2 DASAR DASAR INSTRUMENTASI PROSES DR D

DASAR-DASAR
INSTRUMENTASI PROSES

02

Tujuan:
Mempelajari dasar-dasar instrumentasi proses yang menunjang
kelangsungan sistem pengendalian proses
Materi:
1.
2.
3.
4.
5.

Karakteristik Pengukuran (Measurement Characteristics)
Pengukuran Suhu (Temperature Measurement)
Pengukuran Tekanan (Pressure Measurement)
Pengukuran Volume/Level (Level Measurement)
Pengukuran Laju Aliran (Flow Measurement)

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 1

2.1 Karakteristik Pengukuran
Tujuan dasar instrumentasi proses untuk mendapatkan informasi
penting (P, V, T, F, C) yang berkaitan dengan kelangsungan proses

Pengukuran (Measurement)
Suatu perbandingan sebuah kuantitas yang tidak diketahui
nilainya dengan suatu nilai standar (dalam satuan tertentu)

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 2

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

Measuring: Mengukur nilai variabel proses

Instrument

Indicating: Menujukkan nilai variabel proses

Recording: Mencatat nilai variabel proses

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 3

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

Elemen-Elemen Pengukuran

Measured
Medium

Measured
Quantity

Observer

Primary
Sensing
Element

Presented
data

Variable
Conversion
Element

Variable
Manipulation
Element

Data
Presentation
Element

Data
Transmission
Element

Gambar 2.1.1. Elemen-elemen fungsional dari sistem instrumen

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 4

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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)

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 5

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

Gambar 2.1.2. Filled system thermometer

Gear mechanism

Pointer
Spiral bourdon tube
Scale

Capillary tube

Temperature bulb (liquid or gas)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 6

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

Gambar 2.1.3. Elemen-elemen fungsional dari sistem termometer
Temperature tube

Fluid

Measured
Medium

Primary
Sensing
Element

Variable

Conversion
Element

Scale and Pointer

Linkage Gear

Measured
Quantity

Presented
data

Data
Presentation
Element

Motion

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Variable
Manipulation
Element

Pressure

Data
Transmission
Element

Spiral Bourdon
Tube

Motion

Pressure

Observer

Temp.

Tubing

Variable
Conversion
Element

INDALPRO / 7

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

Karakteristik Kinerja Instrumen

Kar. Statis:

Calibration
Accuracy
Precision
Reproducibility

Drift
Sensitivity
Resolution
Kar. Dinamis:
Dead Zone
Backlash
True Value
Static Error
Mistake
Systematic error
Random Error
Source of Error

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Speed of Response
Fidelity
Lag
Dynamic Error
Zero-Order Instrument

First-Order Instrument
Second-Order Instrument

INDALPRO / 8

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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
4. Dengan menjaga beberapa input konstan, variasikan input lain,
catat outputnya, susun hubungan (persamaan) input-output

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 9

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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
Contoh: sebuah resistor mempunyai nilai tahanan (nyata) 1592154 Ω
Jika diukur dengan multimeter, terbaca 1,5 MΩ. Pengamat tidak dapat
membaca nilai yang sesungguhnya (pada skala). Meskipun tidak ada
kesalahan pembacaan, namun kesalahan atau error muncul akibat dari
skala bacaan (disebut precision error)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 10

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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
Sebuah perubahan yang tidak diinginkan atau variasi output secara
gradual dalam periode waktu. Jadi jika drift terjadi, korelasi antara inputoutput tidak dapat dibuat. Drift biasanya muncul jika instrumen sudah
kuno.

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 11

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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
Rentang terbesar dari varabel terukur yang tidak dapat direspon oleh
instrumen, kadang-kadang disebut dead spot atau hysteresis. Dead zone
biasanya terjadi pada instrumen penunjuk (indicating) atau pencatat
(recording).

