desain instrumentasi industri: pengukuran tekanan
TRANSCRIPT
DESAIN INSTRUMENTASI INDUSTRI: PENGUKURAN TEKANAN
FITRI RAHMAH
LP UNAS
Desain Instrumentasi Industri : Pengukuran Tekanan
Oleh : Fitri Rahmah
Hak Cipta© 2020 pada Penulis
Editor Naskah : Gilang Almaghribi
Penyunting : Kiki Rezki Lestari dan Fitria Hidayanti
Desain Cover : Erna Kusuma Wati
ISBN: 978-623-7376-69-9
Hak Cipta dilindungi Undang-undang.
Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau
seluruh isi buku ini dalam bentuk apapun, baik secara
elektronis maupun mekanis, termasuk memfotocopy, merekam
atau dengan sistem penyimpanan lainnya, tanpa izin dari
Penulis.
Penerbit : LP_UNAS
Jl.Sawo Manila, Pejaten Pasar Minggu, Jakarta Selatan
Telp. 021-78067000 (Hunting) ext.172
Faks. 021-7802718
Email : [email protected]
KATA PENGANTAR
Dalam pembuatan buku Desain Instrumentasi
Industri: Pengukuran Tekanan ini, penulis mengucapkan
terima kasih kepada beberapa pihak yang telah banyak
membantu. Penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Dr. El Amry Bermawi Putra, MA selaku Rektor
Universitas Nasional
2. Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada
Masyarakat Universitas Nasional
3. LP Unas
4. Jajaran dosen dan karyawan di lingkungan
Universitas Nasional
Demikianlah semoga buku ajar Desain Instrumentasi
Industri: Pengukuran Tekanan ini dapat bermanfaat bagi
mahasiswa termasuk mahasiswa Program Studi Teknik
Fisika Universitas Nasional. Tentunya dalam pembuatan
buku ajar ini, tidak luput dari kesalahan. Untuk itu, kami
mohon masukan dari para pembaca untuk perbaikan buku
ajar ini.
Jakarta, November 2020
Penulis Fitri Rahmah
1
DAFTAR ISI
BAB 1 - Penerapan Prinsip Pengukuran Tekanan ................... 8
1.1. Tujuan dan Pentingnya Pengukuran Tekanan ........... 8
1.2. Contoh Tipikal Pengukuran Tekanan ....................... 10
1.3. Sifat Materi dalam Kaitannya dengan Pengukuran
Tekanan .................................................................... 13
1.4. Persamaan Tekanan ................................................. 14
1.5. Satuan Tekanan ........................................................ 15
1.6. Satuan Pengukuran Tekanan ................................... 16
1.7. Konversi ................................................................... 20
BAB 2 - Terminologi .............................................................. 24
2.1. Tekanan Gauge, Absolut, Diferensial, dan Vakum ... 24
2.2. Contoh Tipikal .......................................................... 28
2.3. Faktor Pengaruh pada Pengukuran Tekanan ........... 29
Kedalaman ............................................................... 30
Berat jenis (specific gravity) ..................................... 30
Suhu ......................................................................... 30
Tekanan Permukaan ................................................ 31
Homogenitas Cairan ................................................. 31
2.4. Menggambar Simbol ................................................ 31
2
2.5. Kategori Umum Alat Pengukur Tekanan .................. 32
Pengukur Gravitasi (Gravitational Gauge) ............... 33
Sensor dan Switch Deformasi (Elastis) ..................... 35
Transduser dan Pemancar ....................................... 40
2.6. Jenis Sensor Transduser dan Transmitter ................ 43
2.7. Pressure Transmitter (Pneumatik versus Elektronik
versus Mikroprosesor) ............................................. 47
BAB 3 - Kriteria Seleksi dan Persyaratan Instalasi untuk
Perangkat Pengukuran Tekanan ........................................... 49
3.1. Dasar-dasar Aplikasi ................................................. 51
3.2. Spesifikasi (Sifat Pengukuran) .................................. 59
3.3. Pertimbangan Keamanan ........................................ 64
3.4. Metalurgi .................................................................. 67
3.5. Pertimbangan Instalasi ............................................ 73
3.6. Perawatan dan Kalibrasi .......................................... 75
Pendekatan Perawatan Umum ................................ 75
Pendekatan Kalibrasi Tipikal .................................... 76
3.7. Kompatibilitas dengan Instrumentasi Proses yang
Ada ........................................................................... 79
Jenis Sinyal Keluaran ................................................ 79
Pertimbangan Catu Daya dan Kabel ........................ 80
Tujuan Penggunaan Sinyal Output ........................... 80
3
3.8. Pertimbangan Ekonomi ........................................... 81
Kategori Biaya Instrumen ......................................... 81
Biaya Kepemilikan .................................................... 82
Pertimbangan Biaya Umum ..................................... 83
3.9. Arahan Teknis .......................................................... 84
Perbaikan dalam Manufaktur Sensor ...................... 84
Tren ke Perangkat yang Lebih Kecil ......................... 85
Teknologi Fieldbus ................................................... 86
BAB 4 - Pengukur Gravitasi dan Sensor Jenis Deformasi dan
Switch .................................................................................... 87
4.1. Pengukur Gravitasi ................................................... 87
Manometer U-tube .................................................. 88
Jenis Manometer Lainnya ........................................ 95
4.2. Tinjauan Koreksi ....................................................... 97
4.3. Sensor dan Switch Tipe Deformasi .......................... 99
Bourdon Tube ........................................................ 100
Bellows ................................................................... 105
Diafragma ............................................................... 109
4.4. Jenis Sensor Deformasi Lainnya ............................. 111
BAB 5 - Menentukan Transducer Tekanan yang Sesuai,
Gauges, dan Switch untuk Aplikasi Industri ........................ 115
5.1. Transduser Strain Gauge ........................................ 119
4
Prinsip dan Desain Strain Gauge ............................ 120
Kinerja Transduser ................................................. 129
Pemasangan Transduser ........................................ 130
Aplikasi Transduser ................................................ 136
5.2. Transduser Elemen Potensiometri ........................ 138
Transduser Resistansi Variabel: Prinsip dan
Desain .................................................................... 139
Kinerja Transduser Resistansi Variabel .................. 140
Pemasangan dan Aplikasi Transduser Resistansi
Variabel .................................................................. 141
5.3. Transduser Jenis Kapasitansi: Prinsip dan Desain .. 141
Kinerja Transduser Jenis Kapasitansi ..................... 143
Instalasi dan Aplikasi Transduser Jenis Kapasitansi 144
5.4. Transduser Jenis Induktansi: Prinsip dan Desain ... 144
Kinerja Transduser Jenis Induktansi ....................... 146
Instalasi dan Aplikasi Transduser Jenis Induktansi 147
5.5. Elemen Osilatif ....................................................... 147
Transduser Elemen Osilatif: Prinsip dan Desain .... 148
Kinerja Transduser Elemen Osilatif ........................ 149
Instalasi dan Aplikasi Transduser Elemen Osilatif .. 150
5.6. Transduser Tekanan Piezoelektrik ......................... 151
5
Transduser Tekanan Piezoelektrik: Prinsip dan
Desain .................................................................... 151
Kinerja Transduser Tekanan Piezoelektrik ............. 152
Instalasi dan Aplikasi Transduser Tekanan
Piezoelektrik ........................................................... 154
BAB 6 - Menentukan Apakah Transmitter Tekanan
Memenuhi Kriteria Kinerja an Persyaratan Instalasi .......... 155
6.1. Prinsip Pressure Transmitter.................................. 156
6.2. Elemen Fungsional ................................................. 156
6.3. Jenis Pneumatik ..................................................... 157
6.4. Jenis Analog ........................................................... 159
6.5. Jenis Berbasis Mikroprosesor ................................ 160
6.6. Desain Pressure Transmitter .................................. 164
Teknologi Sensor .................................................... 165
Elektronik ............................................................... 167
Desain Body Meter ................................................ 169
Housing .................................................................. 172
Feedthrough Assembly .......................................... 173
Proses Koneksi ....................................................... 174
Aksesoris ................................................................ 175
6.7. Performa ................................................................ 176
Peningkatan Akurasi Field Loop ............................. 177
6
Perbandingan Pemancar Berbasis Pneumatik,
Konvensional, dan Mikroprosesor ......................... 177
Evaluasi Contoh Aplikasi ........................................ 178
Perbandingan Tingkat Kinerja Pemancar Berbasis
Mikroprosesor ........................................................ 179
Instalasi .................................................................. 181
Jenis Layanan ......................................................... 182
Instalasi .................................................................. 182
6.8. Prosedur dan Opsi Pemasangan ............................ 187
6.9. Aplikasi ................................................................... 188
Aplikasi Pengukuran Tekanan ................................ 189
Aplikasi Switch Tekanan ......................................... 193
Indikasi Lokal .......................................................... 196
Indikasi Jarak Jauh .................................................. 197
Kontrol ................................................................... 198
BAB 7 - Mengevaluasi Teknik Sealing dan Aplikasinya ....... 199
7.1. Teknik dan Aplikasi Segel ....................................... 199
Segel Kimia ............................................................. 201
Jenis Segel Lainnya ................................................. 202
Pressure Transmitter Segel Jarak Jauh .................. 203
7.2. Karakteristik Segel Jarak Jauh ................................ 210
Pengaruh Suhu ....................................................... 211
7
Waktu merespon ................................................... 211
Zero dan Span Adjustment .................................... 212
Akurasi ................................................................... 212
Referensi Tambahan .............................................. 213
8
BAB 1 - Penerapan Prinsip Pengukuran
Tekanan
1.1. Tujuan dan Pentingnya Pengukuran Tekanan
Dalam pengukuran proses, nilai variabel proses
(misalnya, tekanan, suhu, level, dan aliran) dalam operasi
proses secara terus-menerus ditentukan untuk
memungkinkan proses operasi dipantau atau, lebih khusus
lagi, untuk mengizinkan variabel proses dikontrol (yaitu,
ditahan pada set point atau dalam rentang operasinya).
Modul ini berkaitan, khususnya, dengan pemilihan
perangkat yang akan digunakan untuk mengukur tekanan
dalam operasi proses di industri. Pengukuran tekanan yang
akurat penting untuk proses pengukuran yang dilakukan
untuk pemantauan secara umum dan untuk pengendalian
secara khusus.
Seperti disebutkan di atas, nilai variabel proses dalam
pemantauan operasi proses terus ditentukan. Pemantauan
yang efektif bergantung pada pengukuran tekanan yang
akurat karena alasan berikut:
9
• Nilai tekanan itu sendiri adalah data penting untuk
pemantauan.
• Seringkali, nilai variabel proses selain tekanan
diturunkan dari (disimpulkan dari) nilai yang diukur
untuk tekanan.
Sebagai contoh inferral dari tekanan, nilai level zat cair
dalam tangki penyimpanan dapat diturunkan dari nilai
tekanan hidrostatis yang diberikan oleh zat tersebut.
Sebagai contoh lain, nilai laju aliran fluida melalui pipa
dapat diturunkan dari nilai tekanan diferensial yang
dihasilkan oleh pelat orifice.
Dalam banyak operasi proses, pengukuran tekanan
yang akurat penting untuk menghasilkan pengendalian
yang efektif. Dalam loop kontrol yang berfungsi hanya
untuk mengontrol tekanan, diperlukan pengukuran
tekanan yang akurat agar instrumentasi kontrol dapat
mendeteksi penyimpangan tekanan dari set point dan
kemudian menentukan tindakan yang diperlukan untuk
mengembalikan tekanan ke set point-nya. Misalnya, di Gas
Oil Separation Plant (GOSP), tekanan gas dalam production
10
trap bertekanan tinggi harus dijaga pada set point yang
ditentukan.
Dalam beberapa operasi proses, bagaimanapun,
pengukuran tekanan yang akurat kurang diperlukan untuk
tujuan mengontrol tekanan dan lebih untuk tujuan
mempertahankan variabel proses lain pada set point-nya.
Dalam kasus seperti itu, dimungkinkan bagi loop kontrol
untuk secara tidak langsung mengontrol variabel proses
lainnya dengan secara langsung mengontrol tekanan.
Sebagai contoh, tekanan diferensial (yaitu, perbedaan
antara nilai tekanan yang diukur pada dua titik berbeda)
dari fluida yang mengalir melalui pipa seringkali dikontrol
secara langsung untuk mengontrol laju aliran fluida yang
melalui pipa.
1.2. Contoh Tipikal Pengukuran Tekanan
Selain variabel proses lainnya, kolom distilasi
mungkin memerlukan pengukuran dan pengendalian
tekanan dari menara distilasi. Pressure Transmitter, yang
terletak di atas menara (Gambar 1), memiliki teknologi
penginderaan tekanan yang mengubah tekanan menjadi
11
sinyal yang dapat digunakan. Pressure Transmitter
kemudian memberikan variabel tekanan sebagai sinyal
keluaran standar ke pengontrol tekanan. Karena suhu
menara sensitif terhadap perubahan tekanan apa pun,
penting untuk memberikan pengukuran tekanan yang
akurat ke pengontrol tekanan.
Gambar 1. Pengukuran Tekanan di Kolom Distilasi
12
Variabel pengukuran tekanan juga dapat mewakili
permintaan akan sumber daya pabrik. Pada Gambar 2,
Pressure Transmitter uap memberikan kepada pengontrol
tekanan uap sebuah indikasi kebutuhan uap dari pabrik.
Pengontrol tekanan uap, pada gilirannya, mempertahankan
tekanan uap dengan memberikan sinyal kontrol yang
diperlukan ke katup kontrol (control valve) bahan bakar dan
pengontrol fuel air.
Gambar 2. Pengukuran Tekanan sebagai Indikasi
Permintaan Kontrol Proses
13
1.3. Sifat Materi dalam Kaitannya dengan Pengukuran
Tekanan
Sifat materi yang terkait dengan pengukuran tekanan
paling baik dilihat dalam persamaan hukum gas ideal.
Persamaan hukum gas ideal dapat mencakup faktor
kompresibilitas (Z), yang menjelaskan penyimpangan
perilaku gas dari hukum gas ideal yang disebabkan oleh
gaya tarik dan tolak antar molekul gas. Persamaan gas ideal
berikut menunjukkan pengaruh suhu, volume, dan
kompresibilitas terhadap tekanan:
P V = n R T Z
Dimana,
P = Tekanan Absolut
n = Jumlah Mol Gas
R = Konstanta Gas Ideal
T = Temperatur Absolut
Z = Faktor Kompresibilitas
V = Volume
14
Efek berikut pada tekanan yang diukur dapat diamati dari
persamaan gas ideal:
• Tekanan memiliki hubungan langsung dengan suhu.
Jika suhu meningkat, tekanan meningkat.
• Tekanan memiliki hubungan tidak langsung dengan
volume. Jika volume meningkat, tekanan
berkurang. Jika volume berkurang, tekanan
meningkat.
• Tekanan memiliki hubungan langsung dengan
kompresibilitas. Kompresibilitas menunjukkan sifat
gas yang memungkinkannya menurunkan volume
saat mengalami peningkatan tekanan. (Perhatikan,
bagaimanapun, bahwa kompresibilitas adalah
nonlinier dan bahwa pengaruhnya terhadap
tekanan pada suhu yang berbeda dapat diturunkan
dari buku pegangan teknik)
1.4. Persamaan Tekanan
Tekanan didefinisikan sebagai jumlah gaya per satuan
luas. Dengan definisi ini, menghitung tekanan berarti
membagi gaya yang diterapkan dengan luas di mana gaya
15
diterapkan secara seragam. Persamaan tekanan yang paling
sering diberikan adalah :
P = F/A
Dimana,
P = Tekanan
F = Gaya (Sebanding dengan massa x
akselerasi)
A = Luas Penampang
Sebagai contoh, jika gaya 100 pound diterapkan secara
merata di area 1 in2, maka :
P = F/A
P = 100 lbforce / 1 in2
P = 100 lbforce / in2
Tekanan gaya 100 pound per inci persegi lebih sering
dinyatakan sebagai 100 pound per inci persegi atau secara
sederhana disebut 100 psi.
1.5. Satuan Tekanan
Tekanan dapat diekspresikan dalam satuan yang
berbeda. Seringkali perlu untuk menyatakan pengukuran
tekanan dalam satuan yang serupa, membutuhkan konversi
16
dari satu satuan ke satuan yang lain. Pembahasan berikut
menjelaskan
• Satuan pengukuran tekanan
• Konversi antar satuan
1.6. Satuan Pengukuran Tekanan
Meskipun pengukuran tekanan dapat dinyatakan
dalam satuan yang berbeda, dua kategori umum untuk
satuan pengukuran tekanan adalah sebagai berikut:
• Satuan Inggris (disebut juga English Engineering, EE)
• Satuan metrik SI
Satuan Inggris - Sistem Inggris biasa dinamai demikian
karena menggunakan satuan berat Inggris yang umum
(seperti pon dan ons) dan satuan luas (seperti inci persegi
atau kaki persegi) dalam ekspresi pengukuran tekanan.
Daripada menyatakan tekanan sebagai "gaya pound per inci
persegi (lbf / in2)", unit ini paling sering dinyatakan sebagai
"pound per inci persegi" dan disingkat sebagai "psi".
