14BAB III TINJAUAN PUSTAKA 3.1 Instrumentasi Instrumentasiadalahsuatuilmumengenaiberbagaimacamalatyang digunakan di lapangan untuk mengukur dan atau mengendalikan besaran-besaran sepertisuhu(temperature),aliran(flow),tekanan(pressure),danketinggian (level).Instrumentasiterdiridarialat-alatyangdigunakanuntukmelakukan pengukuran (measurement), pengkondisi sinyal (signal conditioning), pengiriman sinyal (signal transmission), dan pengendalian (controller).3.1.1 Instrumentasi Pengukuran Instrumentasi pengukuran pada umumnya digunakan untuk melakukan pengukuranpadabesaran-besarantertentu,padaumumnyamerupakansuatu sensor atautransduser.Sensormerupakan suatu elemen dalamsistemkontrol yangmerasakan(tosense)besaranyangdiukurdalambentukenergitermal, listrik,mekanik,dansebagainya,sertamengubahbesaranfisikapengukuran menjadibesaransinyalstandar.Transduseradalahsuatualatyangmengubah suatuenergimenjadibentukenergilainnya.Instrumentasipengukuran bertujuanuntukmemberikannilaisuatubesaranyangdapatdibacaoleh manusiamaupunalatelektroniklainnyauntukmengetahuikondisisuatu proses yang sedang berlangsung. 3.1.1.1 Pengukuran ketinggian (Level) Prinsip pengukuran ketinggian berdasarkan pada : Bejana berhubungan (sight glasses) Gaya apung (pelampung / float) Displacer Kapasitansi Konduktansi Bubbler system Perambatan gelombang ultrasonic Gaya tekan fluida 15Sinar radio aktif Padaalatpengukuranketinggianterdapat2jenispengukuran yang terjadi, yaitu pengukuran langsung dan pengukuran tidak langsung. Pengukuran langsung adalah pengukuran ketinggian yang menggunakan cairanyangdiukurberinteraksilangsungataudigunakandalamproses pengukuran,contohnyaadalahmenggunakanbejanaberhubungan,gaya apung,displacer,kapasitansidankonduktansi.Pengukurantidak langsung adalah pengukuran ketinggian dimana fluida yang akan diukur tidakberinteraksilangsungdenganalatpengukuran,contohnyaadalah bubblersystem,perambatangelombangultrasonic,gayatekanfluida, dan sinar radio aktif. 3.1.1.1.1 Bejana Berhubungan Prinsippengukuranketinggianfluidaberdasarkanbejana berhubungan atau manometer menggunakan alat yang dinamakan levelgaugeatausightglasses,dimanamenggunakanprinsip yangsangatsederhanadansangatefektifkarenadapatlangsung memberikantandadalambentukvisual.Levelgaugemerupakan suatu pipa bening yang didalamnya berisi cairan dari proses yang diukur.Ilustrasidarilevelgaugeakanditunjukkanpadagambar di bawah ini : Gambar 3. 1 Penempatan level gauge atau sight glass Alatpengukuranketinggianlevelgaugepadaumumnya dijadikanpatokanawaldalamproseskalibrasialatpengukuran ketinggian yang lainnya, karena sangat mudah dalam pembacaan dan tidak dipengaruhi factor lain seperti massa jenis cairan.3.1.1.1.2163.1.1.1.3 Gaya apung (pelampung /float) Prinsip pengukuran ketinggianmenggunakan gaya apung merupakansalahsatucarayangsederhana,yaitumenggunakan suatualatyangmengapungdipermukaansuatucairandidalam tangki.Ilustrasigambardibawahinimenunjukkanpenggunaan prinsip gaya apung sebagai alat pengukuran ketinggian. Gambar 3. 2 Alat ukur ketinggian menggunakan float Pengukuran ketinggian menggunakan prinsip gaya apung iniakanditunjukkanmenggunakanskalasepertipadalevel gauge,namunskalatersebutditunjukkanberdasarkanpada gerakanpulley,dandapatdihubungkandenganpotensiometer untukmenghasilkanhasilpengukuranberupasinyalelektrik. Kelemahan dari jenis alat pengukuran ketinggian ini adalah hasil yangditunjukkantidaklinear,namundenganmodifikasipada potensiometer dapat dihasilkan hasil pengukuran yang linear. 3.1.1.1.4 Displacer Alat pengukuran ketinggian jenis displacer menggunakan prinsipArchimedesdenganmendeteksiketinggiancairan berdasarkanberatdaribatangyangterbenamdidalamcairan. Saatketinggiancairanbertambah,makapadabatangakan munculgayabuoyantsehinggaberatdaribatangakanmakin berkurang. Semakin berkurangnya berat batang, maka ketinggian cairanakansemakinnaik.Prinsipkerjaalatpengukuranini serupadenganprinsipalatpengukuranberdasarkangayaapung, namun memiliki akurasi yang lebih baik. 17 Gambar 3. 3 Penggunaan alat ukur ketinggian displacer 3.1.1.1.5 Konduktansi dan Kapasitansi Alatpengukuranketinggianberdasarkankonduktansi digunakanuntukmengukursuatucairanyangkonduktifdan nonvolatile sehingga tidak akan muncul percikan api. Probe yang berinteraksi langsung dengan cairan di dalam tangki berjumlah 2 ataulebih,dimanaakanterjadibedateganganyangbesarnya akan bergantung pada ketinggian cairan. Gambar 3. 