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 12

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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
Kesalahan yang disebabkan oleh manusia (ketidak-telitian membaca,
penerapan instrumen yang kurang tepat, kesalahan komputasi)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 13

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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)
(b)melapisi komponen tertentu dalam intrumen
(c) menggunakan perlindungan (shield) magnetik
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 14

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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
6. Keterbatasan perancangan

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 15

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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.

∴

kelakuan dinamik dari sebuah instrumen sangat penting untuk
dipelajari (lebih penting d.p. kelakuan statik).
Kelakuan dinamik dari intrumen dapat dipelajari dengan melakukan
variasi var. terukur a.l. step change, linear change, sinusoidal change.

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 16

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

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
Perbedaan antara nilai nyata yang bervariasi karena waktu dengan nilai
yang ditunjukkan oleh instrumen

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 17

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

Respon Dinamik Instrumen Order Nol
Hubungan input dan output:

d n xo
d n −1 xo
dxo
d m xi
an n + an −1 n −1 + L + a1
+ a0 xo = bm m
dt
dt
dt
dt
d m−1 xi
dxi
+ bm−1 m−1 + L + b1
+ b0 xi
dt
dt
Dimana: xo = output ; xi = intput ; t = time

…. (2.1.1)

a′s, b′s = parameter fisik (diasumsi konstan)
Jika a′s, b′s = 0

a0 x0 = b0 xi
x0 =

Ideal or perfect dynamic
performance
(no lag or no distortion)

K=

Order nol …. (2.1.2)

b0
xi = Kxi
a0

b0
= static sensitivity
a0

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

…. (2.1.3)
…. (2.1.4)
INDALPRO / 18

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

Respon Dinamik Instrumen Order Satu
Hubungan input dan output:

dxo
a1
+ a0 xo = b0 xi
dt

a1 dxo
b0
+ xo = xi
a0 dt
a0

…. (2.1.6)

dxo
τ
+ xo = Kxi
dt
Transformasi Laplace:
dimana: τ =

…. (2.1.5)

Order satu

xo
K
=
xi τs + 1

a1
= time cons tan t
a0
b0
K = = static sensitivity
a0

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

…. (2.1.7)

…. (2.1.8)

…. (2.1.9)

INDALPRO / 19

2.1 Karakt erist ik Pengukuran

Respon Dinamik Instrumen Order Dua
2
d
xo
dxo
Hubungan input dan output: a2
+ a1
+ a0 xo = b0 xi
2
dt
dt

1 d 2 xo 2ζ dxo
+
+ xo = Kxi
2
2
(ωn ) dt ωn dt
xo
Transformasi Laplace:
= 2
s
xi

ω

2
n

+

K
2ζ

ωn

s +1

…. (2.1.10)

Order dua …. (2.1.11)

K
= 2 2
τ s + 2ζτs + 1

…. (2.1.12)

a0
dimana: ωn =
= undamped natural frequency, [rad / time] …. (2.1.13)
a2
a1
…. (2.1.14)
ζ =
= damping ratio
a0 a2
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 20

2.2. Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.1. Rentang/skala suhu.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 21

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

4. Pyrometer

Resistance thermometer
Thermocouple
Thermistor

Radiation pyrometer
Optical pyrometer

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 22

2.2 Pengukuran Suhu

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

Tersedia: –103 s.d. 1004 oF
atau –75 s.d. 540 oC

Gb. 2.2.2. Bimetallic Strips

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).
Jarak ekspansi proporsional terhadap pangkat dari panjang strip dan
berbanding terbalik dengan tebal strip (logam). Pergerakan bimetallic
digunakan menggerakkan pointer sehingga melintasi skala kalibrasi suhu.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 23

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.5. Thermometer with spiral bimetallic element.
Digunakan di rumah dan di kantor sebagai indikator suhu lingkungan.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 24

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.4. Thermometer with helical bimetallic element
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 25

2.2 Pengukuran Suhu

Liquid in Gla ss The r m om e t e r
Salah satu alat ukur suhu yang paling
sederhana, dan digunakan di laboratorium
dan industri.
Range: –18.4 s.d. 608 oF atau –120 s.d. 320 oC
Alkohol : untuk suhu sangat rendah
Merkuri : untuk suhu tinggi (merkuri
membeku pada suhu –39 oC).
Mudah pecah dan tidak mudah beradaptasi
dengan
perubahan
suhu,
sehingga
penggunaannya di industri terbatas.