Selain satuan pengukuran psi, sistem Inggris juga
mencakup unit berikut:
• Inci kolom merkuri, disingkat “in.HG"
17
• Inci kolom air (WC), disingkat “in.H2O”
• Kaki kolom air (WC), disingkat “ft.H2O”
Ekspresi tekanan sebagai ketinggian kolom cairan
paling baik diilustrasikan dengan barometer sederhana,
yang mengukur tekanan atmosfer dalam kaitannya dengan
ketinggian kolom merkuri. Barometer merkuri pada
dasarnya menyatakan pengukuran tekanan gas dalam
satuan inci kolom merkuri (dalam Hg). Dengan kata lain,
tekanan yang diberikan oleh atmosfer (gas) sama dengan
tekanan yang diberikan oleh kolom merkuri (cairan).
Demikian juga, instrumen pengukuran tekanan industri -
beberapa serupa dalam prinsip operasinya dengan
barometer - membuat pengukuran tekanan dikalibrasi
dalam satuan in. Hg, in. H2O, atau ft. H2O. Ketika dinyatakan
dalam satuan in. Hg, in. H2O, atau ft. H2O, tekanan yang
diukur sering kali disebut sebagai "head", yang berarti
"ketinggian ekivalen dari suatu cairan yang akan
menciptakan tekanan yang sama."
Satuan Metrik SI - Untuk sistem metrik pengukuran
tekanan SI (System International d 'Unites), satuan dasar SI
18
untuk tekanan adalah pascal (Pa). Pascal
merepresentasikan tekanan yang diberikan oleh gaya satu
Newton (N) yang bekerja secara seragam pada area seluas
satu meter persegi. (Satu Newton didefinisikan sebagai
gaya yang dibutuhkan untuk memberikan percepatan satu
meter per detik per detik kepada sebuah massa satu
kilogram.) Misalnya, jika gaya 1000 Newton (N) diterapkan
secara merata ke area seluas 1 m2, tekanan, P , dapat
dengan mudah ditentukan dengan membagi gaya, F,
dengan luas, A:
P = F/A
P = 1000 N / 1 m2
P = 1000 N/m2
Karena 1000 Newton / m2 sama dengan 1000 Pascal
(Pa), tekanan dalam contoh ini dapat dinyatakan sebagai
1000 Pa. Dalam pengukuran proses industri, satu Pascal
(Pa) merepresentasikan unit pengukuran yang terlalu kecil
untuk sebagian besar tekanan yang dihadapi, sehingga
kilopascal (kPa) sering digunakan untuk menyatakan nilai
tekanan.
19
Selain satuan kPa, sistem metrik SI juga mencakup
satuan berikut:
• Kolom merkuri dalam milimeter, disingkat “mm. HG"
• Kolom air (WC) milimeter, disingkat “mm. H2O”
• Kolom air sentimeter (WC), disingkat “cm. H2O”
• Kilogram per sentimeter persegi, disingkat "kg / cm2"
Barometer yang dijelaskan sebelumnya mungkin
memiliki pengukuran tekanan yang dikalibrasi dalam satuan
metrik SI dalam milimeter (mm.) Hg, bukan inci (in.) Hg.
Demikian pula, instrumen pengukuran tekanan industri
dapat dikalibrasi untuk pengukuran tekanan dalam mm. Hg,
mm. H2O, cm. H2O. Jika dinyatakan dalam satuan mm. Hg,
mm. H2O, cm. H2O, tekanan terukur dapat disebut sebagai
"head".
Perbedaan antara sistem satuan Inggris yang biasa
dan sistem satuan metrik SI memerlukan tinjauan singkat
tentang beberapa konsep tekanan tambahan. Karena
tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas,
seseorang dapat mengambil definisi ini lebih jauh
menggunakan hukum Newton dan mengatakan bahwa
gaya itu sendiri sama dengan percepatan kali massa. Dalam
20
sistem pengukuran tekanan Inggris yang biasa, perbedaan
antara massa dan gaya menjadi bingung dengan istilah-
istilah seperti berat dan massa. Berat, menurut definisi,
sama dengan massa kali percepatan gravitasi.
Karena percepatan yang disebabkan oleh gravitasi
cukup seragam di seluruh bumi, berat satu pon menjadi
mudah dikacaukan seolah-olah sama dengan massa satu
pon. Padahal, berat tidak sama dengan massa. Berbagai
upaya untuk menyelesaikan kebingungan antara berat dan
massa dalam sistem pengukuran bahasa Inggris biasa hanya
menambah kebingungan. Untungnya, satuan metrik pascal
menyelesaikan masalah dalam membedakan antara berat
dan massa. Definisi sederhana pascal menghilangkan
gravitasi (dan karenanya, bobot) agar tidak terjalin dalam
definisi tekanan "gaya per satuan luas".
1.7. Konversi
Vendor sering kali menyediakan dalam katalog
instrumentasi mereka sebuah bagan konversi (Gambar 3).
Bagan ini memiliki format yang bervariasi dan dapat
digunakan untuk melakukan konversi unit berikut:
21
• Satuan Inggris ke satuan custom
• Satuan Inggris ke satuan metrik SI
• Satuan metrik SI ke satuan metrik SI
• Satuan metrik SI ke satuan custom
Gambar 3. Contoh Tabel Konversi
Salah satu pendekatan untuk mengubah satuan
tekanan melibatkan analisis dimensi. Analisis dimensi
adalah metode melakukan perhitungan di mana konversi ke
satuan yang diinginkan dapat dilakukan dengan
menggunakan satuan yang setara. Melalui penggunaan
ekuivalen tekanan dari satu atmosfer standar (Gambar 4),
22
nilai satuan tekanan yang diinginkan dapat ditentukan saat
mengkonversi dari satuan tekanan ke satuan lain. Seperti
yang ditunjukkan Gambar 4, 1 atmosfer standar setara
dengan 14.696 psia (satuan umum bahasa Inggris) atau
101.325 kPa (sistem metrik SI). Analisis dimensi dapat
digunakan saat mengonversi satuan dari:
• Satuan Inggris ke satuan custom
• Satuan Inggris ke satuan metrik SI
• Satuan metrik SI ke satuan metrik SI
• Satuan metrik SI ke satuan custom
1 standard
atmosphere
14.696 psia
1 standard
atmosphere
760 mm Hg (0° C)
1 standard
atmosphere
76.0 cm Hg (0° C)
1 standard
atmosphere
0.76 m Hg (0° C)
1 standard
atmosphere
29.9213 inches Hg (0° C)
1 standard
atmosphere
33.9294 feet water column (60° F)
1 standard
atmosphere
33.9569 feet water column (68° F,
20° C)
23
1 standard
atmosphere
407.4828 inches water column (68°
F, 20° C) 1 standard
atmosphere
10.3501 meters water column (68°
F, 20° C) 1 standard
atmosphere
0.986920 bars
1 standard
atmosphere
101.325 kPa
1 standard
atmosphere
760 torr (mm Hg, 0°C)
Gambar 4. Standar Atmosfer sebagai Satuan Konversi
24
BAB 2 - Terminologi
2.1. Tekanan Gauge, Absolut, Diferensial, dan Vakum
Untuk mengevaluasi perangkat pengukuran tekanan
dengan benar, diperlukan pemahaman tentang jenis
pengukuran tekanan (Gambar 5) yang meliputi:
• Tekanan gauge
• Tekanan absolut
• Tekanan diferensial
• Tekanan vakum
Tekanan gauge direferensikan ke tekanan atmosfer
nol. Tekanan gauge dinyatakan dalam pound per inci
persegi (psi atau psig). Perhatikan bahwa instrumen apa
pun yang secara langsung mengukur tekanan gauge akan
memiliki indikasi yang dipengaruhi oleh perubahan tekanan
atmosfer (barometrik) lokal.
Tekanan Absolut menunjukkan tidak adanya
tekanan atmosfer (yaitu, ruang hampa). Tekanan absolut
dinyatakan dalam pound per inci persegi absolut (psia).
Tekanan gauge dapat diubah menjadi tekanan absolut
25
melalui penambahan nilai tekanan atmosfer lokal ke nilai
tekanan gauge.
PABS = PGAUGE + PATM
Tekanan Diferensial menunjukkan perbedaan
antara pembacaan nilai tekanan pada dua titik terpisah.
Tekanan diferensial sering disebut dalam pound per square
inch differential (psid). Kadang-kadang teknisi akan
merujuk pada pengukuran tekanan diferensial sebagai
pengukuran "tekanan delta (delta P)". Perangkat tekanan
diferensial, misalnya, dapat disebut perangkat "delta P".
Tekanan vakum merupakan pengukuran tekanan
yang mengacu pada tekanan atmosfer, tetapi nilai
pengukuran tekanan adalah tekanan di bawah tekanan
atmosfer. Konsep ruang hampa sempurna mirip dengan
konsep acuan nol mutlak dalam suhu. Seperti nol absolut,
vakum sempurna tidak dimungkinkan dalam pengukuran
sehari-hari, tetapi vakum sempurna berfungsi sebagai
referensi yang tepat untuk pengukuran tekanan. Untuk
menentukan tekanan absolut, tekanan pengukur vakum
perlu dikurangi dari tekanan atmosfer.
PABS = PATM - (PGAUGE) VACUUM
26
Semua pengukuran tekanan dapat digambarkan
sebagai pengukuran tekanan diferensial, karena ada
pengukuran tekanan sehubungan dengan nilai tekanan
lainnya. Misalnya, tekanan absolut merujuk ke vakum
sempurna sebagai tekanan referensi. Tekanan pengukur
mengacu pada tekanan atmosfer sebagai tekanan
referensi.
Gambar 5. Referensi Tekanan
Tekanan vakum juga merujuk tekanan atmosfer
sebagai tekanan referensi, tetapi tidak seperti tekanan
27
pengukur, tekanan vakum adalah tekanan di bawah
tekanan atmosfer (kadang-kadang disebut sebagai
"menarik ruang hampa"). Berkenaan dengan tekanan
atmosfer, kecenderungan di antara pengguna instrumen
pemula adalah mengacaukan tekanan barometrik lokal
dengan atmosfer standar.
Atmosfer standar didefinisikan sebagai tekanan
barometrik rata-rata di permukaan laut dan memiliki nilai
14,7 psia, sedangkan tekanan barometrik lokal dapat
bergantung pada beberapa variabel, termasuk ketinggian
geografis tempat tersebut.
Beberapa istilah tekanan lain yang harus dikenal termasuk
yang berikut:
• Tekanan barometrik - Tekanan barometrik sama
dengan tekanan atmosfer lokal, yang
merepresentasikan gaya tekanan yang saat ini
diberikan oleh atmosfer bumi di lokasi geografis
tertentu.
• Tekanan statis - Juga disebut sebagai tekanan
saluran atau tekanan kerja, tekanan statis mewakili
jumlah tekanan yang diberikan pada permukaan
28
oleh fluida (gas atau cairan) yang sejajar dengan
dinding pipa.
• Tekanan hidrostatis - Tekanan hidrostatis sering
disebut dalam aplikasi level cairan, di mana tekanan
mewakili gaya di bawah permukaan cairan yang
diterapkan oleh tinggi dan berat jenis cairan di atas
titik pengukuran. Istilah "hydrostatic head" atau
"head" juga digunakan untuk mewakili tekanan ini.
Satuan pengukuran terkadang dalam milimeter
atau inci dari H2O.
2.2. Contoh Tipikal
Contoh pengukuran tekanan di industri yang
menggunakan pengukuran tekanan gauge, absolut,
diferensial, atau vakum meliputi:
• Tekanan gauge diukur dalam pemisahan minyak
dan gas.
• Tekanan absolut diukur di menara distilasi vakum
pada kilang. Menara vakum menyuling sebagian
besar minyak gas keluar dari minyak mentah
29
meninggalkan residu aspal. Tekanan operasi
menara vakum tipikal adalah 1 hingga 5 psia.
• Pengukuran tekanan diferensial sangat umum di
industri, terutama untuk menyatukan laju aliran.
• Tekanan vakum diukur dalam pemanas yang
dibakar.
• Tekanan absolut mungkin diperlukan untuk
mengkompensasi laju aliran dalam aplikasi aliran
gas.
2.3. Faktor Pengaruh pada Pengukuran Tekanan
Dalam pengukuran tekanan, faktor-faktor yang
mempengaruhi pengukuran tekanan adalah sebagai
berikut:
• Kedalaman
• Berat jenis (specific gravity)
• Suhu
• Tekanan permukaan
• Homogenitas fluida
30
Kedalaman
Ketika pengukuran tekanan digunakan untuk
menyimpulkan level cairan, tekanan yang diukur pada satu
titik di bawah permukaan berbanding lurus dengan
kedalaman. Kedalaman, bukan volume di dalam bejana,
yang menentukan besarnya tekanan. Semakin dalam,
semakin besar tekanannya.
Berat jenis (specific gravity)
Ketika pengukuran tekanan digunakan untuk
menyimpulkan level cairan, berat jenis cairan memiliki
pengaruh besar pada pengukuran level. Tekanan
berbanding lurus dengan berat jenis (densitas) cairan yang
diukur. Misalnya, semakin besar berat jenis semakin besar
pula tekanan yang diukur.
Suhu
Suhu mempengaruhi tekanan fluida karena menyebabkan
gaya berat jenis fluida berubah. Saat suhu meningkat, berat
jenis fluida menurun.
31
Tekanan Permukaan
Ketika pengukuran tekanan digunakan untuk
menyimpulkan level cairan dari tangki terbuka, tekanan
atmosfer menambah tekanan yang diukur. Jika tekanan
diukur dalam tangki tertutup, tekanan permukaan dalam
tangki tertutup menambah tekanan yang diukur.
Homogenitas Cairan
Jika fluida di tangki penyimpanan mengalami stratifikasi
termal atau stratifikasi massa jenis ketika pengukuran
tekanan digunakan untuk menyimpulkan level, pengukuran
level akan salah. (Untuk meminimalkan kesalahan
pengukuran tekanan yang disebabkan oleh stratifikasi
sering kali diperlukan bejana menggunakan mixer internal)
2.4. Menggambar Simbol
Simbol untuk instrumen terkait tekanan yang muncul
dalam gambar di industri didasarkan pada Gambar Standar
ISA (International Society of Automation) – ISA S5.1, 1984.
32
Gambar 6. Contoh Gambar Simbol P&ID
2.5. Kategori Umum Alat Pengukur Tekanan
Perangkat pengukur tekanan yang digunakan dalam
aplikasi industri berkisar dari perangkat yang sangat
sederhana dan berbiaya rendah seperti pengukur tekanan
hingga instrumen berbasis mikroprosesor yang lebih
kompleks. Secara umum, dua tren yang sedang terjadi
dalam instrumentasi pengukuran tekanan:
• Tautan mekanis dan tuas dalam alat pengukur
tekanan diganti dengan sensor berbasis silikon.
33
• Instrumen berbasis mikroprosesor, khususnya
pemancar "pintar" atau "cerdas", muncul sebagai
instrumen pilihan.
Diskusi berikut memperkenalkan kategori alat
pengukur tekanan yang digunakan di Industi:
• Pengukur gravitasi (Gravitational Gauge)
• Sensor dan switch deformasi
• Transduser dan pemancar
Pengukur Gravitasi (Gravitational Gauge)
Pengukur gravitasi (seperti tabung-U, tabung sumur, dan
manometer miring) adalah perangkat yang sangat akurat
yang dapat mengukur tekanan secara langsung. Perangkat
ini adalah jenis alat pengukur paling awal dan dalam
beberapa hal paling dapat diandalkan dan andal. Perangkat
ini biasanya mengukur dalam satuan psi, inci air, dan inci
merkuri (Hg). Satuan - psi, inci air, dan inci merkuri - sering
disebut sebagai satuan yang bergantung pada gravitasi.
Artinya, ketinggian fluida di manometer bergantung pada
34
kepadatan fluida dan gaya gravitasi. Alat pengukur gravitasi
yang umum adalah manometer.
Manometer paling sederhana adalah manometer
tabung-U, disebut demikian karena tabungnya berbentuk
U. Tabung berbentuk U digunakan untuk mengukur
tekanan diferensial (satu sisi terhubung ke koneksi tekanan
tinggi dan sisi lainnya ke koneksi atau atmosfer bertekanan
rendah). Ketika tekanan diferensial diterapkan, perbedaan
tekanan menyebabkan perbedaan antara ketinggian cairan
di setiap sisi. Tekanan diferensial yang diterapkan dibaca
sebagai tekanan diferensial pada skala bertahap (Gambar
7).
Gambar 7. U-Tube Manometer
35
Manometer kadang-kadang disebut sensor tipe
"basah", karena berisi cairan yang levelnya merespons
tekanan. Sensor tipe "kering" menggunakan elemen elastis
yang merespons tekanan dengan meregangkan, menekuk,
atau mengubah bentuk. Sensor tipe kering, disebut sebagai
sensor tipe deformasi, dijelaskan selanjutnya.
Sensor dan Switch Deformasi (Elastis)
Seperti semua sensor tekanan yang merasakan tekanan,
sensor deformasi mengubah respons yang dirasakan
menjadi sinyal yang dapat digunakan. Input ke sensor
deformasi terdiri dari gaya. Sensor deformasi, dalam proses
penginderaan gaya, berubah bentuk sebagai respons
terhadap gaya. Deformasi sebenarnya adalah konversi
sinyal input yang menjadi indikasi tekanan pada alat
pengukur. Saat digunakan dalam switch tekanan, sensor
deformasi mengubah sinyal input menjadi penggerak
switch ketika tekanan tertentu dilanggar.