4 Penggunaan alat ukur ketinggian menggunakan (a) konduktansi (b) kapasitansi Alatpengukuranketinggianmenggunakanprinsip kapasitansidapatdigunakanuntukcairanyangnon-konduktif danmemilikikekentalan(viscosity/).Probeyangdigunakan menggunakansuatubatang(innerrod)yangterbungkusoleh outershelldandipisahkanudarayangmenjadibahandielektrik di antara inner rod dan outer shell. Apabila probe dimasukkan ke 18dalamcairan,makaprobeakanteredamolehcairansehingga akanterjadiperubahankapasitansi.Perubahankapasitansiyang terjadiakanberhubunganlangsungdenganketinggiancairan. Apabiladindingdaritangkiterbuatdarilogam,makadinding tangkidapatdigunakansebagaioutershell.Kelemahandarialat pengukuriniadalahharusmengetahuikonstantadielektrikdari cairan yang akan diukur, sedangkan konstanta dielektrik nilainya dapatbervariasiberdasarkansuhusehinggadiperlukankoreksi terhadap suhu. 3.1.1.1.6 Gaya tekan fluida Alatpengukuranketinggianmenggunakanprinsipgaya tekan fluida atau tekanan hidrostatis merupakan alat yang paling seringdigunakan.Prinsipalatinimenggunakankesetaraan hubunganantaratekanandenganketinggiancairan.Persamaan matematis yang menghubungkan keduanya yaitu : P =p . g . b P =y. b Dimana, P = tckonon biJrostotis p = mosso ]cnis luiJo g = pcrccpoton gro:itosi y =p . g = bcrot ]cnis luiJo b = kctinggion :crtikol Jori luiJo Persamaanmatematistersebutmenunjukkanbahwa ketinggiandarifluidadapatditentukanberdasarkantekanan hidrostatisyangterjadiapabilanilaiberatjenisfluidatetap. Pemasangansensorpengukuranketinggiantipeinibiasanya langsung dihubungkan dengan transmitter, sehingga nilai besaran ketinggian yang didapat dapat dikirimkan langsung dalam sinyal elektronik. Pembahasan selanjutnya dari alat pengukuran tipe ini akan dijelaskan pada bagian transmitter. 193.1.1.1.7 Bubbler System Salahsatutipealatpengukuranketinggianyangcukup menarikmenggunakanprinsipgelembung(bubbler),karena mendapatkanhasilpengukuranketinggianmenggunakangas yangdigunakanuntukmengukurtekananhidrostatisdaricairan didalamtangki.Gasdipaksauntukmelewatipipadanberujung didalamcairan.Beratjenisdarigasdianggaptidakterlalu mempengaruhi, dibandingkan dengan berat jenis cairan. Tekanan yangdibutuhkanuntukmelewatkangaskeluardaripipaakan samadengantekananhidrostatispadacairan,dansetaradengan ketinggiancairandidalamtangki.Keuntungandarialat pengukuran tipe ini adalah tidak adanya kontak langsung dengan cairanyangakandiukurdibandingkandenganalatpengukur ketinggianlainnya,terutamauntukmengukurketinggiancairan yang bersifat korosif. Gambar 3. 5 Penggunaan alat ukur ketinggian menggunakan sistem gelembung (bubbler system) 3.1.1.1.8 Perambatan gelombang ultrasonik Instrumentpengukuranlevelmenggunakanprinsip gelombangutrasonikdenganmengukurjarakdaripemancar gelombangultrasonikterhadappermukaancairan,dimana permukaancairanakanmemantulkankembaligelombang ultrasonicyangditerimaolehalatpenerimagelombang. Perbedaanwaktusaatgelombangdipancarkandansaat gelombangditerimaakanmenghasilkanhasilpengukuranjarak antaraposisipemancardanpermukaancairan,olehkarenaitu 20ketinggian cairan dapat diperoleh dengan menghitung selisih dari tinggi total tabung dengan jarak antara pemancar dan permukaan cairan. Pemancar dan penerima gelombang ultrasonik merupakan transduser piezo-electric. Gambar 3. 6 Penggunaan alat ukur ketinggian mengunakan gelombang ultrasonik 3.1.1.1.9 Sinar radio aktif Alatpengukurketinggianmenggunakanprinsipsinar radioaktifpadaumumnyadigunakanpadacairanyangbersifat korosifdansuhuyangsangatpanassehinggaakanmerusak sensorpengukuranlainnya.Prinsipkerjanyaserupadenganalat pengukurketinggianultrasonikdenganmemilikipemancardan penerimasinarradioaktif.Kerugiandarialatpengukuranini adalahalatpengukuranyangharganyamahaldanharusadanya penangananterhadapbahanradio-aktifyangsangatberbahaya bagi manusia. Gambar 3. 7 Penggunaan alat ukur ketinggian menggunakan sinar radio aktif (isotop) 213.1.1.2 Pengkuran Tekanan (Pressure) Prinsip pengukuran tekanan berdasarkan pada alat: Manometer Pressure gauge Tekanan-Elektrik / Strain-gage Differential pressure 3.1.1.2.1 Manometer Manometermerupakanalatpengukurantekananyang palingsederhana,karenamenggunakanprinsippengukuran berdasarkanpadaketinggiandaricairansehinggaakan didapatkannilaibedatekanan.Manometermenggunakanpipa yangtembuscahayasehingganilaipengukurandapatlangsung dilihat pada tabung manometer. Gambar 3. 8 Berbagai macam penggunaan alat ukur tekanan manometer 3.1.1.2.2 Pressure Gauge Pressuregaugeadalahsuatualatpengukurantekanan yangmenggunakanprinsipmekanik-tekanan.Alatinipada 22umumya menggunakan tabung bourdon, diaphragm, dan bellows. Prinsipkerjanyaadalahapabilaadanyatekanan,makaakan munculgayayangmenggerakkanjarumpenunjukskalatekanan padapressuregauge.Pressuregaugedapatmenghasilkanhasil pengukuranyangdapatdilihatlangsungdanmudahdalam pembacaan hasil pengukuran. Gambar 3. 9 Berbagai macam alat ukur tekanan menggunakan prinsip mekanik-tekanan Gambar 3. 10 Mekanisme kerja pressure gauge menggunakan tabung bourdon 3.1.1.2.3 Alat Pengukuran Tekanan-Elektrik Alatpengukurantekananelektrikmerupakansuatualat pengukuranyangmenghasilkanhasilpengukurandalambesaran elektrik,yaitusinyal4-20mA.Alatinipadaumumnya menggunakanstrain-gauge,yangmemilikiprinsipkerjaapabila strain-gaugemendapattekananmakaakanterjadideformasi (perubahanpanjang)yangmenyebabkanterjadinyaperubahan nilaihambatanlistrikdanterjadiperubahannilaitegangandan arus listrik pada alat. 23 Gambar 3. 