Gb. 2.2.5. Liquid in glass
thermometer

Tidak digunakan, jika suhu berfluktuasi
akan diukur dengan akurasi tinggi.

Termometer gelas berisi air raksa yang digunakan di industri: tangki
terbuka berisi cairan, kettle, steam line,dan aliran fluida dalam pipa.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 26

2.2 Pengukuran Suhu

Liqu id in M e t a l Th e r m om e t e r
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.

Gb. 2.2.6. Liquid in metal
thermometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 27

2.2 Pengukuran Suhu

Rentang suhu dari cairan yang digunakan dalam termometer logam:
Ca ir a n

Re n t a n g su h u
( o F)

Re n t a n g su h u
( o C)

Mercury

–3 s.d. +1200
–40 s.d. +750
–50 s.d. +300
+70 s.d. +195
–125 s.d. +500

–39 s.d. +650
–40 s.d. +400
–46 s.d. +150
+20 s.d. +90
–87 s.d. +260

Xylene
Alcohol
Ether
Cairan organik lain

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 28

2.2 Pengukuran Suhu

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.
Koefisien ekspasi xylene
adalah 6 kali mercury.

Gb. 2.2.7. Filled-system
thermometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 29

2.2 Pengukuran Suhu

Liquid- fille d The r m om e t e r
Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene, toluene.
Koefisian ekspasi xylene adalah 6 kali koef ekspansi mercury, jadi
memungkinkan perancangan bulb kecil.
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
mengganggu kalibrasi/pembacaan suhu.

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

supaya

tidak

INDALPRO / 30

2.2 Pengukuran Suhu

Va por - pr e ssur e The 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 Pvap cairan berhenti
mendidih, kecuali jika suhu naik.
Saat suhu turun, sebagian uap
mengembun, dan tekanan turun.
Gb. 2.2.8. Vapor-pressure
thermometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Karena perubahan tekanan ini,
bourdon menggerakkan pointer yang
dapat mengindikasikan suhu.
INDALPRO / 31

2.2 Pengukuran Suhu

Rentang suhu cairan yang digunakan dalam vapor-pressure thermometer
Cairan
Argon

Suhu
kritis
– 122 oC

Titik
didih

Rentang suhu yang tersedia

– 185.7 oC Untuk mengukur suhu sangat rendah (sampai
– 253 oC)

Methyl chloride

143 oC

Sulphur dioxide

157 oC

– 10 oC 30 s.d. 120 oC

Ethyl-alcohol

243 oC

78.5 oC 200 s.d. 350 oF

Toluene

321 oC

110.5 oC 150 s.d. 250 oC

Ethyl-chloride

187 oC

12.2 oC 30 s.d. 100 oC

Bulane (n)

154 oC

– 0.6 oC 60 s.d. 130 oF (20 s.d. 80 oC)

Methyl bromide

----

– 23.7 oC 30 s.d. 130 oF (0 s.d. 50 oC)

4.6 oC 80 s.d. 180 oF

Di-ethyl ether

194 oC

34.5 oC 130 s.d. 300 oF (60 s.d. 160 oC)

Water

375 oC

100 oC 120 s.d. 220 oC

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 32

2.2 Pengukuran Suhu

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
Gb. 2.2.9. Types of thermometer bulbs
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 33

2.2 Pengukuran Suhu

Perbandingan beberapa fluida pengisi pada filled-system thermometer

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 34

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.
Jenis-jenis logam: platinum, copper,
dan nickel.