Dengan demikian sensor deformasi ditemukan di
lebih dari satu jenis alat pengukur tekanan. Sensor
36
deformasi ditemukan di pengukur, pemancar, transduser,
dan switch. Bagian ini memberikan gambaran umum
tentang jenis sensor deformasi berikut:
• Tabung Bourdon
• Bellows
• Diafragma
Bourdon Tube - Sensor yang paling umum
digunakan dalam pengukuran tekanan di industri adalah
tabung Bourdon (Gambar 8), karena sering terkandung di
dalam pengukur tekanan umum. Sebuah tabung Bourdon,
dinamai Eugene Bourdon (ilmuwan yang menemukan
tabung), biasanya tabung logam yang ditekuk menjadi
bentuk huruf “C”.
37
Gambar 8. Tabung Bourdon
Salah satu ujung tabung ditutup rapat, sedangkan
ujung lainnya dihubungkan ke sinyal input dari proses. Saat
gaya diterapkan, tabung menjadi lurus. Gerakan tip yang
dihasilkan menggerakkan indikator yang menunjukkan
jumlah tekanan. Karena bagian luar tabung Bourdon
terkena tekanan atmosfer, tabung ini sering kali
menunjukkan tekanan gauge.
38
Gambar 9. Bellows
Bellow - Sensor tekanan bellow terlihat seperti
kaleng logam kecil dengan sisi fleksibel yang memiliki
tonjolan (Gambar 9). Sebuah pegas dipasang di salah satu
ujung bellow. Ketika suatu gaya diterapkan, bellow
berkontraksi dan menggerakkan pegas dalam jarak yang
sebanding dengan gaya. Sebuah pointer, yang dipasang ke
pegas, menunjukkan tekanan.
39
Diafragma - Sensor diafragma (Gambar 10) pada
dasarnya adalah cakram fleksibel yang berubah bentuk saat
tekanan dalam proses berubah. Karena piringan dipegang
kuat di sekitar tepi luar, bagian tengah piringan bergerak
masuk dan keluar saat tekanan berubah. Sebuah pointer
atau link penghubung dapat dipasang ke diafragma untuk
menunjukkan tekanan secara mekanis. Sensor diafragma
dapat menjadi dasar bagi beberapa fenomena kelistrikan
untuk mencapai sensitivitas yang lebih besar. Pressure
Transmitter (XMTTR) biasanya terbaca dalam nilai listrik.
Gambar 10. Diafragma
40
Transduser dan Pemancar
Istilah "transduser" dan "pemancar (transmitter)"
membingungkan bagi pengguna instrumen pemula.
Transduser, yang didefinisikan menurut SAMA PMC20.1,
adalah “Elemen atau perangkat yang menerima informasi
dalam bentuk satu kuantitas dan mengubahnya menjadi
informasi dalam bentuk kuantitas yang sama atau lainnya.”
Definisi transduser menurut ISA S5.1 serupa dan
selanjutnya menyatakan bahwa "Bergantung pada
aplikasinya, transduser dapat berupa elemen utama,
pemancar, relai, konverter, atau perangkat lain." Oleh
karena itu, istilah "transduser" digunakan sebagai istilah
umum untuk mendeskripsikan perangkat apa pun yang
memiliki fungsi mengubah sinyal yang tidak diketahui
menjadi sinyal keluaran proporsional. "Transduser" juga
digunakan untuk secara khusus mengidentifikasi perangkat
pengukuran dalam kaitannya dengan variabel proses yang
dirasakan dan sinyal keluaran yang disediakannya. Istilah
"transduser tekanan", seperti yang digunakan dalam buku
ini, mewakili perangkat yang menyediakan sinyal keluaran
41
listrik yang sebanding dengan variabel tekanan proses yang
diterapkan.
Dalam praktiknya, Pressure Transmitter dan
transduser tekanan dianggap sebagai entitas yang terpisah.
Seperti yang ditunjukkan Gambar 6, Pressure Transmitter
dan transduser tekanan diberi simbol yang berbeda dalam
P & ID. Lihat Alat Bantu Kerja untuk contoh lembar data
vendor yang menunjukkan transduser tekanan dan
Pressure Transmitter dengan spesifikasi fisik dan kinerja
yang serupa - perbedaan antara kedua perangkat adalah
sinyal outputnya. Penjelasan yang lebih praktis tentang
transduser tekanan dan Pressure Transmitter berikut.
Transduser Tekanan - Transduser tekanan adalah
perangkat yang menyediakan sinyal keluaran listrik yang
sebanding dengan tekanan proses yang diterapkan. Sinyal
keluaran ditentukan sebagai keluaran millivolt, volt, arus,
atau frekuensi. Transduser tekanan cenderung memiliki
kisaran tekanan operasi yang ditentukan; kisarannya dapat
sangat bervariasi di antara transduser. Perhatikan bahwa
transduser tekanan biasanya diberi nilai dalam satuan psi,
bukan dalam satuan inci H2O atau inci Hg. Transduser
42
tekanan lebih spesifik untuk aplikasi daripada pemancar.
Misalnya, transduser tekanan dapat dirancang khusus
untuk aplikasi submersible. Transduser tekanan
memerlukan catu daya yang diatur karena transduser
tekanan mungkin tidak memiliki kemampuan
pengkondisian sinyal.
Transduser tekanan selalu terdiri dari dua elemen:
• Elemen penjumlahan gaya - Sebuah elemen
penjumlah gaya, seperti diafragma, mengubah
tekanan yang tidak diketahui menjadi perpindahan
atau gaya yang dapat diukur.
• Sensor - Sensor, seperti pengukur regangan,
mengubah perpindahan atau gaya menjadi sinyal
keluaran proporsional yang dapat digunakan.
Pressure Transmitter - Pressure Transmitter
didefinisikan sebagai perangkat yang menyediakan sinyal
keluaran linier standar industri (arus 4 mA hingga 20 mA)
yang sebanding dengan tekanan proses yang diterapkan.
Meskipun Pressure Transmitter dapat disebut transduser
karena melakukan konversi tekanan menjadi sinyal listrik
43
proporsional, pemancar dianggap sebagai instrumen
tersendiri. Pressure Transmitter sering kali memiliki
pengkondisian sinyal built-in dan tidak memerlukan sumber
catu daya yang diatur.
Beberapa bentuk sensor yang digunakan pada
transduser tekanan dan transmitter, di antaranya adalah
strain gauge, variable capacitance, variable reluctance,
piezoelectric, double ended tuning fork, dan sensor kawat
resonan. Diskusi berikutnya berfokus pada teknologi
penginderaan yang umum digunakan di transduser tekanan
dan pemancar, yang paling umum adalah pengukur
regangan.
2.6. Jenis Sensor Transduser dan Transmitter
Jenis sensor transduser dan pemancar meliputi:
• Pengukur regangan berikat (bonded strain gauge)
• Elemen potensiometri
• Elemen osilasi
• Pengukur piezoelektrik
44
Gambar 11. Bonded Strain Gauge
Bonded Strain Gauge - Sensor strain gauge
mengubah hambatan listriknya saat meregang atau
menekan (Gambar 11). Pengukur regangan sering dipasang
(terikat) ke elemen gaya diafragma. Dalam pendekatan ini,
pengukur regangan mengubah gerakan diafragma menjadi
sinyal listrik.
Elemen Potensiometri - Karena potensiometer
adalah elemen resistansi variabel, jumlah resistansi variabel
dapat digunakan untuk menentukan jumlah tekanan
variabel. Potensiometer bisa sesederhana kawat yang
melilit silinder (Gambar 12). Saat penunjuk bergerak
45
melintasi silinder, perubahan resistansi proporsional
menunjukkan perubahan tekanan.
Gambar 12. Elemen Potensiometri
Elemen Osilatif - Ketika suatu gaya menyebabkan
gerakan diafragma (Gambar 13), perubahan terjadi pada
tegangan kawat (atau jenis sensor solid state osilatif
lainnya). Kabel kemudian beresonansi atau berosilasi pada
frekuensi yang ditentukan oleh tegangan. Besarnya
tegangan, pada dasarnya, merepresentasikan tekanan.
46
Gambar 13. Elemen Osilatif
Piezoelektrik Gauge - Piezoelektrik gauge
menggunakan bahan yang menghasilkan tegangan listrik
saat gaya diterapkan. Sensor piezoelektrik (Gambar 14)
mengukur tekanan yang berubah dengan cepat, dan
merespons perubahan tekanan cepat yang terjadi dalam
waktu singkat.
47
Gambar 14. Piezoelectric Gauge
2.7. Pressure Transmitter (Pneumatik versus Elektronik
versus Mikroprosesor)
Jenis pemancar tekanan (Pressure Transmitter)
adalah pneumatik, elektronik (konvensional 4 mA hingga 20
mA), atau berbasis mikroprosesor. Di era instrumen
berbasis mikroprosesor, mungkin tampak tidak biasa untuk
membahas instrumen pneumatik; namun, seperti yang
ditunjukkan Gambar 15, pemancar elektronik pneumatik
dan konvensional, terus memiliki aplikasi yang sesuai untuk
digunakan. Karena biaya pemancar berbasis mikroprosesor
terus menurun, semakin besar kemungkinan pemancar
tersebut menjadi perangkat yang disukai.
48
Gambar 15. Perbandingan Tipe Pemancar
49
BAB 3 - Kriteria Seleksi dan Persyaratan
Instalasi untuk Perangkat Pengukuran
Tekanan
Perangkat pengukur tekanan melakukan fungsi
umum sebagai berikut:
• Mengizinkan nilai-nilai tekanan dalam suatu proses
untuk dipantau.
• Berkontribusi pada indikasi dan / atau kontrol
tekanan pada setpoint yang ditetapkan.
• Berkontribusi pada pengoperasian sistem alarm
dan Emergency Shutdown Systems (ESD).
Mengingat fungsi umum ini, seorang insinyur akan
mendapatkan keuntungan dari pendekatan yang
mempersempit pilihan ke beberapa teknologi pengukuran
tekanan. Pendekatan yang membantu insinyur untuk mulai
memilih perangkat yang paling sesuai untuk proses
diuraikan dalam Buku Pegangan Insinyur Instrumen, Edisi
Ketiga, Pengukuran dan Analisis Proses, Bab 5, Pengukuran
50
Tekanan, oleh Bela G.Liptak, Chilton Book Company, 1995.
Insinyur instrumen didorong untuk meninjau kriteria
pemilihan yang tercantum dalam Buku Pegangan Insinyur
Instrumen ketika menghadapi pemilihan perangkat
pengukur tekanan dan kriteria pemasangan.
Setelah meninjau pendekatan pemilihan awal,
kriteria pemilihan perangkat pengukur tekanan juga
mencakup peninjauan hal-hal berikut:
• Dasar-dasar aplikasi
• Spesifikasi (Sifat Pengukuran)
• Pertimbangan keamanan
• Metalurgi
• Pertimbangan instalasi
• Pemeliharaan dan kalibrasi
• Kompatibilitas dengan instrumentasi proses yang
ada
• Pertimbangan ekonomi
• Arahan teknis
51
3.1. Dasar-dasar Aplikasi
Pemilihan perangkat pengukur tekanan yang tepat
membutuhkan pemahaman lengkap tentang aplikasi yang
ditujukan untuk perangkat tersebut. Dua jenis aplikasi yang
paling umum adalah
• Aplikasi pengukuran tekanan
• Aplikasi switch tekanan
Bagian ini akan menjelaskan persyaratan dasar untuk
instrumen yang digunakan untuk aplikasi ini.
Aplikasi Pengukuran Tekanan
Untuk aplikasi pengukuran tekanan, pertimbangan
utamanya adalah
• Jarak
• Perlindungan overrange
• Suhu
• Kompatibilitas fluida proses
Range - Perangkat pengukur tekanan dikalibrasi
untuk menunjukkan nilai tekanan dalam kisaran tertentu.
Nilai terendah dalam rentang tersebut adalah nilai rentang
52
yang lebih rendah (LRV) perangkat. Nilai tertinggi dalam
rentang tersebut adalah nilai rentang atas (URV) perangkat.
Sebagai contoh, alat pengukur tekanan dapat dikalibrasi
untuk menunjukkan tekanan dalam kisaran 0 psi (LRV)
hingga 1000 psi (URV).
Perlindungan Overrange - Perangkat pengukur
tekanan harus dibuat sedemikian rupa sehingga mampu
menahan tekanan overrange (yaitu, tekanan yang melebihi
URV perangkat). Pedoman industri umum adalah bahwa
perangkat pengukur tekanan harus mampu menahan
tekanan yang 125% (atau 25% lebih besar dari) nilai rentang
atas (URV) perangkat.
Suhu - Perangkat pengukur tekanan dirancang
untuk mengukur tekanan secara akurat dan untuk
beroperasi tanpa kegagalan dalam kisaran suhu tertentu.
Misalnya, pengukur jenis tabung Bourdon diharapkan dapat
beroperasi secara akurat dan andal dalam kisaran suhu -60
° F hingga 375 ° F.
Kompatibilitas Fluida Proses - Bahan yang dibasahi
perangkat pengukur tekanan (yaitu, bahan yang
bersentuhan dengan cairan proses) harus kompatibel
53
dengan cairan proses untuk meminimalkan atau
menghindari korosi.
Aplikasi Switch Tekanan (Pressure Switch)
Switch tekanan sering memulai tindakan korektif jika nilai
tekanan dalam proses turun di bawah atau naik di atas nilai
yang dikalibrasi switch. Misalnya, switch dapat memulihkan
tekanan yang hilang (yang disebabkan oleh kegagalan
pompa) dengan menggerakkan pompa cadangan.
Perangkat switch tekanan juga digunakan untuk mematikan
alarm atau perangkat kontrol ketika batas tekanan
terlampaui. Secara tradisional, switch tekanan telah
dipasang di sistem pneumatik untuk mendeteksi kapan nilai
alarm untuk variabel yang ditransmisikan secara pneumatik
telah tercapai. Aplikasi saat ini meliputi:
• Untuk menjalankan tindakan korektif atau alarm
ketika laju aliran melalui pipa melebihi batas.
• Untuk menjalankan tindakan korektif atau alarm
untuk kehilangan tekanan di seluruh item seperti
filter.
54
• Untuk menjalankan tindakan korektif atau alarm
untuk kehilangan tekanan oli di kompresor, yang
dapat digunakan untuk menghidupkan pompa
pelumas cadangan.
• Untuk menjalankan tindakan korektif atau alarm
ketika level cairan melebihi batas di bejana
bertekanan. (Dalam hal ini, switch biasanya
memerlukan setpoint tekanan diferensial untuk
membuat perangkat trip)
Switch tekanan menggunakan sensor yang serupa
sebagai perangkat pengukur tekanan, pertimbangan untuk
aplikasi switch tekanan sama dengan pertimbangan untuk
aplikasi pengukuran tekanan. Pertimbangan tambahan
untuk switch tekanan dirangkum sebagai berikut:
• Pemasangan - switch harus dipasang di lokasi yang
tidak akan mengakumulasi cairan korosif.
• Jenis aplikasi switch - switch yang digunakan dalam
Emergency Shutdown (ESD) harus memiliki koneksi
langsungnya sendiri ke bejana proses. Aplikasi
khusus mungkin juga memerlukan switch tipe
tekanan diferensial.
55
• Jenis penggerak switch - mekanisme kerja snap dan
persyaratan peringkat kontak harus cukup untuk
mengoperasikan solenoida, relai, atau perangkat
proses lainnya tanpa memerlukan relai interposing
tambahan.
• Jenis penutup switch – Penutup (enclosure)
mungkin memerlukan enclosure tahan cuaca atau
ledakan (weatherproof atau explosion proof) NEMA
4.
Karakteristik Operasi Switch - Untuk menentukan
fungsi switch tekanan yang relatif terhadap persyaratan
proses, insinyur biasanya meninjau karakteristik
pengoperasian switch berikut:
• Jenis indikasi (apakah switch memiliki indikasi
tekanan lokal atau tidak)
• Switch Deadband (atau tindakan diferensial)
• Tekanan yang berlebihan
• Tekanan operasi normal dari switch
56
Switch tekanan memiliki dua jenis - switch yang
memiliki pengukur penunjuk tekanan lokal dan switch yang
tidak memiliki indikator lokal, yang disebut switch
nonindikasi atau switch buta. Switch dengan indikator lokal
memiliki skala yang lulus dalam satuan seperti kPa atau psi.
Skala memungkinkan titik perjalanan tekanan atau titik
setel disetel ke nilai yang ditentukan. Pertimbangan dalam
memilih switch jenis ini mencakup akurasi (yang dapat
sangat bervariasi), resolusi (sehingga setpoint diatur
dengan benar), dan apakah penyesuaian setpoint mudah
diakses atau tidak. Blind switch dipilih jika diinginkan untuk
mencegah personel yang tidak berwenang menyesuaikan
setpoint. Titik setel switch sering kali memiliki perlengkapan
seperti mur pengunci yang mencegah perubahan titik setel.
Menurut praktik industri umum, switch dengan setpoint
nonindikasi (buta) dapat diterima untuk sebagian besar
aplikasi. Ketika aplikasi switch untuk Emergency Shutdown
System (ESD). Dalam aplikasi ESD, persyaratan pemilihan
dan penginstalan untuk switch lebih ketat.