11 Alat pengukuran tekanan menggunakan strain gauge Alatpengukuraniniselainberfungsisebagaisensor, dapat juga berfungsi sebagai transmitter yang mengirimkan hasil pengukurandalamsinyalelektrik,karenaadaperubahannilai sinyal pengukuran yang didapatkan. 3.1.1.2.4 AlatPengukuranTekananmenggunakan Differential pressure Alatpengukurantekanandengantipedifferential pressurebanyakdigunakandiindustri.Alatinimerupakan modifikasidariprinsipkerjapadapressuregaugemaupunpada strain-gauge.Prinsipkerjanyaadalahmengukurselisihtekanan pada2masukan.Alatinijauhlebihakuratdibandingkanalat pengukurantekananlainnya.Hasilpengukuranmenggunakan alat ini biasanya dapatdiubahmenjadi sinyal dalambentuk lain, sehingga disebut juga sebagai differential pressure transmitter. Gambar 3. 12 Mekanisme alat pengukuran tekanan menggunakan prinsip perbedaan tekanan 243.1.1.3 Pengukuran Aliran (Flow) Alat pengukuran aliran berdasarkan pada : Differential-pressure Variable-area Kecepatan Ultrasonic Aliran Massa Weightfeeder 3.1.1.3.1 Differential-Pressure Flowmeter Alatpengukuranaliranjenisinimenggunakanprinsip Bernoulli,dimanaapabilaterjadibedatekananmakadapat ditentukanaliranfluidayangterjadipadapipa.Alatpengukuran ini terdiri dari beberapa jenis, yaitu : orifice venturi nozzle tabung pitot centrifugal elbow centrifugal loop Kelemahan dari alat ini adalah terjadi penurunan tekanan secarapermanenpadaaliran,karenaadanyapenghalangaliran yangdipasangpadapipa.Alatukuryangbanyakdigunakan adalahorifice,karenatidakmembutuhkantempatyangbesar namunmenimbulkanpenurunantekananyangpalingbesar. Venturimenimbulkanpenurunantekananyangpalingkecil namun memerlukan pemasangan di tempat yang sangat besar. 25 Gambar 3. 13 Berbagai macam alat pengukuran aliran menggunakan prinsip perbedaan tekanan (a) orifice (b) nozzle (c) venturi (d) tabung pitot (e) centrifugal elbow (f) centrifugal loop3.1.1.3.2 Variable-area flowmeter Alatpengukuranalirantipevariable-areamenggunakan prinsipbahwafluidaharusmelewatisuatuhambatanyangakan menunjukkanpadaskalaaliranyangdiukur.Contohnyaadalah rotameter, moving-vane, dan target-flowmeter. Gambar 3. 14 Rotameter Gambar 3. 15 Moving vane 26 Gambar 3. 16 target flowmeter 3.1.1.3.3 Alat Pengukuran Aliran berdasarkan Kecepatan Prinsipdasardarialatpengukuranalirantipeini berdarkanpadahokumkontinuitasaliran,dimanalaju fluida akan sebanding dengan aliran volume pada suatu penampang pipa. Contoh dari alat pengukuran aliran ini adalah : Turbine flowmeter Turbine-flowmetermenggunakansuaturodaturbin yangakanberputarsaatterjadialiran,sehingga menghasilkan hasil pengukuran laju aliran. Gambar 3. 17 Alat pengukuran aliran turbine flowmeter Vortex flowmeter Vortex flowmeter menggunakan prinsip bahwa pada aliranfluidayangturbulenapabiladihalangisuatu objekakanmenciptakanpusaranair,yang menghasilkantekanandanfrekuensi.Tekanandan 27frekuensidarialiranakandiukurpadasensor,dan diolah menghasilkan nilai pengukuran laju aliran. Gambar 3. 18Alat pengukuran aliran vortex flowmeter Magnetic flowmeter Magneticflowmetermenggunakanprinsipinduksi elektromagnetikdimananilaiteganganakan berubahpadasaatterjadialiranfluidayang melintasimedanmagnet.Nilaiteganganakan sebandinglurusdenganbesardanarahalirandari fluida.Alatukurinihanyadapatdigunakanuntuk mengukurfluidayangbersifatkonduktif,dengan nilai konduktifitas minimal 2S/cm. Gambar 3. 19 Prinsip kerja magnetic flowmeter 3.1.1.3.4 Ultrasonic-flowmeter Alatpengukuranalirantipeinimenggunakanprinsip dasar gelombang ultrasonik yang dipancarkan pada aliran fluida, dan partikel dari fluida akan memantulkan gelombang ultrasonik yang dipancarkan. Tipe dari alat ukur ini ada 2, yaitu berdasarkan efekDopplerdantransit-time.Alatpengukuranyang menggunakanefekDopplermengukuraliranberdasarkanpada 28perbandinganantaragelombangultrasonikyangditerimadan dipancarkan,sedangkanalatpengukuranyangmenggunakan metodetransit-timeberdasarkanpadawaktuyangdibutuhkan gelombangultrasonikmelintasisuatualiranfluida.Doppler-flowmeterhanyadapatdigunakanpadaaliranfluidayang mengandung banyak partikel dan gelembung, sedangkan transit-time-flowmeter dapat digunakan pada aliran fluida yang bersih. Gambar 3. 20 Prinsip kerja alat pengukuran Doppler-ultrasonic flowmeter Gambar 3. 21 Prinsip kerja alat pengukuran transit-time-ultrasonic flowmeter 3.1.1.3.5 Mass-flowmeter Alatpengukuranalirantipeinidapatmengukurlaju massa aliran, sehingga lebih banyak informasi yang dapat diolah. Salahsatucontohnyaadalahcoriolis-flowmeter,yangbekerja menggunakanprinsipCoriolis,yaituapabilaterjadifluidayang mengalir dalam suatu pipa,makaakan terjadi geraka rotasi pada pipasehinggabesargayayangterjadiuntukmenyebabkan gerakanrotasiakansebandingdenganlajualiranmassafluida yang mengalir di dalam pipa. Gambar 3. 