Gb. 2.2.10. Resistance thermometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 35

2.2 Pengukuran Suhu

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

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 36

2.2 Pengukuran Suhu

The r m ocouple
Prinsip kerja
thermocouple
tergantung dari
pengaruh thermoelectric.

Gb. 2.2.11. Thermocouple

Jika salah satu junction
dipanaskan, arus
mengalir dalam circuit
dan dideteksi oleh
galvanometer.

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.

Cocok untuk digunakan sebagai salah satu element pengendalian (sensor
element for control system).
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 37

2.2 Pengukuran Suhu

Penerapan t herm ocouple

Gb. 2.2.12. Penerapan thermocouple

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 38

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.13. EMF chart for various thermocouples with free end at 0 oC
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 39

2.2 Pengukuran Suhu

Ra dia t ion Pyr om e t e r
Pyrometry adalah salah satu
teknik pengukuran suhu tanpa
kontak fisik, tetapi suhu fluida
dideteksi dengan mengukur
radiasi elektromagnetik.

Gb. 2.2.14. Radiation pyrometer

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

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.
Pryrometer dapat mengukur suhu tinggi (>1400 oC)

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 40

Opt ica l Pyr om e t e r

Gb. 2.2.15. Industrial optical pyrometer

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 41

2.3. Pengukuran Tekanan

Pressure

Definisi: P =

F
A

…. (2.3.1)

Total or
Absolute
Pressure
(Psia)
Barometric
Pressure

Gauge
Pressure

Atmospheric Reference
(Standard Atmospheric
Pressure = 760 mm Hg
= 29.921 in Hg

Vacuum
Absolute
Pressure

= 14.696 psia)

Absolute Reference

Gb. 2.3.1. Hubungan antara tekanan absolut, gauge, dan barometrik.

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 42

2.3 Pengukuran Tekanan

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

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 43

2.3 Pengukuran Tekanan

U- t u be m a n om e t e r

Gb. 2.3.2. U-tube manometer

(P − P ) = (ρ − ρ )(h − h )g
P = (ρ − ρ )gh
1

2

1

l

2

…. (2.3.2)

l

Dimana:

ρ = densitas fluida di dalam U-tube
ρl = densitas fluida yang diukur tekanannya
h = (h1 – h2), perbedaan ketinggian fluida dalam U-tube
g = percepatan grafitasi

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 44

2.3 Pengukuran Tekanan

W e ll- t ype m a n om e t e r
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
pada skala sebelum pembacaan dilakukan

Gb. 2.3.3. Well-type manometer
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 45

2.3 Pengukuran Tekanan

Ba r om e t e r
Alat ukur tekanan absolute dengan rentang tekanan dari zero absolute
sampai atmospheric pressure.
Biasanya dinyatakan dalam mm Hg.

Gb. 2.3.4. Barometer

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 46

2.3 Pengukuran Tekanan

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 bour don t ube pr e ssur e ga uge

Gb. 2.3.5. C-type bourdon tube pressure gauge
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 47

2.3 Pengukuran Tekanan

D ia phr a gm Pr e ssur e Tr a nsduce r
Digunakan secara luas untuk tekanan gauge; dan dapat mendeteksi tekanan
rendah: 0 – 4 mm.

(b) Slack Diaphragm Gauge
(a) Metallic Diaphragm

Gb. 2.3.6. Diaphragm pressure transducer

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 48

2.3 Pengukuran Tekanan

Be llow s
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.