Karakteristik penting yang harus diperhatikan
dalam aplikasi switch tekanan adalah deadband switch, juga
57
disebut aksi diferensial switch atau batas diferensial. Switch
deadband (Gambar 16) menunjukkan celah operasi di mana
switch bergerak ke arah peningkatan tekanan dan
mengalami deaktuasi ke arah yang berlawanan saat
tekanan menurun. Dijelaskan dengan cara lain, deadband
atau tindakan diferensial dapat digambarkan sebagai
rentang di mana tidak ada penonaktifan switch yang terjadi.
Insinyur sering kali menginginkan tindakan
diferensial untuk mencegah switch dari menggerakkan dan
mengatur ulang (berderak) jika tekanan yang diukur
berfluktuasi di sekitar titik setel alarm. Insinyur juga
mengevaluasi tindakan diferensial switch untuk
menentukan apakah switch dapat menyetel ulang sendiri
setelah proses kembali normal. Tindakan diferensial dapat
disesuaikan atau diperbaiki.
Semua switch memiliki tindakan diferensial.
Faktanya, itu melekat pada snap switch. Tindakan
diferensial tidak dapat dihilangkan; ini adalah hasil dari gaya
yang dibutuhkan untuk menggerakkan switch. Insinyur
harus menyadari tindakan diferensial tetap, yang bisa
mencapai 25% dari rentang waktu tersebut. Kesalahan
58
penerapan switch sering kali disebabkan oleh
ketidaktahuan akan tindakan diferensial yang melekat pada
switch.
Gambar 16. Switch Deadband
Pengguna meninjau karakteristik tekanan berlebih
dari sebuah switch untuk memastikan bahwa switch telah
dibangun dalam overpressure protection yang diperlukan.
Akhirnya, pengguna menentukan apakah switch tekanan
sesuai untuk persyaratan proses atau apakah tipe switch
lain cocok. Misalnya, dalam sistem discharge pompa, switch
tekanan sering berfungsi untuk menggerakkan atau
59
membunyikan alarm ketika pompa mati. Tetapi, jika
tekanan operasi normal dalam sistem sirkulasi pompa
rendah, perbedaan tekanan yang dialami antara kondisi
normal dan abnormal sedikit. Flow switch akan lebih cocok
dalam hal ini, karena aliran abnormal adalah kondisi yang
harus menggerakkan alarm.
3.2. Spesifikasi (Sifat Pengukuran)
Saat mengevaluasi instrumen tekanan untuk
aplikasi tertentu, metode dasar yang sama untuk
mengevaluasi instrumen harus digunakan. Misalnya,
spesifikasi linieritas sering kali dicantumkan dalam tiga cara
berbeda - independen, berbasis nol, dan berbasis terminal.
Dasar yang sama untuk evaluasi kinerja instrumen harus
digunakan untuk mengevaluasi dan membandingkan
instrumen dengan dasar yang setara. Pembahasan berikut
menjelaskan cara mengevaluasi spesifikasi berikut:
• Spesifikasi linieritas
• Spesifikasi statistik
Spesifikasi Linearitas
60
Spesifikasi (Gambar 17) yang digunakan untuk mengukur
nonlinier suatu instrumen adalah sebagai berikut:
• Linearitas independen
• Linearitas berbasis nol
• Linearitas berbasis terminal
Linearitas Independen (juga disebut garis lurus
terbaik) memungkinkan nilai skala nol dan penuh dari garis
referensi sedemikian rupa sehingga meminimalkan
spesifikasi nonlinier dari instrumen. Dalam kasus ini, skala
nol dan penuh dari garis referensi mungkin sering tidak
sama dengan nilai skala penuh nol dan skala penuh dari nilai
skala penuh aktual atau yang diinginkan dari instrumen.
Mengubah zero dan span saat memasang instrumen
mengubah pengaturan pabrik yang dioptimalkan.
Linearitas Berbasis Nol - Ketika nonlinier dinyatakan
dalam linearitas berbasis nol, nol ditetapkan di ujung bawah
rentang. Titik skala penuh bisa menjadi titik yang
meminimalkan efek nonlinier. Sama seperti dalam kasus
linearitas independen, nilai sebenarnya bergantung pada
sifat nonlinier tersebut.
61
Linearitas Berbasis Terminal adalah spesifikasi
linieritas yang paling ketat, nilai skala nol dan penuh
ditetapkan. Dengan kata lain, tidak ada peluang untuk
meningkatkan spesifikasi dengan menggerakkan garis
referensi. Memang, spesifikasi ini harus memberikan
keakuratan yang paling mungkin dialami pengguna dalam
praktik aktual.
Gambar 17. Perbandingan Linearitas
Spesifikasi Statistik
62
Performa instrumen pengukuran tekanan dapat ditentukan
dalam spesifikasi statistik. Untuk mengevaluasi kinerja
instrumen berarti menafsirkan apakah instrumen
ditentukan dalam salah satu metode berikut:
• Batasan keyakinan (Confidence Limits)
• Jumlah akar kuadrat (RSS) atau akar rata-rata
kuadrat (RMS)
Confidence Limits dapat dinyatakan sebagai indikasi
akurasi perangkat yang diharapkan. Misalnya, spesifikasi
akurasi mungkin mengatakan bahwa "Akurasi yang dapat
dicapai dengan tingkat keyakinan 95% adalah .1%". Artinya,
95 dari 100 instrumen memenuhi spesifikasi akurasi 0,1%.
Atau, 1 dari 20 instrumen tidak akan memenuhi spesifikasi,
yang mungkin sulit diverifikasi jika instrumen digunakan
sebagai standar kalibrasi. Seringkali batas kepercayaan
didasarkan pada sampel statistik.
Root Sum of the Squares (RSS) atau Root Mean
Square (RMS) - Metode statistik lain menggunakan jumlah
akar kuadrat (RSS) atau root mean square (RMS). Dalam
metode ini (RSS dan RMS), perangkat menjalani pengujian
63
dan kalibrasi dan pengukuran nonlinier (n), histeresis (h),
dan non-pengulangan (r) dilakukan. Selanjutnya,
pengukuran nonlinier (n), histeresis (h), dan non
pengulangan (r) dikuadratkan. Jika n, h, dan r masing-
masing 0,1%, kuadrat masing-masing adalah 0,01%. Jumlah
kuadrat adalah 0,03%, sedangkan jumlah akar kuadrat (RSS)
adalah 0,17%. Meskipun terdapat berbagai cara untuk
merepresentasikan spesifikasi akurasi, akurasi sebenarnya
tetap sama.
Dengan kata lain, satu instrumen mungkin memiliki
teknik penjumlahan aljabar yang menunjukkan akurasi
0,3%, sedangkan instrumen lain menunjukkan akurasi
0,17% dengan menggunakan metode RSS. Sebagai contoh
RSS = (n2 + h2 + r2) 1/2
Jika n = h = r = 0.1, maka (n2 + h2 + r2) = 0.03 dan RSS = 0.17
Perhatikan bahwa jumlah akar dari kuadrat dan
metode batas kepercayaan dianggap oleh beberapa
pengguna industri sebagai spesifikasi instrumen tekanan
yang dapat diterima untuk aplikasi nonkritis. Karena
spesifikasi bukanlah spesifikasi kasus terburuk, perangkat
yang ditentukan dengan menggunakan jumlah akar kuadrat
64
dan batas keyakinan umumnya tidak dapat diterima untuk
kebutuhan pengujian dan kalibrasi.
Dalam contoh ini, kedua instrumen memiliki akurasi
yang sama. Contoh data diulangi pada Gambar 18.
Gambar 18. Perbandingan Metode Statistik
3.3. Pertimbangan Keamanan
Saat mengevaluasi instrumen tekanan,
pertimbangan keselamatan meliputi:
• Persyaratan lokasi berbahaya (Hazardous Area)
• Peringkat tekanan berlebih (Overpressure Ratings)
• Pemilihan cairan isi (Fill Fluid)
• Persyaratan aplikasi khusus
• Persyaratan fitur keamanan perangkat
• Konfigurasi Failsafe
65
Persyaratan Lokasi Berbahaya
Apakah perangkat digunakan di lokasi berbahaya atau tidak
mengharuskan perangkat memenuhi kriteria kelistrikan
tertentu.
Isi Pilihan Cairan
Beberapa instrumen tekanan mungkin memerlukan,
sebagai bagian dari desain instrumennya, mengisi cairan
untuk merasakan tekanan dengan benar. Selain meninjau
apakah fluida pengisi yang dipilih kompatibel dengan
aplikasi proses, teknisi juga harus meninjau apakah fluida
pengisi berpotensi mewakili bahaya keselamatan jika
terjadi kecelakaan. Cairan pengisi cair, seperti silikon
standar, dapat bereaksi keras dengan oksigen atau klorin
basah jika terjadi kebocoran. Cairan pengisi yang lebih
aman, seperti Fluorolube, dapat dipesan dengan biaya
tambahan.
Pabrikan sering merancang perangkat tekanan
untuk menahan tekanan di atas tekanan rata-rata (rated),
dan bahkan dapat mengujinya hingga 1 1/2 kali tekanan
rata-rata; Namun, margin keamanan ekstra itu tidak boleh
66
diandalkan. Instrumen tekanan tidak boleh diberi tekanan
melebihi tekanan operasi rata-ratanya.
Persyaratan Aplikasi Khusus
Aplikasi yang menuntut mungkin memerlukan instrumen
tekanan yang dirancang untuk aplikasi spesifik tersebut.
Misalnya, aplikasi oksigen memerlukan Pressure
Transmitter yang diidentifikasi secara khusus untuk layanan
tersebut karena aplikasi tersebut sangat mudah terbakar.
Pemancar dibersihkan oleh vendor untuk menghilangkan
kontaminan. Kebersihan pemancar harus dijaga oleh
pengguna akhir dan tidak terkontaminasi oleh personel
yang tidak berpengalaman.
Persyaratan Fitur Keamanan Perangkat
Beberapa perusahaan minyak dan gas mempersyaratkan
fitur keamanan perangkat instrumentasi dalam desain
mereka. Seperti pengukur tekanan (Pressure Gauge)
memiliki opsi seperti blowout backs dan Rupture Disk untuk
mencegah kaca pengukur meledak ke arah personel
operasi.
67
Konfigurasi Failsafe
Perangkat tekanan, seperti pemancar berbasis
mikroprosesor, mengizinkan insinyur untuk
mengkonfigurasi jenis sinyal apa yang akan dikirim ke
pengontrol jika sinyal penginderaan dianggap buruk atau
tidak dapat diandalkan.
3.4. Metalurgi
Pertimbangan metalurgi yang mempengaruhi
pemilihan perangkat adalah sebagai berikut:
• Kompatibilitas logam dengan media proses
• Kepatuhan terhadap NACE MR-01-75
Kompatibilitas Logam dengan Media Proses
Alat pengukur tekanan umumnya menggunakan baja tahan
karat untuk apa yang disebut bagian "basah" (yaitu, bagian
yang bersentuhan dengan fluida proses). Baja tahan karat
cenderung dapat diterima dalam banyak kasus; namun,
tidak semua perangkat mengisolasi sensor dari fluida
proses. Gambar 19 mencantumkan contoh kompatibilitas
68
logam dengan sangat singkat; vendor menyediakan daftar
yang lebih rinci. Teknisi harus berkonsultasi dengan ANSI
B40.1 untuk panduan tambahan tentang kompatibilitas
logam. Pada akhirnya, insinyur bertanggung jawab untuk
memilih logam yang kompatibel.
Gambar 19. Contoh Kompatibilitas Material
Kepatuhan terhadap NACE MR-01-75
Salah satu standar industri yang berlaku untuk instrumen
pengukuran tekanan adalah NACE MR-01-75. Bagian
selanjutnya membahas NACE MR-01-75 dalam istilah
berikut:
69
• Tujuan NACE dan NACE MR-01-75
• Apa yang dimaksud dengan stress cracking sulfida?
• Batasan NACE MR-01-75
• Contoh kategori NACE MR-01-75
Tujuan NACE dan NACE MR-01-75 - MR-01-75
standar mencantumkan persyaratan logam untuk
ketahanan terhadap retak tegangan sulfida. Standar ini
diterbitkan oleh National Association of Corrosion
Engineers (NACE). NACE adalah organisasi di seluruh dunia
yang mempelajari korosi dan terutama memperhatikan
perlindungan bahan yang digunakan dalam produksi
minyak bumi, pemurnian, jalur pipa (fokus aslinya), dan
industri proses lainnya. Penting untuk dicatat bahwa MR-
01-75 standar hanya mencakup persyaratan logam untuk
ketahanan terhadap retak tegangan sulfida (SSC).
Bahan dan bentuk korosi lainnya tidak ditangani.
Meskipun tujuan awalnya adalah untuk produksi
hidrokarbon dan peralatan pemrosesan lapangan, banyak
industri memerlukan bahan MR-01-75 untuk komponen
dalam aplikasi asam. Sebagai aturan umum, sebagian besar
70
vendor instrumen, saat memperkenalkan produk baru,
mematuhi NACE MR-01-75.
Apa itu Perengkahan Stres (Stress Cracking) Sulfida?
- Retak tegangan sulfida mengacu pada rekahan logam
sebagai respons terhadap tekanan (atau lebih tepatnya,
tegangan tarik) dan fluida korosif. Semua logam, termasuk
emas, rentan terhadap retak korosi tegangan di lingkungan
tertentu. Misalnya, baja tahan karat akan retak dalam
medium klorida tetapi tidak dalam medium amonia.
Kuningan akan retak dalam media amonia tetapi tidak
dalam media klorida. Jika sulfida (seperti H2S) ada dalam
fluida, karbon dan baja paduan rendah rentan terhadap
retak tegangan sulfida.
Retak tegangan sulfida terjadi tanpa indikasi
peringatan yang terlihat dan terkadang tanpa tanda-tanda
korosi sama sekali. Karena korosi terjadi di lingkungan
asam, hidrogen bebas terbentuk yang berdifusi ke dalam
logam. Struktur kristal logam menjadi rapuh. Jika
konsentrasi terjadi di sepanjang area stres, retakan dapat
terjadi.
71
Ketika suhu antara 20 ° F dan 120 ° F, retak tegangan
sulfida paling parah. Di bawah 20 ° F, konsentrasi kritis
hidrogen tidak mungkin terjadi karena laju difusi hidrogen
rendah. Di atas 120 ° F, hidrogen melewati material dengan
cepat karena laju difusi hidrogen tinggi. Di atas 120 ° F
bentuk lain dari retak korosi tegangan dapat terjadi, seperti
retak tegangan klorida di sumur asam.
Batasan NACE MR-01-75 - NACE tidak meninjau
prosedur manufaktur vendor, juga tidak mengeluarkan
sertifikasi kepatuhan. MR-01-75 bukanlah standar desain.
MR-01-75 tidak memberi tahu insinyur instrumen saat
persyaratannya berlaku; namun, standar tersebut
memberikan panduan kepada insinyur instrumen tentang
hubungan antara tekanan dan hidrogen sulfida untuk gas
asam dan minyak asam multiphase. Gambaran dari daerah
gas asam ditunjukkan pada Gambar 20 (lihat NACE MR-01-
75 untuk penjelasan yang lebih rinci).
72
Gambar 20. Wilayah Gas Asam
Gambar 21. Contoh Kategori NACE
73
Contoh Kategori NACE MR-01-75 - Daftar singkat
bahan yang memenuhi NACE MR-01-75 muncul di Gambar
21. Pengguna sering mengacu pada standar MR-01-75 saat
mengevaluasi instrumen yang diterapkan dalam
pengukuran gas asam bertekanan tinggi.
3.5. Pertimbangan Instalasi
Perubahan suhu, guncangan, getaran, dan
penggunaan sehari-hari menyebabkan sifat listrik dan fisik
berubah. Perubahan sifat listrik dan fisik pada akhirnya
mempengaruhi kesalahan dan penyimpangan instrumen
tekanan. Selain itu, teknologi instrumen tekanan (seperti
pengukur regangan, kapasitansi, dan resonansi) mungkin
memiliki batas kemampuannya untuk menahan tekanan
dan suhu ekstrem, getaran, dan gangguan listrik.
Untungnya, kemajuan teknologi dalam material dan
metode manufaktur telah menghasilkan kapabilitas yang
lebih baik.
Terlepas dari kemajuan teknologi ini, dalam
pengukuran tekanan dan sistem kontrol, cara instrumen
berinteraksi dengan proses merupakan pertimbangan
74
utama untuk mencapai operasi yang andal. Pertimbangan
instalasi ini diringkas dalam Gambar 22. Insinyur instrumen
didorong untuk meninjau pertimbangan ini, serta
Rekomendasi Praktik (RP) 551 American Petroleum
Institute (API), Bagian 4.2, untuk pertimbangan instalasi
tambahan.