22 Prinsip kerja alat pengukuran coriolis-mass flowmeter 3.1.1.4 Pengukuran Temperature 29Berbagai macam alat pengukuran temperature, yaitu : Thermometer Fluida Thermometer Bimetal Thermocouple RTD Thermistor 3.1.1.4.1 Thermometer Fluida Alatpengukurantemperaturejenisinisangatsering digunakan,contohnyaadalahthermometerraksa.Prinsip kerjanyaadalahpemuaiansuatufluidadikarenakanadanya kenaikansuhu,sehinggaketinggiandarifluidadidalamtabung akan naik dan dapat dibaca dengan mudah pada skala. 3.1.1.4.2 Thermometer Bimetal Alatpengukurantemperaturejenisinibanyakdigunakan diindustridandisebutdengantemperaturegauge.Prinsipkerja darialatiniadalahdenganmenempelkan2jenislogamyang berbeda koefisien muainya. Apabila terjadi perubahan suhu maka logam akan memuai, namun karena koefisien muai yang berbeda makaalattersebutakanmelengkungdanmenyebabkan perubahan jarum penunjuk skala akan bergerak. Gambar 3. 23 Prinsip kerja alat pengukuran thermometer bimetal 3.1.1.4.3 Thermocouple Alatpengukurantemperaturejenisinipalingbanyak digunakanpadaindustri,dikarenakanakurasidankemampuan dalampengukuranyangsangattinggi.Prinsipdasar 30Thermocoupleadalahtermo-elektrik,yaituapabilaterjadi temperature pada ujung kawat yang berbeda, dimana kawat yang digunakanberbedajenis,akanmenciptakansuatutegangan listrik.Thermocoupledipasangharusdiselubungioleh thermowell, yaitu suatu pelindung agar thermocouple tidak cepat rusak atau terbakar. Gambar 3. 24 Mekanisme pemasangan thermocouple menggunakan thermowell Gambar 3. 25 Prinsip kerja thermocouple Jenis dari thermocouple yaitu : Tabel 3. 1 Jenis dari thermocouple 3.1.1.4.4 RTD dan Thermistor RTD(ResistanceTemperatureDetectors)adalahsuatu alat yang terbuat dari logam (platinum atau copper) dimana nilai resistansinyaakannaikapabilaterjadikenaikantemperature. Thermistoradalahalatyangterbuatdarimetal-oksida,dimana 31nilairesitansinyadapatberubahnaikdanatauturunapabila terjadikenaikantemperature.Perbedaannyaadalah,RTD memiliki nilai perubahan antara temperature dan resistansi sangat lineartetapikurangsensitif,sedangkanthermistormemiliki kemampuansangatsensitivetetapinilaiperubahanantara temperature dan resistansi tidak linear. 3.1.1.5 Pengukuran Besaran Lainnya BesaranlainnyayangdapatdiukurmeliputidaripH,kekentalan (viscosity),kelembaban,danmassajenis.Alatuntukmengukur kelembabanadalahhygrometerdanpsychrometeryangmenggunakan prinsip dasar dari karta psychrometik. Alat untuk mengukur massa jenis adalahhydrometeryangdigunakanuntukmengukurmassajenisdari fluidadanhasilpengukuranditunjukkanpadasightglass.Alatuntuk mengukurkekentalanfluidaadalahviscometeryangmenghitung hambatanpadagerakansuatucairandangasberdasarkanpadavariasi alirandidalampipa.AlatuntukmengukurpHmenggunakansuatu elektroda yang akan bermuatan elektrik pada larutan yang asam maupun basa dengan besar tegangan yang berbeda. Gambar 3. 26 Alat pengukuran kelembaban hygrometer Gambar 3. 27 Alat pengukuran massa jenis hydrometer 323.1.2 Instrumentasi Pengkondisi dan Pengirim SinyalKonsepdasarpadapengukuranadalahhasilpengukurandapatdilihat dan dikirim menuju tempat lain sehingga dapat dilakukan pengontrolan. Hasil pengukuranyangdiperolehharusdapatdikirim,namunsinyalyangdapat dikirimmemilikisepsifikasimasing-masingtergantungpadamedia pengirimansinyal.Contohnyaadalahhasilpengukuranaliran,hasil pengukuranharusdapatdikirimmenujusuaturuangankontroldalambentuk sinyalstandar3-15psiatau4-20mA,sehinggadibutuhkansuatutransmitter atauconverter.Tidakhanyahasilpengukuran,hasilpengontrolanjugaharus dapatdikirimmenujusuatufinalelementsehinggaprosesdapatdikontrol denganbaik,sehinggadibutuhkanjugatransmitterdanconverter.Sinyal standar yang digukan dalam transmisi adalah : 3-15 psi (pneumatik) 4-20 mA (arus listrik) 1-5 V (tegagan listrik) Selainsinyaltersebut,sinyalyangditransmisikandapatberupasinyal digitalyangmenggunakansistemkomunikasiFieldbus,Profibus,Modbus, danHART.Sinyalyangdikirimkansebelumnyaharusdikondisikandahulu, agarnilaipengukurandarisensormenjadilineardenganmenambahkannilai kompensasi. 3.1.2.1 Converter Converteradalahsuatualatyangberfungsiuntukmengubah suatubesaransinyalpengukuranmenjadisinyalyangdapatdikirim. ContohnyaadalahI/Pconverter,P/Iconverter,ADC,danDAC. Converter dapat disebut juga transduser, karena mengubah suatu bentuk besarankebentukbesaranlainnya,namuntransduserpadaumumnya sudahtertempellangsungpadasensorataumenjadibagiandarisensor tersebut.I/Pconverteradalahsuatualatyangberfungsiuntukmengubah sinyallistrik4-20mAmenjadisinyalpneumatik3-15psi.Contoh penggunaanalatinipadacontrolvalvepneumatik,sinyalyangdikirim 33olehpengontrolberupasinyallistrik4-20mAsedangkancontrolvalve dapatbekerjaberdasarkansinyalpneumatiksehinggasinyalyang dikirimharusdiubahlebihdahulu.P/Iconverteradalahsuatualatyang berfungsiuntukmengubahsinyalpenumatik3-15psimenjadisinyal