Gb. 2.3.7. Bellows pressure element
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Gb.2.3.8. Differential Bellows Gauge
INDALPRO / 49

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:
Sight Glass

Langsung:
Float-type

Sight glass for an open tank
High pressure sight glass
Float-operated liquid level indicator
Hydraulic transmission system
Press. Gauge method

Hydrostatic pressure type

Tak-langsung:

Air bellows
Air purge system

Capacitance level indicator

Electrical method
Radiation level detector
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 50

2.4 Pengukuran Level

Sight Gla ss

Gb. 2.4.1. Sight glass for an open tank

Disebut juga gauge glass; digunakan untuk pengukuran level cairan dalam
tangki secara kontinyu.
Ketika level cairan dalam tangki bergerak naik atau turun, level cairan dalam
sight glass juga bergerak naik dan turun, shg level dapat dibaca pada skala.
Cairan dalam sight glass boleh tidak sama dengan cairan dalam tangki.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 51

2.4 Pengukuran Level

Sight Gla ss ( lanj ut an)
Batasan:
Panjang glass ≤ 900 mm.
Jika lebih; 2 atau lebih sight
glass harus disediakan
untuk level yang berbeda.

Gb. 2.4.2. High pressure sight glass

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

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.
Valve dipasang untuk mencegah pecahnya glass.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 52

2.4 Pengukuran Level

Sight Gla ss ( lanj ut an)
Kelebihan:
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.
4. Akurasi tergantung pada kebersihan glass dan cairan.

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 53

2.4 Pengukuran Level

Floa t - Type Le ve l I n dica t or
Pergerakan float ditransmisikan
melalui stainless steel atau phosphor
bronze flexible cable ke pointer , dan
pointer menunjukkan ketinggian
cairan dalam tangki.

Standard Liquid Level:
½ ft – 60 ft (0,15 – 1,52 m)

Gb. 2.4.3. Float-operated liquid
level indicator

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 54

2.4 Pengukuran Level

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)
Gb. 2.4.4. Hydraulic Transmission System for
Level Indication

2 di transmitter (C & D)

Float naik: A mengembang dan B tertekan, minyak di pipa mengalir dari B ke
C, dan D ke A, pointer bergerak ke kanan; Bagaimana jika sebaliknya?
Transmisi Level : sampai 250 ft (6,35 m)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 55

2.4 Pengukuran Level

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

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 56

2.4 Pengukuran Level

Pr e ssur e Ga uge M e t hod
• Metode paling sederhana
untuk pengukuran level
tangki terbuka
• Tekanan hidrostatik:

P = ρ h Sg

…. (2.4.1)

• Level cairan:
Gb. 2.4.5. Open Tank Pressure Indicator
Dimana:
P = tekanan: psi atau N/m2
ρ = densitas air
Sg= specific gravity

P
h=
ρ Sg

…. (2.4.2)

• Jika tangki tertutup:

P = ρ h S g + Pext

…. (2.4.3)

h = tinggi cairan
Pext = tekanan cairan eksternal (tangki tertutup)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 57

2.4 Pengukuran Level

Air Be llow s
Ketika
instrumen
tidak
dapat
diletakkan di datum tertentu, dipilih
air bellows
Bellows element dihubungkan dengan
press indicator menggunakan pipa.

Gb. 2.4.6. Flexible air bellows

Ketika tangki kosong, udara tidak
tertekan dan menunjukkan tekanan
nol.

Saat tangki terisi cairan, udara dalam bellows tertekan, dan pointer bergerak
menunjukkan tekanan cairan dalam tangki. Tekanan ini dikalibrasikan
menjadi tinggi cairan (level).

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 58

2.4 Pengukuran Level

Air Be llow s

• Aplikasi Industri.
• Liq seal digunakan
untuk pengukuran
level cairan yang
korosif atau viscous.

Gb. 2.4.7. A closed box air bellows connected to
the pressure fluid tank
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 59

2.4 Pengukuran Level

Air Pur ge Syst e m
• Bubbler tube
• Cocok untuk semua
cairan

Gb. 2.4.8. Air purge system

• 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.
• Pergerakan pointer dikalibrasikan menjadi besaran tinggi cairan.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 60

2.4 Pengukuran Level

Ca pa cit a n ce Le ve l I n dica t or
• Parallel plate capacitor:

C=K

A
D

…. (2.4.4)

