Teknik Pengukuran dan Alat Ukur 4

Fungsi Alat Ukur FUNGSI Monitoring Proses & Operasi Controlling Proses & Operasi FUNGSI Analisa Teknik Eksperimen

Hanya berfungsi sebagai ALAT MONITOR tanpa proses pengendalian Monitoring proses & operasi Hanya berfungsi sebagai ALAT MONITOR tanpa proses pengendalian Contoh: Termometer Barometer Anemometer Spedometer

Pengendali proses & operasi Berfungsi sebagai sistim PENGENDALI OTOMATIS (membutuhkan adanya error hasil pengukuran) Contoh: ► Elemen BIMETAL pada termostat untuk mengendalikan temperatur (AC, radiator mobil, dll.) ► Fuse (sekring) untuk membatasi ARUS yang lewat pada suatu sistim kelistrikan.

Nilai variabel terkendali yang diharapkan Gangguan Variabel terkendali Energi MASUKAN KELUARAN PROSES Error ELEMEN PENGENDALI AKHIR ELEMEN PENGUKURAN PENGENDALI Nilai variabel terkendali yang diharapkan

Batas kecepatan 40 km/jam Gangguan Batas kecepatan 40 km/jam Kecepatan 40 km/jam 80 km/jam MASUKAN KELUARAN PROSES Error 40 km/jam Proses mengemudi ELEMEN PENGENDALI AKHIR ELEMEN PENGUKURAN Katup trotel Jarum speedometer Pompa bahan bakar PENGENDALI Nilai variabel kecepatan 40 km/jam yang diharapkan

Klasifikasi Elemen-2 Sistim Pengukuran Klasifikasi Berdasar Outputnya ► OUTPUT KUANTITATIF Dinyatakan dengan angka numerik (termometer, necara, dll) ► OUTPUT KUALITATIF Dinyatakan dengan SIFAT hasil eksperimen (colorimeter, mesin cuci, dll)

4 tingkatan sistem pengukuran Sensor-transducer Signal-conditioning Output Feedback control Ke 4 tingkat ini yang menjembatani sistem pengukuran dari input ke output

Komponen Sistem Pengukuran

Sensor-transducer stage ELEMEN PERASA UTAMA (Primary Sensing Element) Elemen yang mengubah ENERGI (besaran) yang diukur menjadi ENERGI (besaran) lain yang mudah diukur. Komponen: Sensor Tranduser

Contoh pengukuran profil permukaan-nanometer scale Atomic force microscope with sensor and transducer stages Atomic force microscope with sensor stage

Sensor Hal penting yang perlu diperhatikan untuk sensor Pemilihan Penempatan Instalasi Ketiga hal ini untuk meyakinkan sensor output dapat merefleksikan hasilnya secara akurat

ELEMEN PENGUBAH VARIABEL Transducer ELEMEN PENGUBAH VARIABEL Mengubah variabel fisik keluaran elemen perasa utama menjadi variabel lain yang sesuai tetapi tetap mengandung informasi sinyal asalnya. Misal: GAYA GERAK TEKANAN Komponen: Transmitting Tranduser

Output stage Mengkonversikan informasi yang dirasa dari satu bentuk yang dapat dengan mudah diukur

Output stage ELEMEN PENYAJI DATA Petunjuk pambacaan hasil pengukuran sensor stage (pergeseran jarum skala, tampilan angka numerik pada instrumen digital)

Contoh bulb thermometer dengan sensor-transducer-output stages

Signal-conditioning stage ELEMEN MANIPULASI VARIABEL Mengubah besaran dari elemen sekunder (elemen pengubah variabel) untuk mempermudah pengamatan/pembacaan skala. Fungsi umum: Mengurangi kesalahan pembacaan (filtering technique) Linearisasi Memperbesar skala

Contoh signal-conditioning stage Mengurangi kesalahan Translation displacement dari caliper (sensor)  rotational displacement Memperbesar skala Diameter capillary of thermometer relative to the bulb volume kenaikan cairan pada termometer

Feedback control stage Berisi suatu kontroler yang menginterprestasikan signal yang diukur dan membuat suatu keputusan mengenai kontrol dari suatu proses Contoh: termostat pada pemanas, setrika,

Contoh Feedback control

Contoh Feedback control

Feedback control Expert system: Mechatronic – mechanical electrical components Microprocessor Controller Measurement

TINGKATAN SISTIM PENGUKURAN Secara umum sistim pengukuran mempunyai kerangka kerja yang terdiri dari tiga tingkatan/fase: Tingkat I : Tingkat sensor-tranduser atau tingkat pengindera.(sensor dalam hal ini sebagai alat “peraba”. Tingkat II : Tingkat menengah, yg disebut juga tingkat penyiapan sinyal. Tingkat III: Tingkat akhir atau tingkat pembacaan.