listik4-20mA.Contohpenggunaanalatinipadapressuretransmitter, karenasinyalyangdiukurolehsensorberupabesaransinyalpneumatik sehinggasinyalyangditerimaolehpressuretransmitterakandiubah menjadi sinyal listrik dan dikirimkan kepada pengontrol. ADCatauAnalogtoDigitalConversionadalahsuatualatyang berfungsiuntukmengubahsinyalyanganalogmenjadisinyaldigital yangdapatdikirimmelaluikomunikasidigital.DACatauDigitalto AnalogConversionadalahsuatualatyangberfungsimengubahsinyal digital dari pengontrol menjadi sinyal analog menuju elemen pengontrol, seperti control valve. Alat yang mengubah sinyal digital ke sinyal analog tidakhanyaDAC,namunadaalatyangmenggunakanmetodePWM (PulseWidthModulation)yangmenghasilkansinyalyanglebihakurat dan cocok dalam konversinya. 3.1.2.2 Transmitter Transmitteradalahsuatualatyangberfungsiuntukmemperkuat danmenyesuaikansinyalyangcocokuntukdikirimdengantingkat informasiyanghilangsangatkecil.Transmitterbiasanyadapat mengubah sinyal standar, karena di dalamnya terdaat converter sehingga dapat mengubah sinyal pneumatik, sinyal elektrik, dan sinyal digital. 3.1.2.2.1 Pressure Transmitter Pressuretransmitteradalahalatyangberfungsiuntuk memperkuatdanmengirimkansinyalhasilpengukurantekanan oleh sensor tekanan. Pressure transmitter yang umum digunakan adalahdifferentialpressuretransmitteryangmenggunakan prinsipperbedaantekananpadasuatuproses.Pressure transmitteryangberdasarkanpadasinyalpneumatic3-15psi menggunakanprinsipdarinozzedanbellowsdalammengubah 34besarantekananyangdiukurkedalamsinyalstandar3-15psi, danmembutuhkanpersediaanudarasebesar20psiuntuk memberikan nilai sinyal 3-15 psi. Gambar 3. 28 Mekanisme kerja differential-pressure transmitter pneumatik Pressuretransmitterelektronikyangseringdigunakan menggunakanprinsipdariperbedaantekananyang mempengaruhibesarnyakapasitansipadasuatusensor. Transmitterinimengubahbesarantekananmenjadisinyal elektrik 4-20 mA. Gambar 3. 29 Prinsip pengukuran differential-pressure transmitter elektrik Saatinipressuretransmittersudahdimodifikasidengan menggabungkansensortekanandidalamnya,sehinggamudah dalampemasangannya.Olehkarenaitu,seringdisebutbahwa pressuretransmitteradalahsuatualatpengukurtekananjuga, 35karenadidalamnyaterdiridarisensor,pengkondisisinyal,dan dapat langsung mengirimkan sinyal kepada pengontrol. 3.1.2.2.2 Level Transmitter Leveltransmitteradalahalatyangberfungsiuntuk mengkondisikan sinyal dan mengirimkan sinyal hasil pengukuran besaranketinggian.Seluruhalatpengukurantekananpadasuatu tangkidapatdigunakanmenjadileveltransmitter,sehingga besaran yang pada mulanya berupa tekanan hidrostatik dari fluida didalamtangkidiubahmenjadibesaranketinggian(dalam%, meter,ataufeet),dandapatdiubahmenjadisinyalstandar komunikasi 4-20 mA untuk dikirimkan ke pengontrol. Gambar 3. 30 Penggunaan level transmitter 3.1.2.2.3 Flow Transmitter Flowtransmitteradalahalatyangberfungsiuntuk mengkondisikandanmengirimkansinyalpengukuranaliran. Sepertihalnyapressuretransmitter,flowtransmittersudah dilengkapidengansensorpengukuranaliransehinggasemua semua pengukuran aliran merupakan flow transmitter. Contohnya adalahvortexflowtransmitter,magneticflowtransmitter, ultrasonicflowtransmitter,danheadpressureflowtransmitter. Flowtransmittermendapatkanhasilpengukuranberupa perbedaantekanandanataualiranlalumengubahnyamenjadi besaran sinyal komunikasi standar 4-20 mA. 3.1.2.2.4 Temperature Transmitter 36Temperature transmitter adalah alat yang berfungsi untuk mengkondisikandanmengirimkansinyalpengukuran temperature.Sepertihalnyapressuretransmitter,temperature transmittersudahdilengkapidengansensorpengukuran temperaturesehinggasemuasemuapengukurantemperature merupakantransmitter.Contohnyaadalahthermocoupleyang padaawalnyamengubahbesartemperaturemenjaditegangan listrik lalu diubah kembali menjadi besaran sinyal 4-20 mA, RTD danthermistoryangmenunjukkanbesarantemperature berdasarkanhambatanlistrik,apabiladiberikansuatusumber daya maka akanmenghasilkan arus yang menjadi besaran sinyal 4-20 mA. Gambar 3. 31 Mekanisme temperature transmitter 3.1.2.3 Transmisi digital Transmisisinyalyangdilakukantelahberkembangpesat,tidak hanya menggunakan sinyal komunikasi standar (3-15 psi, 4-20 mA, dan 1-5V)namunmenggunakansinyaldigitalyangmemilikikecepatan transmisisangattinggidanmembutuhkandayayanglebihrendah dibandingkandengankomunikasianaloglainnya(pneumatikdan elektronik).Transmisiberbasisdigitalmenggunakantopologibuspada jaringan LAN sehingga sistem lebih fleksibel dalam proses pengontrolan maupunmonitoring.Kabelyangdigunakanyaituseratoptiksehingga sinyalyangdikirimkantidakmengalamiperubahandandapat dikirimkan dengan sangat cepat. Kabel serat optik yang digunakan dapat mentransmisikansinyalyangsangatbanyaksecarasekaligussehingga 37penggunaankabeldihemat.Contohdarisistemtransmisidigitaladalah Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus, dan