Gambar 22. Referensi Instalasi Pengukuran Tekanan
75
3.6. Perawatan dan Kalibrasi
Pertimbangan pemeliharaan dan kalibrasi yang
berkaitan dengan pemilihan instrumen pengukuran
tekanan dijelaskan dalam istilah berikut:
• Pendekatan pemeliharaan umum
• Pendekatan kalibrasi tipikal
Pendekatan Perawatan Umum
Pemeliharaan preventif pada instrumen tekanan mencakup
tugas - tugas pemeliharaan seperti pemeriksaan
penyimpangan nol dan bentang. Sistem pengukuran
tekanan dapat diperiksa untuk kebocoran, korosi, penuaan,
dan kerusakan. Selain itu, instrumen berbasis
mikroprosesor menyediakan diagnostik mandiri,
membantu memudahkan upaya pemeliharaan.
Panduan pengguna instrumen tekanan
menjelaskan prosedur perbaikan. Perbaikan umum pada
perangkat pengukur tekanan termasuk mengganti segel O-
ring yang bocor, mengganti modul sensor yang rusak
(disebabkan oleh kegagalan atau operasi tekanan berlebih),
atau mengganti modul elektronik yang rusak.
76
Pendekatan Kalibrasi Tipikal
Pendekatan kalibrasi dijelaskan sebagai berikut:
• Prosedur kalibrasi umum
• Jenis peralatan kalibrasi
Prosedur Kalibrasi Umum - Kalibrasi yang tepat paling
baik dilakukan dengan mengikuti prosedur yang
direkomendasikan vendor. Sebagai gambaran umum,
prosedurnya biasanya meliputi:
• Uji dan hilangkan semua kebocoran sebelum
mengkalibrasi perangkat pengukur tekanan.
• Bersihkan semua cairan dari sistem pengukuran
tekanan sebelum kalibrasi.
• Untuk menghindari efek suhu pada pemancar,
jangan tiup melalui saluran pembuangan dan katup
ventilasi pemancar. Blowdown melalui perpipaan
impuls pada titik di dekat koneksi proses tap.
• Gunakan peralatan kalibrasi yang dapat diterima,
yang berarti keakuratan peralatan kalibrasi harus
lebih besar dari pada sistem pengukuran tekanan.
77
• Lakukan penyesuaian nol, rentang, dan linieritas
mengikuti prosedur kalibrasi vendor. Perhatikan
bahwa linieritas disesuaikan pada satu titik saja dan
diperiksa pada titik lain.
• Penyesuaian redaman mungkin diperlukan.
Faktor tambahan yang berkontribusi pada kalibrasi
yang berhasil mencakup kalibrasi pada suhu, pada tekanan
saluran statis, dan jika perlu, mengatur ulang pemancar.
Jenis Peralatan Kalibrasi - Umumnya kalibrasi dilakukan
melalui dua jenis peralatan kalibrasi:
• Pengukur digital elektronik, yang digunakan untuk
membandingkan tekanan dengan standar tekanan
elektronik; ketertelusuran dapat diminta.
• Penguji bobot mati (deadweight tester), yang
digunakan untuk membandingkan tekanan untuk
mengetahui standar tekanan secara akurat;
ketertelusuran dapat diminta.
Pendekatan industri untuk kalibrasi instrumen
tekanan selalu memerlukan peralatan kalibrasi yang
memiliki akurasi pengukuran tekanan lebih dari 2 hingga 10
78
kali lebih besar daripada perangkat yang sedang dikalibrasi.
Penguji bobot mati digunakan dalam kondisi yang
ditemukan dan dalam kondisi terkalibrasi. Penguji bobot
mati cenderung menjadi metode kalibrasi yang disukai
karena alasan berikut:
• Penguji bobot mati sangat akurat hingga 0,025%
membaca.
• Penguji bobot mati mudah digunakan.
• Kesalahan suhu sekitar dari penguji bobot mati
kecil, serendah 0,01% untuk perubahan 10 ° F.
• Tekanan dikontrol selama kalibrasi dan tidak
disegel, yang berarti kebocoran kecil tidak
menyebabkan kesalahan besar.
• Rentang 0,01 hingga lebih dari 10.000 psig.
79
Gambar 23. Deadweight Tester
3.7. Kompatibilitas dengan Instrumentasi Proses yang
Ada
Perangkat pengukuran proses harus kompatibel
dengan instrumentasi proses yang ada. Instrumentasi
pengukuran proses lain yang ada termasuk pengontrol,
perekam, pencatat data, peralatan pengujian dan kalibrasi,
pengukur panel digital, dan antarmuka komputer. Saat
mengevaluasi apakah perangkat pengukur tekanan
kompatibel, pengguna meninjau perangkat tersebut
• Jenis sinyal keluaran
• Pertimbangan catu daya dan kabel
• Tujuan penggunaan sinyal keluaran
Jenis Sinyal Keluaran
Keluaran perangkat pengukur tekanan harus kompatibel
dengan kisaran masukan dari instrumen penerima sinyal.
Perangkat pengukur tekanan memiliki beberapa jenis
keluaran - milivolt (mV), volt (V), milliamps (mA), protokol
80
digital berpemilik (Hart, Honeywell DE), dan jenis mekanis
(PSI).
Pertimbangan Catu Daya dan Kabel
Pertimbangan catu daya dan kabel mencakup berapa
banyak perangkat pengukuran proses yang diberi daya,
berapa banyak perangkat penerima yang merasakan sinyal
output, dan apakah beberapa perangkat pengukuran
tekanan mengirimkan sinyal ke satu instrumen.
Tujuan Penggunaan Sinyal Output
Meninjau tujuan penggunaan sinyal keluaran termasuk
menentukan apakah perangkat penerima dapat
menampilkan sinyal atau tidak. Misalnya, apakah perangkat
penerima memiliki penguatan dan sensitivitas yang cukup
untuk sinyal? Haruskah sinyal itu dikhawatirkan? Meninjau
tujuan penggunaan sinyal keluaran termasuk menentukan
apakah nilai proses yang diwakili oleh sinyal keluaran harus
disimpan untuk tujuan historis.
81
3.8. Pertimbangan Ekonomi
Pertimbangan ekonomis yang mempengaruhi pemilihan
instrumen pengukuran tekanan meliputi:
• Kategori biaya instrumen
• Biaya kepemilikan
• Pertimbangan biaya umum
Kategori Biaya Instrumen
Terkadang, pengguna membagi instrumen pengukur
tekanan yang tersedia menjadi tiga kategori atau lebih.
Untuk tujuan diskusi ini, ada tiga kategori
• Biaya rendah
• Konvensional
• Berbasis mikroprosesor
Biaya Rendah - Instrumen pengukuran tekanan dalam
kategori ini memberikan pengukuran tekanan yang andal
dengan biaya rendah dan memiliki akurasi dan
fungsionalitas minimum. Karena biayanya yang rendah
dapat berarti bahwa perbaikan potensial tidak hemat biaya,
perangkat tersebut dianggap sebagai perangkat "sekali
pakai".
82
Konvensional - Instrumen pengukuran tekanan
dalam kategori ini memberikan output standar 4 mA hingga
20 mA dan memiliki akurasi dan fungsionalitas yang
memadai.
Berbasis mikroprosesor - Instrumen pengukuran tekanan
dalam kategori ini memberikan peningkatan akurasi dan
kompensasi.
Biaya Kepemilikan
Selain harga pembelian awal instrumen pengukur tekanan,
teknisi dapat mempertimbangkan biaya kepemilikan
perangkat. Biaya kepemilikan mencerminkan biaya siklus
hidup suatu produk. Biaya kepemilikan meliputi:
• Keandalan
• Filosofi perbaikan
• Biaya operasional
Reliabilitas - Terjadinya kegagalan dan aktivitas
drift, bersama dengan data pengalaman atau waktu rata-
rata antara spesifikasi kegagalan (MTBF), menentukan
keandalan. Tidak jarang melihat spesifikasi MTBF lebih dari
83
seratus tahun. Dalam hal ini, data pengalaman ditinjau jika
datanya tersedia.
Filosofi Perbaikan - Filosofi perbaikan mencakup apakah
perangkat diperbaiki ke level sensor atau papan sirkuit
versus mengganti perangkat yang rusak.
Biaya Pengoperasian - Menghitung total biaya
operasi dapat mencakup pemeliharaan perangkat itu
sendiri, bersama dengan pengaruhnya terhadap kinerja
putaran proses.
Pertimbangan Biaya Umum
Daftar umum pertimbangan biaya berguna untuk ditinjau
saat mengevaluasi perangkat pengukur tekanan.
• Apakah akurasi dan stabilitas penting?
• Apakah perangkat mudah diakses?
• Apakah pemasangan langsung dimungkinkan? Jika
ya, perangkat konvensional mungkin cocok.
• Dapatkah perangkat (seperti Pressure Transmitter)
memenuhi lebih dari satu kebutuhan aplikasi?
• Apa filosofi perbaikan pabrik?
• Apakah pabrikan memiliki reputasi dalam kualitas?
84
• Apakah keahlian teknis tersedia untuk
mengimplementasikan perangkat?
• Apakah masalah kompatibilitas menunjukkan biaya
tambahan?
3.9. Arahan Teknis
Petunjuk teknis yang mempengaruhi pemilihan pengukuran
tekanan dijelaskan dalam istilah berikut:
• Perbaikan dalam pembuatan sensor
• Tren ke perangkat yang lebih kecil
• Teknologi fieldbus
Perbaikan dalam Manufaktur Sensor
Desain sensor tekanan memiliki tujuan yang sangat rendah
dari kesalahan yang tidak dapat diperbaiki dan stabilitas
jangka panjang. Kesalahan, yang saat ini diperbaiki oleh
mikroprosesor, diminimalkan dengan teknik manufaktur
tingkat lanjut dan penggunaan bahan sensor baru. Bahan
elastis yang digunakan dalam sensor tekanan termasuk
silikon, keramik, kuarsa, dan safir. Bahan elastis
memungkinkan perangkat pengukur tekanan yang memiliki
85
sedikit atau tidak ada kesalahan histeresis atau
pengulangan.
Karena silikon memiliki elastisitas dan ketahanan
lelah yang tinggi, penggunaannya dalam sensor tekanan
cukup umum. Teknologi sensor sering kali dibuat dengan
menggunakan teknologi yang disebut mesin mikro. Dalam
teknologi ini, produsen membuat beberapa perangkat
terkecil, beberapa terlihat di bawah mikroskop.
Micromachining menyediakan integrasi elektronik yang
ditingkatkan dengan ukuran dan biaya yang lebih rendah.
Teknik lain yang digunakan dalam pembuatan sensor
tekanan silikon disebut ikatan fusi silikon. Teknik ini
menyediakan sensor tekanan yang mendeteksi rentang
tekanan yang lebih rendah dengan perlindungan tekanan
berlebih bawaan.
Tren ke Perangkat yang Lebih Kecil
Sensor dan elektronik yang lebih kecil mengarah pada
pengembangan perangkat pengukur tekanan yang lebih
kecil, seperti Pressure Transmitter yang lebih kecil. Pressure
Transmitter yang lebih kecil, misalnya, menyederhanakan
86
tugas pemasangan pada penyangga pipa dan braket
pemasangan mungkin tidak diperlukan.
Teknologi Fieldbus
Standar Fieldbus, dapat memungkinkan pengguna untuk
memiliki instrumen pengukuran tekanan dalam sistem
umum dan dihubungkan ke peralatan kontrol yang
kompatibel. Instrumen berbasis mikroprosesor menjadi
lebih serbaguna. Misalnya, Pressure Transmitter diferensial
yang digunakan dalam aplikasi pengukuran tangki dapat
mencakup atau mengakses faktor koreksi tangki.
87
BAB 4 - Pengukur Gravitasi dan Sensor
Jenis Deformasi dan Switch
4.1. Pengukur Gravitasi
Kesederhanaan alat pengukur gravitasi, yang disebut
manometer, sering kali berarti bahwa perangkat tersebut
diabaikan oleh instrumentasi yang lebih mutakhir untuk
kebutuhan pengukuran tekanan. Manometer yang sangat
akurat sering digunakan dalam kalibrasi perangkat
pengukur tekanan diferensial. Selain kalibrasi, manometer
dapat digunakan untuk pemecahan masalah dan untuk
pengujian kebocoran perawatan meter.
Pada dasarnya semua manometer mengukur tekanan
diferensial, seringkali membaca perbedaan antara tekanan
statis di satu sisi versus tekanan atmosfer di sisi lain. Prinsip
pengoperasian manometer membantu seseorang
memahami konvensi pengukuran tekanan, seperti inci
kolom air.
Manometer dikategorikan sebagai berikut:
88
• Manometer tabung-U
• Manometer tabung sumur (well tube)
• Manometer miring (inclined)
Manometer U-tube
Manometer paling sederhana dan paling umum adalah
manometer tabung-U (Gambar 24), dinamakan demikian
karena plastik berisi cairan atau tabung berbentuk U yang
fleksibel digunakan untuk mengukur tekanan. Manometer
tabung-U dapat digunakan untuk mengukur ruang hampa,
tekanan diferensial, atau tekanan pengukur, terutama
tekanan udara rendah. Satuan ukur yang biasa digunakan
dalam manometer adalah inci merkuri (in. Hg) bila merkuri
adalah fluida pengisi kolom, dan inci kolom air (dalam. H2O
W.C.) bila air atau minyak adalah fluida pengisi kolom.
Manometer tabung-U adalah standar untuk tekanan antara
0,1 in. H2O hingga 100 psig.
Prinsip - Karena tekanan didefinisikan sebagai gaya
per satuan luas, maka cara yang akurat untuk mengukur
tekanan adalah dengan menyeimbangkan kolom cairan
dengan berat yang diketahui terhadap tekanan yang diukur,
89
kemudian mengukur perubahan ketinggian kolom cairan
seimbang. Semua manometer beroperasi dengan Prinsip
Neraca Hidrostatis (juga disebut "prinsip cairan berdiri").
Prinsip Neraca Hidrostatis menyatakan bahwa kolom cairan
dengan ketinggian yang diketahui memberikan gaya yang
diketahui, ketika berat per satuan volume cairan diketahui.
Jika gaya dalam satuan berat per satuan luas, tekanan
dinyatakan dalam psi atau kg / cm2. Prinsip Neraca
Hidrostatis mengarah pada pengembangan manometer
tabung-U, yang darinya semua manometer lainnya
dikembangkan.
Pada Gambar 24A, manometer tabung-U diisi
setengahnya dengan cairan. Jika kedua ujung tabung
terbuka ke atmosfer, keseimbangan cairan pada ketinggian
yang sama. Pada Gambar 24B, tekanan positif diterapkan
pada satu sisi tabung-U. Tekanan memaksa cairan turun di
sisi kaki itu dan memaksa cairan naik di kaki lainnya.
Perbedaan ketinggian, yang merupakan penjumlahan dari
pembacaan di atas dan di bawah referensi nol,
menunjukkan tekanan.
90
Selanjutnya, pertimbangkan apa yang terjadi ketika
ruang hampa diterapkan pada satu sisi kaki (Gambar 24C).
Seperti yang Anda duga, cairan naik di satu sisi U-tube,
sementara jatuh di sisi lain. Sekali lagi, tekanan di atas dan
di bawah referensi nol menunjukkan tekanan yang, dalam
hal ini, adalah jumlah vakum.
Gambar 24. U-Tube Manometer
Desain - Manometer tabung-U awalnya dibuat
dengan menggunakan kaca Pyrex yang tahan tekanan
tinggi, tetapi karena masalah kerusakan dan risiko
akibatnya personel keluar dari cairan pengisi beracun,
bahan tabung telah berubah. Tubing biasanya terbuat dari
plastik butirat yang tahan pecah. Manometer lainnya terdiri
91
dari pipa yang dibor ke dalam plastik akrilik tebal 1 inci yang
tahan pecah. Selain itu, beberapa manometer sekarang
menyediakan perangkap pengaman tekanan berlebih jika
terjadi lonjakan yang menyebabkan cairan segel meluap.
Kinerja - Meskipun akurasi manometer mendekati
100%, instruksi dari pabriknya harus diikuti untuk mencapai
pengukuran yang sangat akurat. Pertimbangan umum
berikut juga berlaku:
• Karakteristik fluida pengisi - Keakuratan bergantung
pada pengetahuan berat jenis fluida pengisi.
Gravitasi spesifik fluida pengisi juga mempengaruhi
rentang operasi manometer.
• Perataan - Pembacaan yang akurat mengharuskan
manometer sejajar. Manometer biasanya memiliki
kemampuan penyesuaian level.
Jelasnya, pengukuran bergantung pada pembacaan
manusia terhadap tinggi kolom cairan. Untuk menggunakan
manometer apa pun dengan benar, pembacaan meniskus
yang tepat (Gambar 25) diperlukan. Meniskus berperilaku
berbeda di manometer, tergantung pada cairan pengisi
92
yang ada di kolom. Air, misalnya, membasahi gelas dan
menyebabkan meniskus berbentuk cekung. Merkuri tidak
membasahi kaca sehingga meniskus berbentuk cembung.
Selain itu, personel harus membaca meniskus dari garis
pandang tegak lurus ke kolom fluida untuk menghilangkan
kesalahan paralaks.
Gambar 25. Contoh Meniskus
Pertimbangan pemasangan untuk mencapai
performa terbaik meliputi:
• Manometer harus dipasang dengan tegak lurus.
• Manometer harus tetap bersih.
• Diperlukan cairan pengisi yang benar.
• Tabung lubang yang lebih besar dapat
menghasilkan meniskus yang lebih rata.
93
Aplikasi - Karena keakuratannya yang melekat,
manometer sering kali digunakan sebagai standar kalibrasi.