Dimana:
C = capacitance: farad
K = konstanta dielektrik
A = luas plate, m2
Gb. 2.4.9. Capacitance level indicator

h = jarak dua plate: m

• Jika tinggi cairan naik: capacitance naik, begitu juga sebaliknya.
• Naik turunnya capacitance dikalibrasikan ke dalam term level cairan

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 61

2.4 Pengukuran Level

Ca pa cit a n ce Le ve l I n dica t or
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.
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 62

2.4 Pengukuran Level

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

• Digunakan ketika, metode
elektrik yang lain tidak
memungkinkan
• Tidak memerlukan kontak
dengan cairan yang diukur.
• Jika
tangki
kosong:
γray
menembus dua dinding tangki
dan udara dalam tangki.

Gb. 2.4.10. Radiation type level indicator
• Jika tangki berisi cairan: cairan dalam tangki mengurangi radiasi γray .
Besarnya radiasi berbanding terbalik dengan volume cairan dalam tangki.

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 63

2.4 Pengukuran Level

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

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 64

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

Akan dibahas

2. Quantity flowmeter
3. Mass flowmeter
Variable head or differential meter
Variable area meter
Inferential type flowmeters

Turbine meter
Thermal meter

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 65

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

Va r ia ble H e a d or D iffe r e n t ia l M e t e r
Salah satu metode tertua dan sering digunakan di industri
Dari teori Bernoulli:
Laju volumetrik

⎡ 2( p1 − p2 ) ⎤
q = cd . A2 ⎢
4 ⎥
−
1
ρ
β
⎣
⎦

(

)

1
2

…. (2.5.1)

Gb. 2.5.1. Differential Pressure Flowmeter

Laju alir massa

m = C A2 2( p1 − p2 )ρ
…. (2.5.2)
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 66

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

Dimana: q = laju alir volumetrik
m = laju alir massa
A = Luas penampang orifice
h = differential head (pressure) melewati tahanan dalam pipa

C=

cd
1− β

4

= cons tan t

cd = discharge coefficient

d (diameter of restriction element )
β = diameter ratio =
D(inside diameter of the pipe )
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 67

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

Gb. 2.5.2. Orifice Plates

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 68

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

Gb. 2.5.3. Venturi tubes: (a) Classic ; (b) Eccentric ; (c) Rectangular
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 69

A copper aspirat or. The wat er inlet
and out let are at t he t op and
bot t om , respect ively; t he air inlet is
on t he side.

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

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 70

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

Va r ia ble Ar e a Flow m e t e r

Gb. 2.5.4. Rotameter
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 71

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

Tur bine Flow m e t e r
Aplikasi:
+ Militer
+ Sistem pencampuran
(industri petroleum)
+ Aerospace and airborne
Gb. 2.5.5. Turbine Flowmeter

+ Cryogenic (liq. O2 and N2)

Cocok untuk pengukuran cairan dan gas dengan laju alir sangat rendah.
Akurasi: ±1/4 s.d. ±1/2

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 72

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

Liqu id M e a su r in g D e vice s:
Liquid/Gas Ultrasonic Flow Meter

Liquid Turbine Flow Meter

Orifice Plates

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 73

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

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

Or ifice pla t e flow m e t e r

Ga s Tu r bin e Flow m e t e r
Flow N ozzle s

Or ifice pla t e holde r
M in i Ga s t u r bin e flow m e t e r
2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Ve n t u r i t u be s

INDALPRO / 74

2.5 Pengukuran Laj u Aliran

The r m a l Flow m e t e r
Sangat populer untuk pengukuran aliran gas tidak tunak.
Ada 2 : heat transfer flowmeter dan hot-wire flowmeter.

Q = WCP (T2 − T1 )

…. (2.5.3)

Q
W=
CP (T2 − T1 )

…. (2.5.4)

Dimana:
Q = perpindahan panas

Gb. 2.5.6. Heat transfer flowmeter

W = laju alir massa fluida
CP = Kapasitas panas fluida
T1 = suhu fluida sebelum dipanaskan
T2 = suhu fluida setelah dipanaskan

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 75