HART. 3.1.3 InstrumentasiKontrol 3.1.3.1 Pengontrol Pengontrol adalah suatu alat yang dapat mengontrol dari jalannya suatu proses dengan adanya masukan besaran pengukuran dan mengatur suatuactuatoragarprosesberjalandenganoptimum.Pengontrol merupakansuatuelemenpentingdalamsuatuprosesdandilakukan pengembanganterusmenerus.Pengontrolberfungsiuntukmelakukan perhitunganberdasarkanperbandingansinyalumpanbalik(besaran proses)dansinyalreferensi(setpoint)lalumemberikansuatusinyal padaelemenkontroluntukmelakukantindakanpengendalianproses yang berlangsung. Contoh dari pengontrol adalah pengontrol pneumatic, DCS(DistributedControlSystems),PLC(ProgrammableLogic Controllers),danSCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition). Metode kontrol pada pengontrol terdiri dari berbagai macam, seperti PID (ProportionalIntegralDerivative)yangmerupakanjeniskontrol konvensionalhinggakontrolterdepan,sepertiJST(JaringanSaraf Tiruan),FuzzyLogic,Self-Tuning,danberbagaimacamlainnyayang akan dibahas pada bagian kontrol. 3.1.3.1.1 Pengontrol pneumatik (Pneumatic Controllers) Pengontrolpneumatikmerupakanjenispengontrolyang palingawaldigunakan,yaitupadatahun1920.Posisinya diletakkandidekatdenganelemenkontrol(valve)dan menggunakanbellows,baffles,dannozzleuntukmenentukan besaran PID.3.1.3.1.2 PLC (Programmable Logic Controllers) PLCmerupakansuatusistempengontrolyangdapat mengatursuatuprosesmenggunakandiagramtanggayang sederhana.KelebihanPLCadalahwakturesponyangsangat cepat(dalamordenanodetik)dandiagramtanggaataudiagram 38logikayangdapatdibuatdengansangatmudah.Kelemahannya adalah banyaknyamasukandan keluaran (input output) sangat sedikityangdapatdikontrol,sehinggadigunakanpadasuatu sistemyangmemilikijumlahinput-outputyangsedikitdan membutuhkan respon yang sangat cepat, seperti pada sistem ESD (Emergency Shut Down). 3.1.3.1.3 DCS (Distributed Control Systems) DCS adalah suatu sistem pengontrol digital yang berbasis komputeryangdigunakanuntukmengatursuatusistemproses yangmemilikibanyakmasukandankeluarandanmenggunakan sistemkontrolyangrumitmaupunkonvensional.Sistem pengontrolDCSmengendalikanberbagaisistemprosessecara terdistribusi,sehinggaprosespengawasandapatdilakukandari ruanganyangjauhdarilapangansehinggakeamananakanlebih terjaga dan dapat mengawasi seluruh proses yang berlangsung di lapanganataupabrik.DCSdapatdikombinasikandengan penggunaan PLC dan berbagai macam sistem pengontrol lainnya. 3.1.3.1.4 SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) SCADAmerupakansuatusistempengontrolyangdapat mengawasiberbagaimacamsistemkontrolpadalapangandari jarakyangsangatjauhdanmengakuisidatadariprosesyang berlangsung dalam orde hari, bulan, dan tahun. 3.1.3.2 Elemen Kontrol (Final Control Element) Elemenkontrolmerupakansuatualatyangberfungsiuntuk mengatur suatu proses yang terjadi berdasarkan pada sinyal kontrol yang diberikanolehelemenpengontrol.Elemenkontrolpadaumumnya berupaaktuator,sepericontrolvalvedanmotor(kompressor,motor synchro, dan motor stepper). 3.1.3.2.1 Control Valve Control valve merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengendalikanaliranpadasuatuprosesdenganmembukaatau 39menutupkatupberdasarkanpadasinyalkoantrolyangdiberikan olehpengontrol.Controlvalvememilikidesainyangberbeda, yaitukatupyangbukaannyadiskrit(on-off)dankatupyang bukaannyaanalog(throttle).Controlvalveterdiridari2bagian utama, yaitu badan katup (valve body) danaktuator katup (valve actuator). Gambar 3. 32 Berbagai jenis valve body tipe sliding-stem Badan katup atau valve body merupakan komponen yang mempengaruhiterhadapaliranproses.Jenisvalvebodyyang digunakanadalahsliding-stemdanrotary-stem.Valvejenis sliding-stemmerupakankatupyanggerakanbukaannya merupakan pergerakan lurus. Contohnya adalah globe valve, gate valve,dandiaphragmvalve.Jenisvalveinipadaumumnya adalahdirectacting,berartibukaanvalveakansamadengan gerakanstemmenjauhibadanvalve,danvalveakantertutup apabilastembergerakmendekativalve.Sedangkanreverse actingberartikebalikandaridirectacting,dimanavalveakan 40membukaapabilastembergerakmendekativalve,sedangkan valve akan tertutup apabila stem bergerak menjauhi valve. Gambar 3. 33 Berbagai jenis valve body jenis rotary-stem Jenis dari valve body yang lain adalah rotary-stem dimana gerakanbukaannyaberdasarkangerakanputaranpadabatang untuk mengatur aliran. Kelebihan jenis rotary-stem dibandingkan dengansliding-stemadalahpadaslidingstemsaatvalve membukapenuhmakafluidatetapakanterhalangiolehvalve sehinggamenganggualiran,sedangkanpadarotarystemtidak terjadi.Contohdarivalvejenisrotarystemadalahballvalve, butterfly valve, dan disk valve. Aktuator katup atau valve actuator merupakan komponen yangbergungsiuntukmemberikandayayangdibutuhkanuntuk menggerakkanvalvebody.Perbedaanpadavalvedisktritdan valveanalogdilihatdarijenivalveactuatoryangdigunakan. Aktuator yangdigunakan untuk valve diskrit hanyamemberikan 2posisiyaituterbukapenuhdantertutuppenuh,sedangkan aktuatoruntukvalveanalogharusmemberikanberbagaiposisi yangsangatakurat,sepertibukaan0%,10%,50%,80%,100%, danlain-lain.Aktuatoryangdigunakanuntukvalvetipesliding-41stem dan rotary-stem adalah pneumatik, hidrolik, motor elektrik, dan manual (tangan/hand). Aktuatorpneumatikmenggunakantekananudarauntuk menggerakkanpistonataudiafragmayanglunakdalam menjalankanmekanismekatup.Tekananudarayangdibutuhkan berdasarkandaripengontrolpneumatik,atauberasaldari converterI/Pyangmengubahsinyalelektrikmenjadisinyal pneumatic(4-20mAmenjadi3-15psi).Sumbertekananudara yang dibutuhkan sebesar 20 psi. Gambar 3. 