Manometer juga cocok untuk aplikasi itu
• Ukur kecepatan dan tekanan statis
• Mendeteksi kebocoran flowmeter
• Tentukan efisiensi kipas dan blower
• Ukur tekanan gas
Manometer dapat digunakan untuk kalibrasi meter
orifice (Gambar 26). Selama kalibrasi, tekanan diterapkan
ke manometer melalui penggunaan rakitan bola tekanan.
Meteran kemudian diperiksa di seluruh rentangnya.
Perhatikan bahwa kisaran instrumen yang dikalibrasi harus
berada dalam batas praktis manometer. Metode ini bukan
untuk kalibrasi pelat orifice sebagai elemen pengukuran
aliran utama.
Tugas pemeliharaan lainnya termasuk
menggunakan manometer untuk memeriksa meteran gas
secara berkala, seperti meter perpindahan positif besar. Uji
kebocoran dan pemeriksaan penurunan tekanan dapat
menggunakan manometer miring. Contoh aplikasi
tambahan mencakup indikasi rancangan boiler dan tungku,
94
uji kebocoran pipa gas dengan manometer portabel, serta
kalibrasi regulator tekanan rendah.
Gambar 26. Kalibrasi Orifice Meter
Manometer dengan air sebagai fluida pengisi tidak
terlalu praktis untuk pengukuran dan kalibrasi lapangan
karena manometer dengan rentang kolom air 100 inci
berarti bahwa skala harus setinggi 2,5 meter (8 kaki) atau
lebih. Cairan pengisi yang lebih berat seperti merkuri, yang
13,6 kali berat jenis air, kemudian digunakan. Sementara
merkuri mengurangi kerak dengan faktor 13,6 sampai 20
cm (8 inci), resolusi dan akurasi kerak juga berkurang.
95
Akurasi khas untuk manometer berisi merkuri pada skala ini
adalah kolom air 0,6 cm (0,25 inci).
Jenis Manometer Lainnya
Jenis manometer lainnya termasuk jenis sumur, miring, dan
mikromanometer. Sementara mikromanometer dapat
mengukur hingga 0,001 inci air, pembahasan berikut
berfokus pada tabung-J dan manometer miring.
Manometer tabung-J atau sumur (Gambar 27)
mengatasi persyaratan pembacaan tekanan di dua lokasi
berbeda. Di satu sisi J-tubing, dinamakan demikian karena
bentuknya seperti huruf “J”, adalah sumur atau reservoir
yang berisi cairan. Perhatikan bahwa sumur cukup besar
untuk membuat efek perubahan tekanan dapat diabaikan,
atau skala dikompensasi untuk perubahan tekanan. Ketika
terjadi perubahan tekanan, level sumur turun sedikit,
sedangkan level dalam tabung penunjuk naik secara
substansial. Personil kemudian mengambil pembacaan
tekanan dari tabung penunjuk.
96
Gambar 27. J-Tube Manometer
Manometer miring adalah manometer tipe baik
yang memiliki tabung penunjuk miring (Gambar 28).
Tabung miring meningkatkan keterbacaan dan kepekaan
karena perbedaan tekanan sekarang menyebabkan
gerakan linier yang lebih besar di sepanjang tabung miring.
Perhatikan bahwa personel yang membaca meniskus
dengan manometer miring harus sangat berhati-hati untuk
menghindari kesalahan paralaks yang disebabkan oleh
kemiringan tabung.
97
Gambar 28. Manometer Miring
4.2. Tinjauan Koreksi
Meskipun semua manometer memiliki desain yang
sederhana, orang harus mengetahui faktor koreksi yang
memengaruhi keakuratannya. Prinsip Neraca Hidrostatis -
kolom cairan dengan ketinggian yang diketahui
menggunakan gaya yang diketahui, ketika berat per satuan
volume cairan diketahui - tampaknya cukup jelas, jika tinggi,
berat, dan gaya "diketahui". Karena manometer menangani
pengukuran yang tepat, faktor koreksi ini harus
98
diperhitungkan, meskipun dalam praktiknya cenderung
sangat kecil.
Untuk menginterpretasikan secara tepat
pengukuran tekanan yang digunakan sebagai standar,
koreksi harus diterapkan. Faktor koreksi dapat diperoleh
dari publikasi National Institute of Standards and
Technology (NIST) AS "Mercury Barometers and
Manometers" atau dari vendor manometer. Idealnya,
faktor koreksi ini harus tersedia di departemen pengukuran
pabrik. Untuk menentukan apakah faktor koreksi berlaku,
pendekatan industri adalah dengan mengambil beberapa
bacaan dan kemudian melihat bagaimana mereka akan
dipengaruhi oleh faktor koreksi. Faktor-faktor tersebut
meliputi:
• Berat dan suhu tertentu
• Koreksi gravitasi
• Koreksi hidrolik
• Koreksi kapiler
Koreksi Berat dan Suhu Spesifik tersedia untuk perbedaan
berat fluida pengisi yang disebabkan oleh gravitasi.
99
Koreksi Gravitasi - Jika nilai gravitasi lokal berbeda
karena variasi garis lintang atau ketinggian, faktor koreksi
gravitasi lokal akan diterapkan.
Koreksi Hidraulik - Koreksi hidraulik adalah faktor
koreksi terpenting. Faktor koreksi hidraulik membahas
berat dan tinggi spesifik relatif dari cairan di manometer.
Faktor Koreksi Kapiler didasarkan pada fisika gaya kohesif
dominan yang mendorong meniskus ke posisi cekung ke
bawah.
Vendor menyediakan tabel untuk faktor koreksi yang
disebutkan sebelumnya. Tabel digunakan saat pembacaan
manometer yang sangat akurat diperlukan. Dari sudut
pandang praktis, faktor koreksi jarang digunakan. Saat
menggunakan manometer, lebih penting untuk selalu
membaca meniskus dengan benar.
4.3. Sensor dan Switch Tipe Deformasi
Sensor dan switch tipe deformasi mewakili kelas
perangkat yang mengandalkan beberapa bentuk elemen
penginderaan tekanan yang bentuknya berubah karena
perubahan tekanan. Karena sensor deformasi sering
100
digunakan sebagai sensor dalam instrumen tekanan seperti
pengukur, switch, pemancar (berbasis pneumatik,
elektronik, dan mikroprosesor), pemahaman tentang
sensor memberi insinyur latar belakang yang lebih tepat
dalam membuat pemilihan instrumen. Elemen
penginderaan tekanan yang umum meliputi:
• Tabung Bourdon
• Bellow
• Diafragma
Bourdon Tube
Fungsi tabung Bourdon dijelaskan dalam istilah berikut:
• Prinsip operasi
• Penggunaan sebagai elemen utama dalam
pengukur tekanan
• Keuntungan dan kerugian dari tabung Bourdon
• Bahan konstruksi tabung Bourdon
Prinsip Pengoperasian - Tabung Bourdon (Gambar
29) adalah tabung melengkung dengan penampang elips
tertutup di salah satu ujungnya. Tabung lengkung mencoba
untuk meluruskan saat mengalami tekanan bagian dalam,
101
sehingga mengubah gaya menjadi perpindahan.
Perpindahan ini menyebabkan sebuah penunjuk bergerak
sepanjang skala bertingkat untuk menunjukkan tekanan.
Sebuah tabung Bourdon ditutup di salah satu ujungnya,
dengan penampang dalam yang bukan merupakan
lingkaran sempurna.
Gambar 29. Prinsip Kerja Tabung Bourdon
Penggunaan sebagai Elemen Utama dalam
Pengukur Tekanan - Tabung Bourdon digunakan sebagai
elemen utama dalam elemen pengukur tekanan; contoh
umum adalah penggunaan tabung di dalam pengukur
102
tekanan yang sudah dikenal. Karena tabung Bourdon
merespons perbedaan tekanan antara bagian dalam dan
luar tabung, mereka terutama mengukur tekanan
pengukur. Dimungkinkan untuk membeli pengukur tekanan
yang mengukur tekanan absolut. Pengukur tekanan absolut
terdiri dari dua pengukur dalam satu wadah - pengukur
tekanan dan pengukur referensi yang benar-benar
dievakuasi dan disegel. Kedua pengukur dihubungkan
dengan hubungan rasio yang mengkompensasi perubahan
tekanan barometrik.
Keuntungan dan Kerugian Tabung Bourdon -
Keuntungan tabung Bourdon meliputi yang berikut:
• Tabung Bourdon tersedia dalam berbagai rentang
tekanan.
• Tabung Bourdon berkinerja terbukti dan cocok
untuk banyak aplikasi tekanan.
• Tabung Bourdon memiliki akurasi yang baik.
Kerugian dari tabung Bourdon meliputi:
• Getaran dan guncangan bisa berbahaya bagi
hubungan mekanis tabung Bourdon.
103
• Tabung Bourdon rentan terhadap histeresis seiring
bertambahnya usia.
Konstruksi Bahan Tabung Bourdon - Meskipun
teknologi tabung Bourdon telah dikenal selama lebih dari
seratus tahun, kemajuan ilmu pengetahuan berkontribusi
pada teknologi tabung. Tabung Bourdon secara umum
memiliki akurasi yang baik, tetapi bukan perangkat yang
sangat akurat karena gradien pegas tabung terlalu rendah
untuk pengukuran presisi. Tabung Bourdon yang dibuat
dalam tabung tanpa sambungan dari tembaga berilium dan
paduan nikel cenderung memiliki akurasi terbaik.
Konstruksi tabung Bourdon awal menggunakan
paduan tembaga yang diperkeras untuk mencapai laju
pegas linier; namun, pengerasan sensor meningkatkan
kemungkinan korosi. Pada tingkat tertentu, masalah korosi
telah dikurangi dengan konstruksi bahan tahan korosi
seperti baja tahan karat atau baja khusus seperti Hastelloy
C. Bahan seperti baja tahan karat menahan korosi dengan
membentuk lapisan kristal permukaan yang menahan
serangan korosi; Namun, bahan tersebut tidak sepenuhnya
kebal dari korosi. Ketika tabung Bourdon melengkung
104
karena tekanan, lama kelamaan beberapa kristal pelindung
terlepas dari permukaan tabung, yang akhirnya
menyebabkan korosi. Dalam pengukuran yang sangat
korosif, tabung Bourdon membutuhkan segel kimia.
Selanjutnya, pertimbangkan hubungan tabung
Bourdon dan diameter pengukur tekanan dengan
spesifikasi akurasi. Pengukur berdiameter lebih kecil
cenderung lebih akurat. Akurasi pengukur tekanan tertentu
dapat dipengaruhi oleh diameter elemen pengukur
(Gambar 30).
Gambar 30. Akurasi Tabung Bourdon
105
Evaluasi Tipikal - Pengukur tekanan industri berkisar
dalam diameter case dari sekitar 1,5 hingga 12 inci. Namun,
sebagian besar adalah 2,5 masuk ke 4,5 inci. Tren di pabrik
industri yang khas adalah melakukan standarisasi
penggunaan pengukur diameter 4,5 inci jika pemasangan
mengizinkan ukuran tersebut. Pendekatan industri yang
khas adalah mengevaluasi alat ukur berdasarkan
keterbacaan dan kemampuannya untuk memenuhi
persyaratan akurasi proses. Tekanan operasi normal harus
antara 30% dan 70% dari rentang skala. Layanan getar
merobek sektor meshing dan roda gigi pinion. Salah satu
cara untuk meminimalkan fenomena tersebut adalah
dengan mengisi casing dengan minyak atau gliserin. Cairan
case bertindak untuk meredam pulsasi.
Bellows
Fungsionalitas sensor bellow dijelaskan dalam istilah
berikut:
• Prinsip operasi
• Contoh aplikasi sensor bellow
• Keuntungan dan kerugian dari sensor bellow
106
Gambar 31. Prinsip Kerja Bellows
Prinsip Pengoperasian - Sensor bellow terdiri dari
satu bagian tabung logam berdinding tipis yang memiliki
lipatan atau lilitan (Gambar 31). Perubahan tekanan yang
meningkat atau menurun menyebabkan struktur ini
mengembang atau runtuh. Bellow, ketika mengembang
atau runtuh, menghasilkan perpindahan yang lebih besar
dengan tekanan daripada salah satu elemen elastis atau
107
tabung Bourdon. Karena perpindahan yang lebih besar,
bellow memiliki kepekaan yang lebih besar terhadap
perubahan tekanan daripada sensor deformasi lainnya.
Contoh Aplikasi Sensor Bellow - Sensor bellow
cenderung digunakan dalam layanan tekanan rendah dan
tekanan diferensial. Sensor bellow ditemukan di perekam
pneumatik, indikator, transduser, dan perekam. Sensor
bellow juga dapat digunakan sebagai elemen penginderaan
aliran tekanan diferensial. Indikator diferensial tipe bellow
harus disediakan untuk mengukur penurunan tekanan
untuk yang berikut (pengukur diferensial tipe tabung
Bourdon ganda tidak boleh digunakan):
• Saringan, pemisah, mixer, dan pengering
• Proses kumparan pemanas yang dibakar
• Penukar koil uap super panas
• Di mana kemungkinan kokas
• Di menara distilasi antara bagian atas dan bagian
umpan, dan antara bagian bawah dan bagian
umpan
108
• Untuk pengukuran lokal (pada kemiringan) dan
diferensial panel menara fraksinasi dan absorpsi,
kecuali untuk menara absorpsi cair-cair
Keuntungan dan Kerugian Sensor Bellow -
Kelebihan sensor bellow antara lain sebagai berikut:
• Sensor bellow memberikan sensitivitas yang lebih
baik daripada sensor lainnya.
• Sensor bellow digunakan dalam pengukuran
tekanan absolut dan diferensial.
• Sensor bellow dapat mengukur tekanan dalam
rentang tekanan rendah hingga sedang.
Kekurangan dari sensor bellow meliputi:
• Sensor bellow mungkin memerlukan kompensasi
suhu sekitar.
• Konstruksi logam pada sensor bellow dapat
mengeras seiring waktu.
• Sensor bellow bergantung pada mekanisme pegas
untuk karakterisasi yang akurat.
109
Diafragma
Sensor diafragma dijelaskan dalam istilah berikut:
• Prinsip operasi
• Keuntungan dan kerugian dari sensor diafragma
Prinsip Operasi - Diafragma adalah permukaan
elastis yang menciptakan perpindahan sebagai respons
terhadap gaya yang diberikan. Diafragma terbuat dari
elastomer (seperti karet atau plastik), logam (mulai dari
kuningan hingga tantalum), dan silikon. Diafragma dibuat
sebagai cakram tipis yang fleksibel, yang membuat
diafragma peka terhadap perubahan kecil dalam tekanan.
Baik linearitas dan sensitivitas diafragma ditentukan oleh
kedalaman dan jumlah kerutan, serta sudut pembentukan
kerutan pada permukaan diafragma (Gambar 32).
Jenis diafragma khusus, yang disebut kapsul, dibentuk
dengan menggabungkan dua atau lebih diafragma. Sensor
kapsul digunakan dalam instrumen yang membuat
pengukuran tekanan absolut.
110
Gambar 32. Prinsip Kerja Diafragma
Keuntungan dan Kerugian Sensor Diafragma -
Keuntungan dari sensor diafragma meliputi:
• Sensor diafragma memiliki karakteristik rentang
yang tinggi.
• Sensor diafragma dapat digunakan dalam
pengukuran tekanan absolut dan diferensial.
• Sensor diafragma memiliki linieritas yang baik.
Kekurangan sensor diafragma meliputi:
• Sensor diafragma mungkin sulit diperbaiki.
111
• Dalam banyak aplikasi tekanan, fluida proses tidak
boleh menyentuh diafragma karena alasan berikut:
❖ Kesalahan dapat terjadi karena efek tekanan
statis.
❖ Elemen korosif dapat merusak atau mengotori
diafragma.
4.4. Jenis Sensor Deformasi Lainnya
Jenis sensor deformasi lainnya (Gambar 33) meliputi yang
berikut ini:
• Tabung helix
• Tabung spiral
Helix Tube - Meskipun tabung Bourdon memberikan
indikasi tekanan yang andal, ia memiliki batasan karena
pada tekanan rendah, tabung Bourdon memberikan jarak
gerakan tabung yang terbatas. Keterbatasan ini
menyebabkan berkembangnya heliks, yang pada dasarnya
merupakan tabung Bourdon yang diperpanjang dalam
bentuk kumparan heliks. Gerakan tambahan menjadi
penting untuk perangkat seperti pemancar, perekam, dan
pengontrol. Pada tekanan tinggi, perlindungannya
112
terhadap tekanan berlebih dan histeresis ternyata lebih
baik daripada perlindungan tabung Bourdon.
Gambar 33. Tabung Spiral dan Helix
Tabung spiral - Tabung spiral dapat menggunakan
housing instrumen yang lebih kompak daripada heliks,
dengan tetap mempertahankan gerakan tabung ekstra
yang tidak ditemukan dalam tabung Bourdon.
113
Gambar 34. Persyaratan Peralatan Pengukur Tekanan
Beberapa lembar data vendor telah disediakan di
Work Aids. Lembar data vendor dapat ditinjau untuk
ilustrasi dan diskusi lebih lanjut tentang item berikut ini:
• Perlindungan overrange
• Punggung ledakan
• Snubber, siphon, dan gauge saver
• Katup ventilasi dan pembuangan
114
Mengacu pada American Petroleum Institute (API)
Recommended Practice (RP) 551, Bagian 4.3, untuk diskusi
tentang pengukur tekanan dan praktik yang
direkomendasikan switch tekanan.
