo = bo = k

qi ao dimana k didefinisikan”‘kepekaan statis”

shg qo = k qi sistem linier

Contoh : potensiometer pengukur perpindahan

eo = (xi/L) Eb

eo = (Eb/L) xi

bila Eb/L = k, maka

eo = k xi

TF = eo / xi = K

Eb

L

eoXi

qi

qo

qis

K qis

waktu

Contoh soal lain secara pengukuran

• Instrumen orde satu

a1 dqo / dt + ao qo = bo qi

(a1/ao) dqo/dt + qo = ( bo / ao ) qi

ai /ao didefinisikan : konstanta waktu ح

bo / ao : kepekaan statis k

shg :

qo = k qi (S + 1 ح )

TF qo (S) = k

qi ح S + 1

• Contoh : tentukan TF dari termometer

hk kekekalan energi

Kalor yg masuk – kalor keluar = energi tersimpan

Kalor masuk dQ = q dt

= U Ab (Ti – Tf)

Kalor keluar = 0

Energi tersimpan dH = mcdtf

Jadi : U Ab (Ti – Tf ) – 0 = m c dTf

U Ab Ti – U Ab Tf = Vb ρ c (dTf / dt)

Dimana U = koef perpindahan panas universal

yg melewati dinding bola (W /m2 oc)

Ab = luas permukaan bola

c = kalor jenis cairan dalam bola

Tf = tempuratur cairan dalam bola

ρ = massa jenis cairan dalam bola

Hubungan Tf dengan Xo

Xo = β Tf V

Ac

Xo = pergeseran cairan (output)

Ac = luas penampang tabung kapiler

β = koefisien muai cairan dalam bola

Vb ρ c ( dTi / dt ) + Ab U Tf = U Ab Ti

Tf

Ti

xo

Xo=0

• ρ c Vb dxo + xo = β Vb Ti

U Ab dt Ac

Dimana :

β Vb = k ( m/oC )

Ac

ρ c Vb = ح ( s )

U Ab

xo = k Ti ( D + 1 ح )

TF ; xo/ Ti = k / (حD + 1 )

xo (S) = k

Ti حS + 1

ρ, β , c

U

Ac

Xo

Ti

• Out put instrumen orde 1 terhadap input step

qo = k qis ( S + 1ح )

diperoleh ;

qo = k qis ( 1 – e -t/ )

kecil ح

besar ح

qis

kqis

qi

qo

t

ح

t/ζ

• Intrumen orde dua

a2 d2qo + a1 dqo + ao qo = bo qi

dt2 dt

a2 d2qo + a1 dqo + qo = bo qi

ao dt2 ao dt ao

Dimana : bo/ao = k

ao/a2 = frekuensi natural tanpa

redaman (ωn)

a1 / 2 aoa2 = ξ = rasio redaman

tidak bersatuan

TF= qo (S) = k ωn2

qi S2 + 2 ωnξ S +ωn 2

soal

suatu instrumen mempunyai tranfer function Q (S) = 10

Qi (S) 2S2 + 8 S + 8

tentukan : K, ωn , ξ alat tersebut

• Intrumen orde dua contoh neraca pegas

F = Fm + Fb + Fk

m d2x + B dx + k X dt2 dt

Fi (S) = ( m S2 + B S + k) x (S)

TF = xo (S) = 1

Fi mS2 + BS + k

Dimana k = konstanta pegas ( N/m ) B = koefisien redaman ( N S/m)

m = massa ( kg )

F

xo

k B

• Soal

suatu termometer air raksa ( spt contoh ), diameter tabung kapiler 0,025 cm. Jika bolanya terbuat dari bahan yang koefisien muai sangat kecil (1) berapa volumenya agar kepekaannya 0,25 cm/oC. Andaikan pemakaianya mendekati 30oC. Jika bolanya ditempatkan dalam udara stasioner tentukan konstanta waktunya.

ρ air raksa = 13,6 g/cm

β air raksa = 180 10-6 C-1

c air raksa = 0,033 kkal /kg C

• Soal

Sebuah neraca pegas seperti contoh hendak dibuat dengan kepekaan statis 1 cm/N ,rasio redaman 0,5 dan frekuensi natural 0,8 rad/s maka berapakah besar massa maksimum yang diperbolehkan, konstanta pegas yang digunakan,peredaman viskos ( kecep getaran )