34 Mekanisme kerja aktuator pneumatik Aktuatorhidrolikbekerjamenggunakantekanancairan untukmenggerakkanmekanismevalve.Aktuatorhidrolik menggunakanpistonuntukmengubahtekananmenjadigaya mekanikdalammenggerakkanvalve,danlebihbanyak digunakan pada valve diskrit (valve on-off). Aktuatorelektrikmerupakanaktuatoryangdapat digunakanuntukvalvediskrit(valveon-off)maupunvalve analog(valvethrottling).Jenisaktuatorelektrikyangdigunakan untukvalvediskritadalahsolenoiddanrelay,sedangkanuntuk valve analog adalah motor. Aktuatormanualmenggunakantenagatanganmanusia untukmenggerakkanvalve,yaitudengancaramemutarsuatu roda. 42 Gambar 3. 35 Aktuator manual Aksipadacontrolvalveada2jenisyaituATO(Airto Open)danATC(AirtoClose).ATOatauAirtoOpen merupakanjenisaksipadacontrolvalveyangakanmembuka apabiladiberikanudara,samadengankondisireverseacting. ATOpadakondisiawalnyayaitutertutup(normallyclose/NC) sehinggabiasanyadisebutFTC(FailtoClose)dimanaapabila terjadikegagalanatausistemmati,makakondisivalveakan menuju kondisi normalnya dengan menutup aliran. ATC atau Air toClosemerupakanjenisaksipadacontrolvalveyangakan menutupapabiladiberikanudara,samadengankondisidirect acting.ATCpadakondisiawalnyayaituterbuka(normally open/NO) sehingga biasanya disebut FTO (Fail to Open) dimana apabilaterjadikegagalanatausistemmati,makakondisivalve akanmenujukondisinormalnyadenganmembukaaliran. Penggunaanjenisaksipadacontrolvalvetergantungkepada proses yang berlangsung. SizingControlValvemerupakancarayangdibutuhkan untukmenentukanjeniscontrolvalveyangakandigunakan, terutamapadavalvebody.Caranyamerupakankombinasidari teori dan eksperimen yang sudah dilakukan. Karakteristikpadacontrolvalveberdasarkanpadaposisi stemterhadaplajualiran.Terdapat3jenisyaituquick-opening, linear,danequal-percentage.Berdasarkanpadasizing,maka 43dapat ditentukan karakteristik control valve yang digunakan pada proses. Gambar 3. 36 Karakteristik dari control valve Gambar 3. 37 Penampang valve berdasarkan karakteristiknya Positionermerupakanelemenpentingpadacontrolvalve terutama pada valve analog/throttling. Positioner pada umumnya menggunakanpegasuntukmengubahgayamekanikmenjadi gerakanan,danmembutuhkanI/Pconverterkarena membutuhkan sumber berupa sinyal pneumatik. 44 Gambar 3. 38 Mekanisme kerja positoner 3.1.3.2.2 Motor Salahsatucarauntukmengatursuatuprosesadalah menggunkanmotor,karenacontrolvalvedigunakanuntuk mengatursuatuprosesberdasarkanpadamotoryangdigunakan putarannyatetap.Motordigunakanuntukmengadukproses (agitator/servomotor),compressor,danuntukmenggerakkan posisi suatu benda (stepper motor). 453.2 Konsep Dasar Sistem Kontrol Proses 3.2.1Konsep Dasar Sistem Kontrol Sistemkontroladalahsuatusistemyangdapatmengendalikansuatu prosesberdasarkanpadamasukandankeluaranyangdibutuhkan.Pada dasarnyasistemkontrolterdiridari3besaran,yaitumasukan,proses,dan keluaran. Gambar 3. 39 Blok diagram sistem kontrol sederhana Dalamsistemkontrolterdapatbeberapabesaranyangmenentukan proses pengendalian, yaitu : ControlledVariableatauProcessVariable(PV)adalahbesaran yang dikontrol. ManipulatedVariable(MV)adalahbesaranyangharus dimanipulasi untuk mengendalikan proses. SetPointValue(SP)adalahbesaranyangmenjadireferensipada sistem kontrol. Komponen yang dibutuhkan pada sistem kontrol yaitu : Proses adalah sistem yang akan dikontrol. Pengontroladalahsuatuperangkatyangberfungsimemberikan sinyal untuk mengontrol. Sensor,transduser,dantransmitteradalahperangkatuntuk mendeteksi besaran yang dikontrol. AktuatoratauFinalControlElementadalahkomponenyang melakukan aksi untuk memberikan besaran yang dimanipulasi. 3.2.1.1 Konsep Dasar Lup Terbuka dan Tertutup Sistemkontrolterdiridarisistemkontrollupterbukadan tertutup.Sistemkontrollupterbukamerupakansuatusistemkontrol yangdikerjakansecaramanual,sedangkansistemkontrolluptertutup merupakan sistem kontrol yang dapat bekerja secara otomatis. 46Gambar 3. 40 Blok diagram kontrol lup terbuka Gambar 3. 41 Blok diagram kontrol lup tertutup 3.2.1.2 Konsep Umpan Balik Konsepumpanbalik(feedback)merupakansistemdengan kontrolluptertutupuntukmembandingkanantarabesaranPVdengan besaranSPdalamprosespengendaliansuatusistem.Konsepumpan balikterdiridari2jenis,yaituumpanbalikpositifdanumpanbalik negatif.Penggunaanjenisumpanbaliktersebuttergantungpadasistem yang akan dikendalikan, namun pada umumnya lebih banyak digunakan kontrol umpan balik negatif. Gambar 3. 