Mendeteksi atau mengindera benda yang diukur. Tingkat I. Sensor - Tranduser Fungsi: Mendeteksi atau mengindera benda yang diukur. Harus sensitif HANYA terhadap besaran masukan. Contoh: Elmn Mekanis: Jarum kontak, massa-pegas, tabung bourdon u/ tekanan. Elmn Hidraulik-pneumatik: Pelampung, orifis, venturi, dsb Elmn Listrik: kontaktor, tahanan, kapasitor, kristal piezoelektrik, termokopel, dsb. Elmn Optis: Sel fotoelektrik

Tingkat II. Penyiapan sinyal Fungsi: Memodifikasi keluaran dari sensor-tranduser sehingga dapat diterima oleh tingkatan akhir. Contoh: Elmn Mekanis: Roda gigi, engkol, rantai penghubung, kam, dsb. Elmn Hidraulik- pneumatik: Perpipaan, katup, dsb. Elmn Optis: Cermin, lensa, fiber optik, dsb. Elmn listrik: sistim amplifier, filter, IC (Integrated Circuit)

Tingkat III. Pembacaan akhir Fungsi: Memberikan informasi yg mampu merangsang indera manusia atau sistim pengendali, agar dengan cepat dan mudah diketahui operator. Contoh: Pergeseran relatif jarum skala Digital display monitor

Langkah Perancanaan disain eksperimen Merencanakan desain parameter Merencanakan sistem dan toleransi desain Merencanakan desain data reduction

Disain Parameter Menentukan tujuan pengujian dan mengidentifikasi variabel proses dan parameter dan sarana Pertanyaan apa yang ingin dijawab? Apa yang akan diukur? Variabel dan parameter apa yang mempengaruhi hasil?

Disain sistem dan toleransi Pemilihan teknik pengukuran, peralatan dan prosedur pengujian yang didasarkan pada pertimbangan batas toleransi error Bagaimana cara pengukuran dilakukan? Seberapa bagus hasil yang dibutuhkan untuk menjawab pertanyaan yang ada?

Disain pengurangan data Merencanakan bagaimana untuk menganalisa, menyajikan dan mengguna data untuk antisipasi

Disain pengurangan data Bagaimana menginterpretasikan hasil data? Bagaimana menjawab pertanyaan dengan menggunakan data yang ada? Seberapa bagus jawabannya? Apakah jawaban tersebut masuk akal?

Variabel Merupakan sesuatu yang mempengaruhi pengujian (test) Semua proses variabel yang diketahui harus dievaluasi untuk menentukan hubungan sebab-akibat

Variabel Independent variable: suatu variabel yang dapat diubah tanpa pengaruh dari variabel lain Dependent variable: suatu variabel yang dipengaruhi oleh perubahan satu atau lebih variabel

Variabel Variabel kontinu: stress dengan perubahan load Variabel diskrete: seseorang bermain dadu

Variabel Extraneous variable: variabel yang tidak dapat dikontrol selama pengukuran tetapi dapat mempengaruhi hasil pengukuran Hasil pengukuran dapat mengaburkan analisa Pengaruh variabel ini dapat dikatakan sebagai bentuk noise atau penyimpangan (drift)

Parameter Didefinisikan sebagai hubungan fungsional antar variabel Parameter yang memiliki pengaruh dari perilaku yang diukur dikatakan sebagai parameter kontrol Contoh: Nilai dari Reynolds number ditentukan dari nilai sekelompok variabel f(x,y)

Reynold number

Noise and interference Noise adalah nilai variasi random yang terukur akibat variasi dari extraneous variabel Akibat dari kontrol variabel yang belum sempurna, contoh: kondisi lingkungan, thermal noise karena gerakan elektron dalam wiring

Noise and interference Noise akan meningkatkan data scatter

Noise and interference Interference: gangguan yang menyebabkan hasil pengukuran memiliki kecenderungan yang tidak diharapkan Hasilnya dapat berbeda dari perilaku kondisi yang sebenarnya Jika terjadi secara periodik, bisa tidak diketahui kecenderungan kesalahannya

Noise and interference Akibat dari extraneous variabel Contoh: local ac power line noise 50 atau 60 Hz

Noise and interference

Randomization Pengaruh dari pengukuran yang dilakukan dengan secara acak untuk mengubah nilai independent variabel yang diaplikasikan Dapat mengurangi kecenderungan interferensi

Replication and repetition Repetition: pengulangan pengukuran yang dilakukan selama pengukuran pada pengujian tunggal atau pada sekelompok produk Contoh: perusahaan bearing pengulangan tidak memperhatikan kondisi operasi

Replication and repetition Replication: penduplikasian independen serangkaian pengukuran pada kondisi operasi yang sama Contoh: perusahaan bearing cek seberapa beda diameter bearing pada suatu mesin atau seorang operator pada hari yang yang berbeda

Contoh repetition and replication Sebuah termostat furnace. 1. set pada beberapa kondisi, lakukan pengulangan pengukuran dari temperatur furnace tersebut. Kesimpulan yang didapat rata-rata nilai dan variasi dari temperatur ruang furnace sesuai setting termostat. Penilaian yang didapatkan adalah seberapa bagus termostat dapat menjaga kondisi ruangan.