115
BAB 5 - Menentukan Transducer Tekanan
yang Sesuai, Gauges, dan Switch untuk
Aplikasi Industri
Meskipun sensor tekanan, seperti sensor
deformasi, dapat memberikan pengukuran tekanan,
pertimbangkan bahwa sensor tekanan deformasi itu sendiri
tidak memberikan sinyal listrik yang sesuai untuk
dihubungkan ke instrumen pengukuran tekanan lainnya.
Untuk memberikan sinyal listrik, sensor tekanan harus
menjalani kalibrasi, kompensasi, dan langkah-langkah
produksi tambahan. Hasil dari langkah-langkah ini
membentuk apa yang disebut "transduser tekanan" atau
"transduser tekanan listrik".
Ingatlah bahwa tujuan setiap transduser adalah
untuk mengubah gaya atau perpindahan yang dirasakan
menjadi sinyal yang dapat digunakan. Dalam transduser
tekanan, gaya penginderaan tekanan diubah menjadi sinyal
listrik. Transduser tekanan secara fisik terdiri dari sensor
deformasi, seperti diafragma yang merasakan gaya, dan
116
komponen listrik pasif yang dapat mengeluarkan sinyal
listrik.
Komponen listrik pasif transduser, biasanya dalam
bentuk sensor pengukur regangan, memberikan sinyal
listrik proporsional yang mewakili tekanan. Setelah
menjalani langkah kalibrasi, kompensasi, dan manufaktur,
kombinasi deformasi dan sensor komponen listrik pasif
menjadi transduser tekanan. Dengan kata lain, transduser
tekanan terdiri dari dua sensor. Dalam transduser tekanan,
sensor deformasi mewakili elemen penjumlah gaya,
sedangkan sensor pengukur regangan mewakili elemen
penginderaan gaya yang mengubah gaya menjadi sinyal
listrik proporsional. Gambar 35 merangkum hubungan
sensor deformasi tekanan dan sensor pengukur regangan
ke transduser tekanan yang dirakit.
Gambar 35. Blok Diagram Transduser
117
Transduser tekanan adalah instrumen pengukur
tekanan tersendiri. Seperti disebutkan sebelumnya dalam
modul kursus ini, transduser tekanan, jika dibandingkan
dengan Pressure Transmitter, memiliki rentang aplikasi
tekanan yang ditentukan dan sinyal keluaran yang
ditentukan (milivolt, volt, frekuensi, arus).
Istilah "transduser" dan "transduser tekanan"
sering digunakan di industri untuk mewakili berbagai
entitas atau fungsi. Misalnya, transduser tekanan yang
dijelaskan sebelumnya dapat menjadi sub-rakitan
instrumen pengukuran tekanan lain, seperti switch,
Pressure Transmitter konvensional, atau Pressure
Transmitter berbasis mikroprosesor. Seperti disebutkan
sebelumnya dalam modul ini, Pressure Transmitter itu
sendiri sering kali dijelaskan dalam beberapa dokumentasi
sebagai "transduser". Ini akan membuat orang percaya
bahwa pemancar adalah "transduser yang terdiri dari
transduser". Selanjutnya, istilah "transduser tekanan"
sering digunakan di industri untuk merujuk pada perangkat
- perangkat yang tidak dijelaskan dalam buku ini - yang
menyesuaikan posisi katup control (control valve).
118
Memang, istilah "transduser" bisa sangat membingungkan
dan harus ditafsirkan dalam konteks diskusi yang
dipresentasikannya.
Untuk membantu memperjelas terminologi,
perhatikan bahwa istilah "transduser" sering digunakan
untuk mendeskripsikan instrumen secara umum dalam
kaitannya dengan fungsi instrumen - instrumen yang
mengubah satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain
disebut transduser. Istilah "transduser tekanan", seperti
yang digunakan dalam pembahasan berikut, mengacu pada
instrumen pengukuran khusus yang digunakan untuk
mengubah variabel proses tekanan penginderaan menjadi
sinyal keluaran listrik proporsional.
Transduser tekanan ditemukan dalam pengukuran
tekanan gas dan cairan industri dan digunakan untuk
mengukur tekanan pengukur, absolut, atau diferensial.
Persyaratan transduser tekanan sebagai berikut: Dalam
pengukuran tekanan dan sistem kontrol, sarana yang
digunakan instrumen untuk berinteraksi dengan proses
merupakan pertimbangan utama untuk mencapai operasi
yang andal. Alat pengukur harus bersentuhan secara fisik
119
dengan proses tersebut, tetapi dalam beberapa kasus
tindakan pencegahan khusus harus dilakukan untuk
mencegah kerusakan pada elemen tekanan.
Transduser yang digunakan dalam aplikasi pengukuran
tekanan di industri meliputi:
• Transduser pengukur regangan (strain gauge)
• Transduser elemen potensiometri
• Transduser elemen osilasi
• Transduser pengukur piezoelektrik
• Transduser kapasitif
5.1. Transduser Strain Gauge
Transduser pengukur regangan (strain gauge)
menggunakan pengukur regangan sebagai elemen
penginderaan gaya. Pengukur regangan biasanya
digunakan untuk mengubah besaran mekanis regangan
menjadi besaran listrik dari hambatan yang berubah.
Pengukur regangan mengubah regangan dengan
mengandalkan perilaku ekspansi (tarik) atau kontraksi
(tekan) properti. Pembahasan berikut menjelaskan fungsi
transduser pengukur regangan dalam hal prinsip dan desain
120
pengukur regangan, kinerja transduser, pemasangan
transduser, dan aplikasi transduser.
Prinsip dan Desain Strain Gauge
Prinsip operasi pengukur regangan diilustrasikan pada
Gambar 36, di mana hubungan hambatan dan regangan
ditunjukkan. Ketika pengukur regangan berada di bawah
tekanan karena perubahan tekanan, panjang, L, dan luas, A,
dari konduktor berubah. Hambatan, R, kemudian menjadi
hasil dari berikut ini:
R = ρ (L/A)
Dimana,
R = resistansi
A = luas penampang konduktor
ρ = konstanta resistivitas (fungsi material)
L = panjang konduktor
Perhatikan bahwa pengukur regangan harus diberi
kompensasi suhu.
121
Gambar 36. Prinsip Kerja Strain Gauge
Meskipun hubungan matematis regangan dan
resistivitas dapat diamati dari contoh sebelumnya,
perubahan resistansi sebenarnya cukup kecil jika
dibandingkan dengan resistansi keseluruhan jembatan.
Misalnya, jika hambatan jembatan total adalah 100 ohm,
perubahan pada rentang tekanan penuh mungkin hanya 1
ohm. Untuk mengatasi perubahan kecil pada tahanan,
desain alat ukur regangan biasanya membutuhkan
penggunaan jembatan Wheatstone. Pengukur regangan
kadang-kadang disebut "Jembatan Wheatstone di
permukaan logam".
Dalam jembatan Wheatstone, sirkuit menyediakan
cara untuk mengukur perubahan kecil dalam hambatan,
termasuk perubahan statis dan dinamis. Jembatan
122
Wheatstone mendeteksi perubahan statis dan dinamis
dengan mengukur sedikit perubahan resistansi, yang
menyebabkan jembatan menjadi tidak seimbang. Tegangan
muncul pada output jembatan yang sebanding dengan
resistansi yang tidak seimbang. Perubahan resistensi yang
berlaku mewakili perubahan tekanan.
Gambar 37 menunjukkan jembatan Wheatstone
sederhana. Asumsikan aliran arus klasik dengan (+) di titik
paling atas jembatan “A” dan (-) di titik paling bawah
jembatan “B“ Arus total, IT, akan mengalir dari “A” ke “B”
tanpa hambatan melalui semua bagian jika semua
resistansi berada dalam satu jalur tunggal atau seri dari "A"
ke "B." Jika kita memisahkan jalur dari "A" ke "B"
menyebabkan arus,
IC, melalui sisi "C", beberapa arus, ID, akan mengalir melalui
sisi "D". Arus perpecahan masih akan bertambah:
IT = IC + ID
Jika resistansi total melalui jalur "C" sama dengan total
resistansi melalui jalur "D," IC = ID dengan penerapan
Hukum Ohm.
123
Jika R1 = R3, titik "C" akan berada di tengah potensi dari "A"
ke "B."
Logika yang sama berlaku untuk titik "D" yang
berada di tengah jika R2 = R4. Jika titik “C” dan titik “D”
terhubung secara elektrik (keduanya berada pada potensial
yang sama), tidak ada perbedaan tegangan antara “C” dan
“D”; oleh karena itu, tidak ada arus yang mengalir melalui
detektor. Dengan kata lain, jika R1 = R2 = R3 = R4, detektor
adalah null-seimbang.
Gambar 37. Jembatan Wheatstone
124
Jika R4 adalah sensor pengukur regangan yang
mengubah resistansi dengan tekanan yang diterapkan, kita
dapat mencapai keseimbangan nol dengan menyesuaikan
resistansi variabel, R3. Nilai baru R3 sama dengan R4 dan
dapat dikalibrasi dalam satuan tekanan.
Jembatan Wheatstone yang ideal hanya akan
memiliki pengukur regangan sebagai salah satu resistornya;
dalam praktiknya, keempat kaki jembatan sering kali
menjadi alat pengukur regangan. Gambar 37 menunjukkan
diagram sirkuit jembatan Wheatstone yang khas. Jembatan
Wheatstone adalah fondasi untuk beberapa bentuk
transduser tekanan. Perhatikan bahwa kapasitor atau
induktor juga dapat digunakan dalam konfigurasi jembatan
yang serupa. Sirkuit tambahan diperlukan bersama dengan
jembatan Wheatstone untuk memperkuat keluaran
tegangan, mengkompensasi efek suhu, dan
mengkompensasi ketidaklinieran sensor.
Setelah meninjau bagaimana pengukur regangan
dan jembatan Wheatstone menjadi fondasi untuk
transduser tekanan, pertimbangkan bagaimana kinerja
pengukur regangan ditentukan. Kinerja pengukur regangan
125
ditentukan oleh sensitivitas regangannya (juga disebut
faktor pengukur). Sensitivitas, S, adalah ukuran perubahan
relatif resistansi, di mana
S = (R / R) / (L / L)
Dimana,
R / R = perubahan resistansi per unit resistansi
L / L = regangan
Pengukur regangan dengan faktor pengukur yang
lebih tinggi lebih sensitif terhadap perubahan deformasi
sensor. Semakin tinggi faktor pengukur, semakin tinggi
sinyal keluaran. Namun, pengukur regangan yang sangat
sensitif juga sensitif terhadap perubahan suhu. Suhu secara
langsung mempengaruhi resistansi pengukur regangan;
saat suhu meningkat, resistansi meningkat. Peningkatan
sensitivitas dikompensasikan dalam pengukur regangan
melalui penggunaan pengukur regangan terikat.
Pengukur regangan terikat hanyalah salah satu bentuk
pengukur regangan. Pengukur regangan dirancang sebagai
salah satu dari jenis berikut:
• Pengukur regangan berikat (bonded strain gauge)
126
• Pengukur regangan tidak terikat (unbonded strain
gauge)
Pengukur Regangan Berikat - Meskipun faktor
pengukur tinggi mungkin diinginkan, untuk mengatasi efek
suhu yang tidak diinginkan, paduan logam dengan sifat
resistif tinggi dan koefisien suhu rendah digunakan untuk
membuat pengukur regangan terikat (Gambar 38).
Perangkat ini disebut "terikat" karena epoksi digunakan
untuk memasang pengukur regangan ke sensor deformasi.
Pengukur regangan berikat dapat dibuat dari lembaran
logam atau bahan semikonduktor.
Karena pengukur regangan itu sendiri dibuat
dengan sifat yang sangat resistif, tegangan masukan yang
lebih besar, dan keluaran milivolt yang lebih besar,
konsumsi daya yang lebih rendah dimungkinkan. Bahan
semikonduktor memiliki keunggulan dibandingkan
pengukur regangan kertas logam karena faktor
pengukurnya bisa 50 hingga 70 kali lebih tinggi. Perbedaan
utama antara foil terikat dan pengukur semikonduktor
adalah bahwa pengukur semikonduktor memiliki respons
127
yang lebih besar terhadap regangan, hambatan, dan efek
suhu.
Pengukur regangan saat ini dibuat dari zat yang
disebut "piezoresistif". Istilah "piezoresistif" berarti bahwa
hambatan listrik material berbanding lurus dengan tekanan
mekanis (tekanan) yang diterapkan padanya. Awalnya,
pengukur regangan silikon diikat ke sensor. Selama 10
hingga 15 tahun terakhir, teknologi memungkinkan
implantasi ion jembatan Wheatstone langsung ke silikon,
membentuk sirkuit terintegrasi (IC). IC tersebut kemudian
digerakkan mikro di bawah jembatan untuk membuat
diafragma silikon. Defleksi skala penuh dari diafragma
silikon bisa sekecil 1,5 mikron. Sensor piezoresistif
kemudian dapat dianggap sebagai "jembatan Wheatstone
pada diafragma silikon". Ketika sensor piezoresistif
digunakan di dalam transduser tekanan, diafragma silikon
dilindungi lebih lanjut pada kedua sisi diafragma dengan
mengisolasi diafragma.
128
Gambar 38. Bonded Strain Gauge
Strain Gauge Tipe Tak Berikat - Strain gauge tipe tak
terikat (Gambar 39) menggunakan kabel logam dalam
konstruksi pengukur regangan. Langkah-langkah
pembuatan termasuk memasang kabel yang digunakan
sebagai pengukur regangan ke sensor di transduser. Ini
bukanlah tugas manufaktur yang mudah, karena ini berarti
kabel dengan diameter kurang dari 0,025 mm diperlukan.
Dalam beberapa kasus, lebih dari 1,6 kilometer kawat
diperlukan dalam pengukur regangan tak terikat untuk
memberikan nilai resistif yang sama tinggi yang ditemukan
pada pengukur regangan terikat. Mengingat bahwa
129
pengukur regangan terikat lebih unggul dalam kinerjanya,
pengukur regangan kawat tanpa ikatan jarang digunakan.
Gambar 39. Unbonded Strain Gauge
Kinerja Transduser
Kinerja transduser pengukur regangan dijelaskan dalam
istilah
• Keunggulan kinerja
• Kerugian kinerja
Keunggulan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Transduser tekanan pengukur regangan memiliki
kecepatan respons yang baik.
130
• Transduser tekanan strain gauge akurat dan dapat
diulang. Akurasi umum adalah 0,1% dari rentang
(span) hingga 0,25% dari skala penuh (full scale).
• Transduser tekanan strain gauge tipikal mendukung
rentang tekanan yang luas, dari 0 hingga 1725 kPa
(0 hingga 250 psig). Beberapa transduser memiliki
rentang hingga 1400 MPa (200.000 psig).
• Transduser tekanan pengukur regangan
memberikan tingkat sinyal keluaran yang kuat
dalam kisaran 15 hingga 100 milivolt (AC atau DC).
Kekurangan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Versi awal transduser tekanan pengukur regangan
rentan terhadap getaran dan efek suhu.
• Semua transduser tekanan pengukur regangan
memerlukan penggunaan catu daya yang diatur.
Pemasangan Transduser
Pemasangan transduser dijelaskan sebagai berikut:
• Sinyal keluaran transduser dan konfigurasi kabel
131
• Menyambungkan transduser ke beberapa
perangkat pengukuran
• Panduan penanganan dan pemasangan umum
Sinyal Output Transduser dan Konfigurasi Kabel -
Transduser tekanan dapat memberikan sinyal output
berupa output arus milivolt, tegangan yang diperkuat, atau
standar (4 mA hingga 20 mA). Konfigurasi pengkabelan
bergantung pada jenis sinyal keluaran.
• Transduser yang memberikan sinyal keluaran
milivolt dibatasi pada jarak kurang dari 60 meter
(200 kaki) karena level sinyalnya kecil. Level sinyal
millivolt juga rentan terhadap interferensi dari
sumber sinyal listrik lainnya. Konfigurasi kabel
tipikal ditunjukkan pada Gambar 40A.
• Transduser yang memberikan output tegangan
yang diperkuat, seperti 1 Vdc hingga 5 Vdc, memiliki
pengkondisian sinyal internal dan dapat
memberikan sinyal dalam jarak sedang, hingga 300
meter (1000 kaki), ke instrumen penerima.
Transduser tegangan yang diperkuat memberikan
kekebalan kebisingan yang lebih baik daripada
132
transduser keluaran millivolt. Konfigurasi kabel
tipikal ditunjukkan pada Gambar 40B.
Gambar 40. Tipikal Instalasi
• Transduser yang menyediakan keluaran arus
standar, 4 mA hingga 20 mA, memiliki
pengkondisian sinyal internal. Output saat ini dapat
memberikan sinyal pada jarak lebih dari 300 meter
(1000 kaki), untuk menerima instrumen tanpa
133
degradasi sinyal. Konfigurasi kabel tipikal
ditunjukkan pada Gambar 40C.