42 Blok diagram kontrol lup umpan balik positif Gambar 3. 43 Blok diagram kontrol lup umpan balik negatif 473.2.1.3 PID (Proportional Integral Derivative) PIDmerupakansuatumetodekontrolyangkonvensionalatau palingbanyakdigunakanpadasuatusistemkontroldalammenentukan besaryaPV(ManipulatedVariable).PIDmenggunakan3jenismetode perhitunganyaituProportional,Integral,danDerivative.Pengontrol Proportionalditentukanberdasarkanpadagainataupenguatansistem kontrol.Fungsidarikontrolpropotionaladalahresponsistemakan makincepatmenujukondisistabil,namunselalutimbuloffsetatau perbedaannilaiMVdenganSP.PengontrolIntegralberdasarkanpada operasiintegraldandapatmenghilangkanoffset,namunmenyebabkan responsistemakanlambat.PengontrolDerviativeberdasarkanpada operasi penurunan (derivative), berfungsi untuk meningkatkan kestabilan danmemperbesarredaman,namunmenimbulkansistemterlalusensitif padagangguan(noise).Kombinasidariketigajenispengontrolan tersebut yaitu kontrol P , kontrol P-I, kontrol P-D, dan kontrol PID. Kontrol P (Proportional): HI = Kp. c + mR Kontrol Integral : HI =KpI]c Jt + mR Kontrol Derivative : HI = Kp. dcdt+ mR Kontrol P-I : HI = Kp. (c +1I]c Jt)+ mR Kontrol P-D : HI = Kp. [c + dcdt +mR Kontrol PID : HI = Kp. (c +1I]c Jt + dcdt)+mR Dimana : c = SP -PI mR = monuol rcsct = bios Kp = 1uu %Proportionol BonJ KontrolPIDdigunakanagarprosesdapatmencapaikondisi kontrol yang optimum, yaitu memenuhi kriteria redaman seperempat. 48 Gambar 3. 44 Kurva kontrol optimum redaman seperempat Gambar 3. 45 Respon proses pengontrolan CarayangdigunakanuntukmendapatkanbesaranPIDadalah denganberbagaicara,sepertiCohen-Coon,Ziegler-Nichols,dan berdasarkan intuisi manusia. 3.2.2P&ID(Piping/ProcessandInstrumentDiagram)danPFD (Process Flow Diagram) P&IDatauPiping/ProcessandInstrumentDiagramadalah suatugambaryangmenunjukkansuatuunitprosesyangterdiridari berbagai macam instrumentasi dan komponen yang berada di unit proses tersebut. Isi dari P&ID terdiri dari ukuran pipa dan tube yang digunakan, kondisiprosessaatmaksimum-minimum-dankeadaannormal,serta jenis dari instrument dan komponen pengirim sinyal yang digunakan. 49PFDatauProcessFlowDiagramsadalahgambaryang menunjukkansuatuunitprosesdanpenjelasandarikeadaanprosesnya tersebut.PFDbiasanyadibuatmenggunakanHMI(HumanMachine Interface) yang menunjukkan kondisi proses yang sedang berjalan secara aktual.PerbedaanPFDdanP&IDyaitupadaP&IDdatainstrument diberikansecaralengkappadakondisimaksimum,minimum,dan kondisi normal. 3.2.3AdvancedRegulatoryControlProcess(SistemKontrolProses Lanjutan) 3.2.3.1 Cascade Control Cascadecontroladalahsuatukonsepsistemkontrol untukmeredamgangguanpadasistemkontrolkonsepumpan balikyangsulitmencapaikondisikestabilanakibatgangguan pada proses, bukan berasal dari kesalahan PID. Prinsip dasar dari konsepkontrolkaskadeadalahmenghilangkangangguanpada prosessekunderyangmempengaruhiprosesprimeryangakan diaturdanmencapaikondisistabil.Kontrolkaskadedigunakan apabilaterdapatgangguanpadakeluaranprosessekunderyang mempengaruhiprosesprimerdanpenguatanpadaproses sekunderbesarnyanonlinear.Proseskerjadarikonsepkaskade adalah keluaran pada kontrol primer akan menjadi set point bagi pengontrolsekunderdanakanmempengaruhipadaaksikontrol sekunder. Gambar 3. 46 Blok diagram kontrol kaskade 3.2yanKoyantercG2.3.2 RatioCKontrng mempunyontrolratiobngdiaturpecapai. Gambar 3. 47 P&Control rolratioadayai 2 atau lebiasanyadigerbandingannGamba50&ID kontrol kaalahbentuk ebih besaran gunakanuntunya,sehinggar 3. 48 Kontrolskade pada hearangkapdaryang akan dukmengaturgatujuanakl ratio pada boilat exchanger rikontrolumdiatur pada prmasukanpkhirdariprler mpanbalik pengontrol. padaproses rosesdapat 3.2(bedendig3.2konsistteruakacepumterb2.3.3 OverridKontroesaranyang ngan memiligunakan untu2.3.4 FeedfoFeedfornsepsistem temkontrol us-menerus.anmengalampat.Sistem mpanbalikdbaik dalam mde Control loverride banyak)dimih salah satuuk mengoptiGamrward Contrrward Contrkontrolyanumpanbali Dengan komigangguakontrolyadanumpanmmenghadapi 51adalahsuatmanamanipuu dari 2 besarimalkan kerjmbar 3. 49 Control rol atau konngdigunakaik,dimanagnsep umpanandanmenangmenggumajuakanmgangguan.tusistemkulatedvariaran yang bera dari sistemtoh dari kontrontrol umpan anuntukmegangguanyan maju ini, dncapaikondunakankommenjadisuatkontrolmulable(MV)drbeda. Kontrm kontrol. ol Override maju meruperedamgangangterjadibdiharapkan pdisikestabilmbinasiantatusistemkoltivariables dapatdiatur rol override pakan suatu gguanpada erlangsung proses tidak andengan arakonsep ontrolyang 52 Gambar 3. 50 Blok diagram kontrol umpan maju (feedforward) Gambar 3. 51 Contoh kontrol feedforward pada boiler