Contoh repetition and replication 2. mengubah-ubah setting temperatur termostat tapi terkadang balik ke kondisi setting awal dan dilakukan pengukuran. Hasilnya ada 2 kelompok hasil pengukuran yang merupakan replikasi satu sama lain. Kesimpulan yang didapat temperatur rata-rata dari test pertama dan kedua akan berbeda. Perbedaan ini dapat digunakan untuk menyarankan setting dan pengontrolan temperatur ruang.

Calibration Tujuannya untuk mengurangi error Kalibrasi dilakukan dengan membandingkan instrumen terhadap Nilai input yang telah diketahui Standar sekunder (memiliki akurasi lebih tinggi) Standar primer (Badan Standar Nasional/International) Contoh: flow meter

Static calibration Paling banyak digunakan Prosedurnya adalah nilai yang diketahui sebagai input kalibrasi sistem dan sistem output dicatat. Istilah static karena tidak bervariasi terhadap waktu ataupun ruang.

Static calibration Yang dipentingkan hanya besarnya nilai input yang diketahui dan output pengukuran Nilai input biasanya variabel independen yang terkontrol, sedang nilai output adalah dependen variabel dari kalibrasi

Contoh Static calibration curve

Dynamic calibration Dynamic calibration yaitu menentukan hubungan antara input dari perilaku dinamik dan keluaran sistem pengukuran. Variabel yang diukur tergantung pada waktu atau ruang. Contoh: signal sinusoidal

Static sensitivity Static sensitivity adalah hubungan suatu pengukuran output terhadap perubahan yang diberikan pada input statik

Range Range merupakan batasan nilai minimum dan maksimum dari sistem pengukuran yang digunakan. Input operating range Full scale operating range

Accuracy and error Error yaitu perbedaan nilai yang terukur dan nilai sebenarnya Relatif error yang didasarkan pada nilai reference diperkirakan sebesar

Contoh Calibration curve form of a deviation plot

Random and systematic errors and uncertainty Random error menyebabkan variasi random dari nilai pengukuran yang terjadi pada pengulangan pengukuran Systematic error menyebabkan suatu perbedaan antara nilai rata-rata sejumlah data dengan nilai sebenarnya. Random dan systematic error mempengaruhi sistem akurasi.

Pengaruh random dan sistematik error pada pembacaan kalibrasi

Penyebab utama scatter data Sistem pengukuran dan metode pengukuran Variabel yang tidak terkontrol

Uncertainity Uncertainity yaitu suatu perkiraan numerik dari batasan error pengukuran Dituliskan dalam bentuk 

Hysteresis Hysteresis error mengacu pada perbedaan antara upscale sequential test dan downscale sequential test. Sequential test mengaplikasikan urutan variasi pada nilai input yang melebih input range yang diharapkan.

Hysteresis Maximum hysteresis error dinyatakan sebagai persentase dari full scale output range ro

Data teknis yang menunjukkan kemampuan alat ukur. SPESIFIKASI ALAT UKUR Data teknis yang menunjukkan kemampuan alat ukur. Daerah pengukuran (range) Daerah yang menunjukkan nilai minimal dan maksimal yang dapat diukur oleh instrumen tanpa merusak instrumen tersebut. Daerah dimana penunjukan instrumen masih cukup akurat (mis. range pengukuran termometer air raksa: 0 → 100C).

Rentang pengukuran (span) Selisih antara nilai tertinggi (batas atas) dan nilai terendah (batas bawah) yang dapat ditunjukkan oleh instrumen. Mis: Voltmeter dengan range 10-100 V mempunyai span sebagai berikut: (100-10) V = 90 V.

Ketelitian (accuracy) Perbedaan maksimum antara penunjukkan instrumen dengan nilai sebenarnya. Akurasi sering juga disebut dengan ERROR MAKSIMUM. Akurasi berdasar Pembacaan (2-1) Dimana: Vr = hasil pengukuran Va = nilai sebenarnya besaran yg diukur

Akurasi berdasar Skala penuh (2-2) Dimana: Vr = hasil pengukuran Va = nilai sebenarnya besaran yg diukur Vfs = skala maksimum instrumen (batas atas) Mis: Pengukuran tekanan dng skala maksimum 100 psi dan akurasi 1% skala penuh. ERROR yang terjadi:

Ketepatan (precision) Kemampuan instrumen dalam menghasilkan atau menunjukkan ulang suatu pembacaan. Untuk akurasi tertentu Ketepatan (2-3) Dimana: Vrm = penunjukan maksimum / minimum = harga rata-rata pengukuran Va = nilai sebenarnya

Contoh Suatu instrumen digunakan untuk mengukur tegangan listrik yang nilai sebenarnya 100 V. Hasil pengukuran yang dilakukan sebanyak lima kali, didapatkan hasil sebagai berikut: 104; 103; 105; 103 dan 105 volt. Akurasi berdasar skala pembacaan: 5 Volt Ketepatan = = Ketepatan alat ukur =  1 % atau  1 Volt.

Keterdekatan (closeness) dari skala yang dapat terbaca oleh instrumen. Kemampuan Baca Keterdekatan (closeness) dari skala yang dapat terbaca oleh instrumen. Mis. Untuk daerah pengukuran yg sama, panjang skala 12 cm memiliki kemampu bacaan lebih tinggi dr panjang skala 6 cm.