Menyambungkan Transduser ke Beberapa
Perangkat Pengukuran - Transduser tekanan yang
menyediakan keluaran arus cenderung sering digunakan di
lingkungan industri karena sinyal saat ini menawarkan
kekebalan noise sinyal yang lebih baik daripada sinyal
millivolt atau tegangan. Salah satu keuntungan dari
transduser dengan sinyal keluaran arus adalah dapat
diterapkan dalam sistem dengan beberapa perangkat
pengukuran. Misalnya, sinyal mungkin diperlukan oleh
perekam grafik, pengukur panel, dan sistem kontrol.
Gambar 41 menunjukkan tipikal pengaturan kabel.
Dalam sistem ini, resistansi beban kabel loop harus
dihitung. Resistansi loop menentukan tegangan minimum
yang diperlukan untuk menggerakkan loop dan didasarkan
pada Hukum Ohm (Vvoltage = Icurrent x Rresistance).
Persyaratan tegangan minimum didasarkan pada rumus
berikut:
134
Gambar 41. Tipikal Pengaturan Kabel
Tegangan operasi minimum = (20 mA) (Rline + Rload) + Vs
Dimana,
Rline = resistansi kabel timah
Rload = total resistansi untuk perangkat pengukuran lain
Vs = tegangan suplai operasi minimum dari transduser
Misalnya, asumsikan sistem dikonfigurasi dengan berikut
ini:
• Transduser tekanan, keluaran arus, tegangan suplai
14 Vdc hingga 30 Vdc
• Resistensi kabel timah sebesar 8 ohm
• Perekam dengan impedansi input 30 ohm
135
• Kontroler dengan impedansi masukan 250 ohm
• Panel meter dengan impedansi masukan 15 ohm.
Tegangan yang dibutuhkan dihitung sebagai berikut:
Tegangan operasi minimum = (20 mA) (Rline + Rload) + Vs
Tegangan operasi minimum = (20 mA) (8 + 30 + 250 + 15) +
14 Tegangan operasi minimum = 20 volt
Karena catu daya 24 volt disediakan di sebagian
besar aplikasi, contoh pengaturan akan memiliki daya yang
memadai untuk menggerakkan loop.
Panduan Penanganan dan Pemasangan Umum
dapat dijelaskan sebagai berikut:
• Penanganan sensor
• Instalasi perangkat keras dan aksesoris
• Suhu pengoperasian
• Tindakan pencegahan instalasi
Penanganan sensor - Hindari menekan atau
menyentuh sensor deformasi (yaitu, diafragma) karena
kalibrasi dapat diubah atau rusak karena penanganan yang
tidak tepat.
136
Instalasi perangkat keras dan aksesori -
Perlengkapan dan perangkat keras yang digunakan dalam
pemasangan harus memiliki peringkat tekanan, jenis ulir,
dan ukuran yang benar. Tinjau apakah peredam tekanan,
seperti snubber, diperlukan.
Suhu pengoperasian - Suhu pengoperasian sekitar
harus sesuai dengan spesifikasi transduser. Tindakan
pencegahan pemasangan - Cari lokasi transduser di tempat
yang mudah diservis. Hindari area getaran. Personel yang
berkualifikasi harus memasang perangkat karena kelebihan
torsi dapat menyebabkan kesalahan pengukuran. Selain itu,
personel instalasi harus menyadari, untuk alasan
keamanan, praktik yang diterima instalasi berkaitan dengan
instalasi sistem tekanan.
Aplikasi Transduser
Aplikasi transduser dijelaskan sebagai berikut:
• Contoh penerapan umum
• Contoh aplikasi khusus
Contoh Aplikasi Umum untuk transduser tekanan meliputi:
• Kompresor dan kontrol pompa
137
• Pengukuran dan kontrol aliran
• Pengukuran dan kontrol ketinggian air
• Pengukuran dan kontrol tingkat limbah
• Pemantauan dan kontrol mesin
• Memantau pemuatan kapal tanker minyak
• Memantau tekanan oli di turbin
• Memantau tekanan oli pelumas di kompresor
• Kontrol sistem hidrolik
• Antarmuka ke instrumentasi tekanan lainnya
(perekam)
Contoh Aplikasi Khusus - Pengoperasian peralatan
kepala sumur menggambarkan penerapan transduser
tekanan.
Sumur minyak ditutup oleh peralatan produksi yang
terdiri dari rangkaian manifold berbentuk T, katup, dan
katup sayap. Casing dan tekanan kepala sumur dari
peralatan kepala sumur sering dimonitor untuk
memastikan bahwa peralatan kepala sumur dan hilir tidak
rusak. Misalnya, jika tekanan kepala sumur berkurang
akibat penyumbatan sumur, sistem pemantauan jarak jauh
dari switch, pengontrol, dan katup dapat mati secara
138
otomatis di kepala sumur. Perangkat tekanan (transduser,
pengukur, switch) biasanya ditempatkan sehingga bagian
sistem kepala sumur dapat diisolasi.
Transduser tekanan juga dapat digunakan untuk
pengukuran tekanan lubang bawah. Tekanan lubang bawah
mewakili tekanan reservoir minyak pada kedalaman
tertentu dalam interval produksi. Pengukuran tekanan
memberikan informasi tentang kapasitas produksi yang
tersisa dari zona yang digunakan sumur. Dalam aplikasi ini,
transduser tekanan yang terhubung ke kabel diturunkan ke
dalam sumur. Pengukuran kemudian dilakukan pada
kedalaman yang tepat dan dicatat. Transduser kemudian
dikeluarkan dari sumur.
5.2. Transduser Elemen Potensiometri
Transduser elemen potensiometri, seperti namanya,
didasarkan pada resistansi yang bervariasi untuk
merepresentasikan tekanan. Tiga jenis transduser elemen
potensiometri adalah sebagai berikut:
• Resistensi variabel
• Jenis kapasitansi
• Jenis induktansi
139
Transduser Resistansi Variabel: Prinsip dan Desain
Transduser tekanan resistansi variabel (Gambar 42)
biasanya menggunakan bellow, diafragma, atau tabung
Bourdon sebagai sistem penjumlahan gaya untuk
mengubah tekanan proses menjadi gerakan mekanis.
Gerakan mekanis ini kemudian dihubungkan ke lengan
penghapus sebuah potensiometer. Potensiometer, yang
merupakan resistor variabel, adalah salah satu elemen
paling sederhana yang digunakan untuk mengubah gerakan
mekanis menjadi keluaran listrik.
Gambar 42. Resistansi Variabel
140
Kinerja Transduser Resistansi Variabel
Kinerja transduser resistansi variabel dijelaskan dalam
istilah
• Keunggulan kinerja
• Kerugian kinerja
Keunggulan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Transduser tekanan resistansi variabel memiliki
sinyal keluaran tinggi.
• Transduser tekanan resistansi variabel memiliki
akurasi yang baik. Akurasi umum adalah sekitar
0,5% hingga 1,0% dari skala penuh.
• Transduser tekanan resistansi variabel tipikal
mendukung rentang tekanan yang luas, dari 35 kPa
hingga 70 MPa (5 hingga 10.000 psig).
Kekurangan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Keausan mekanis pada lengan penghapus
potensiometer dapat menyebabkan masa pakai
pendek dan sinyal berisik. (Catatan: Penggunaan
semikonduktor dalam versi yang lebih baru dari
transduser resistansi variabel telah meminimalkan
kerugian ini.)
141
• Penggunaan catu daya yang diatur mungkin
diperlukan.
Pemasangan dan Aplikasi Transduser Resistansi Variabel
Pertimbangan pemasangan dan penerapan sama dengan
transduser pengukur regangan yang dijelaskan
sebelumnya.
5.3. Transduser Jenis Kapasitansi: Prinsip dan Desain
Di samping pengukur regangan, sensor kapasitif (Gambar
43) dianggap sebagai teknologi kedua yang paling umum
digunakan dalam transduser tekanan. Rancangan jenis
kapasitansi didasarkan pada sistem penjumlahan gaya yang
menyebabkan perubahan kapasitansi sensor. Perubahan
kapasitansi mengubah keseimbangan jembatan
kapasitansi, yang menyebabkan perubahan tegangan
keluaran jembatan. Transduser tekanan kapasitif dapat
bereaksi dengan cepat terhadap perubahan tekanan dan
cenderung tahan lama dalam kondisi pengoperasian yang
berat.
142
Gambar 43. Sensor Kapasitif
Salah satu contoh sensor tipe kapasitansi adalah
sensor kapasitansi diferensial semua silikon. Sel kapasitansi
memiliki diafragma silikon di antara dua pelat silikon tetap.
Tekanan diizinkan melalui lubang di masing-masing pelat,
yang dapat menggerakkan diafragma, misalnya, maksimum
0,0004 inci. Kapasitansi, C, berbanding lurus dengan luas
pelat dan konstanta dielektrik material dan berbanding
terbalik dengan celah pelat. Tekanan terukur, P, didasarkan
pada hubungan berikut:
143
𝑃 ∞(𝐶+ − 𝐶−)
(𝐶+ + 𝐶−)
Kinerja Transduser Jenis Kapasitansi
Kinerja transduser tipe kapasitansi dijelaskan dalam istilah
• Keunggulan kinerja
• Kerugian kinerja
Keunggulan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Transduser tekanan jenis kapasitansi memiliki
jangkauan dan kecepatan respons yang baik.
• Transduser tekanan jenis kapasitansi memiliki
akurasi yang sangat baik. Akurasi umum adalah
sekitar 0,1% dari pembacaan atau 0,01% dari skala
penuh.
• Transduser tekanan tipe kapasitansi tipikal
mendukung kisaran tekanan yang sangat luas, dari
0,25 Pa hingga 70 MPa. Vakum tinggi dan rentang
tekanan diferensial rendah didukung.
Kekurangan Kinerja adalah sebagai berikut:
144
• Transduser tekanan jenis kapasitansi mungkin
sensitif terhadap efek suhu. Biasanya, rentang
operasi 32 ° C hingga 74 ° C.
• Desain transduser tekanan jenis kapasitansi
sebelumnya sensitif terhadap kapasitansi, getaran,
dan korosi yang menyimpang.
• Penggunaan catu daya yang diatur mungkin
diperlukan.
Instalasi dan Aplikasi Transduser Jenis Kapasitansi
Pertimbangan pemasangan dan penerapan sama dengan
transduser pengukur regangan yang dijelaskan
sebelumnya.
5.4. Transduser Jenis Induktansi: Prinsip dan Desain
Untuk tujuan pembahasan berikut, baik tipe
induktansi dan tipe keengganan dikategorikan bersama.
Transduser tipe induktansi lebih jarang ditemukan dalam
kontrol proses industri daripada pengukur regangan dan
transduser kapasitif. Prinsip operasi transduser tipe
induktansi didasarkan pada induktansi yang terjadi di
145
antara dua kumparan. Sebagai hasil dari induktansi,
kumparan dikatakan digabungkan dengan interaksi
magnetik. Interaksi magnetik, juga disebut keengganan,
beroperasi seperti resistansi potensiometri dalam
rangkaian listrik. Alih-alih perubahan resistansi, perubahan
jarak terjadi.
Gambar 44. Sensor Tipe Induktansi
Mengubah jarak antara dua perangkat magnet
menyebabkan perubahan keengganan. Perubahan
146
keengganan kemudian mewakili perubahan tekanan. Salah
satu jenis transduser tekanan reluktif adalah transformator
diferensial variabel linier (LVDT) seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 44.
Kinerja Transduser Jenis Induktansi
Kinerja transduser tipe induktansi dijelaskan dalam istilah
• Keunggulan kinerja
• Kerugian kinerja
Keunggulan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Transduser tekanan tipe induktansi tahan terhadap
getaran dan gangguan listrik.
• Transduser tekanan tipe induktansi memiliki akurasi
yang baik. Akurasi tipikal sekitar 0,5% dari skala
penuh.
• Transduser tekanan tipe induktansi dapat
beroperasi pada kisaran suhu dari kriogenik hingga
315 ° C (600 ° F).
Kekurangan Kinerja adalah sebagai berikut:
147
• Transduser tekanan tipe induktansi mungkin
sensitif terhadap medan magnet yang
menyimpang.
• Transduser tekanan tipe induktansi mungkin
sensitif terhadap efek suhu.
• Penggunaan catu daya yang diatur diperlukan untuk
eksitasi AC.
Instalasi dan Aplikasi Transduser Jenis Induktansi
Pertimbangan pemasangan dan penerapan sama dengan
transduser pengukur regangan yang dijelaskan
sebelumnya.
5.5. Elemen Osilatif
Dalam transduser elemen osilatif, elemen seperti
tegangan kabel beresonansi mewakili tekanan proses.
Pembahasan berikut menjelaskan fungsi transduser elemen
osilatif dalam hal prinsip dan desain elemen osilatif,
performa transduser, pemasangan transduser, dan aplikasi
transduser.
148
Transduser Elemen Osilatif: Prinsip dan Desain
Elemen osilasi termasuk sensor kabel beresonansi dan
sensor tekanan garpu tala berujung ganda. Sensor disebut
elemen osilatif karena saat mereka berosilasi di bawah
tegangan dari elemen penjumlah gaya.
Dalam desain garpu tala berujung ganda, ketika terjadi
perubahan tekanan, perubahan pada frekuensi garpu tala
berujung ganda akan menghasilkan. Dalam desain garpu
tala berujung ganda, perpindahan gaya menyebabkan
pergeseran frekuensi. Pergeseran frekuensi mewakili
pengukuran tekanan. Garpu tala berujung ganda tidak
menjadi populer.
Dalam desain kawat beresonansi, diafragma
menyebabkan perubahan tegangan pada kawat atau pita
beresonansi halus. Kawat, yang sudah berada dalam
resonansi alami yang disebabkan oleh medan magnet
tempatnya, berubah frekuensinya saat gaya tekanan
ditransmisikan ke kawat dari diafragma. Frekuensi
resonansi berbanding terbalik dengan panjang dan massa
kabel. Frekuensi berbanding lurus dengan akar kuadrat
gaya tarik yang diterapkan. Karena panjang dan massa
149
kabel konstan, tekanan dan frekuensi resonansi sebanding
dengan akar kuadrat tegangan:
P ∞ Hz ∞ (tension) 1/2
Kinerja Transduser Elemen Osilatif
Kinerja transduser elemen osilatif dijelaskan dalam istilah
• Keunggulan kinerja
• Kerugian kinerja
Keunggulan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Transduser tekanan elemen osilatif memiliki
pengulangan yang baik dan resolusi tinggi.
• Transduser tekanan elemen osilatif memberikan
sinyal keluaran yang kuat.
• Selain itu, sinyal cocok langsung untuk berinteraksi
secara digital dengan mikroprosesor.
• Transduser tekanan elemen osilatif memiliki akurasi
yang sangat baik. Akurasi umum sekitar 0,1% dari
rentang terkalibrasi.
• Transduser tekanan elemen osilatif tipikal
mendukung rentang tekanan yang lebar, hingga 42
150
MPa. Kisaran tekanan absolut, diferensial, dan
pengukur didukung.
Kekurangan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Transduser tekanan elemen osilatif mungkin
sensitif terhadap guncangan dan getaran.
• Transduser tekanan elemen osilatif mungkin
sensitif terhadap efek suhu. (Catatan: Kompensasi
suhu mengatasi efek ini.)
• Transduser tekanan elemen osilatif memiliki sinyal
keluaran nonlinier.
• Penggunaan catu daya yang diatur mungkin
diperlukan.
Instalasi dan Aplikasi Transduser Elemen Osilatif
Pertimbangan pemasangan dan penerapan sama dengan
transduser pengukur regangan yang dijelaskan
sebelumnya.
151
5.6. Transduser Tekanan Piezoelektrik
Dalam transduser tekanan piezoelektrik, sensor
piezoelektrik merespons tekanan proses dan menciptakan
potensial listrik. Pembahasan berikut menjelaskan fungsi
transduser tekanan piezoelektrik dalam hal prinsip dan
desain transduser tekanan piezoelektrik, kinerja
transduser, pemasangan transduser, dan aplikasi
transduser. Gambar 45 menunjukkan transduser
piezoelektrik.
Transduser Tekanan Piezoelektrik: Prinsip dan Desain
Sensor tekanan piezoelektrik juga dibuat dari bahan
piezoelektrik yang menghasilkan sinyal listrik saat tekanan
diterapkan. Kuarsa dan turmalin adalah contoh kristal
piezoelektrik alami, sedangkan barium titanat adalah
contoh bahan piezoelektrik kristal buatan manusia. Prinsip
piezoelektrik didasarkan pada kristal asimetris yang
mengalami deformasi sepanjang sumbu tertentu,
menyebabkan potensial listrik.
152
Gambar 45. Piezoelectric Transducer
Kinerja Transduser Tekanan Piezoelektrik
Kinerja transduser tekanan piezoelektrik dijelaskan dalam
istilah
• Keunggulan kinerja
• Kerugian kinerja
153
Keunggulan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Transduser tekanan piezoelektrik memberikan
sinyal output yang dihasilkan sendiri.
• Transduser tekanan piezoelektrik memiliki
kecepatan respons yang tinggi.
• Transduser tekanan piezoelektrik memiliki akurasi
yang baik, biasanya sekitar 1% skala penuh.
• Transduser tekanan piezoelektrik tipikal
mendukung rentang tekanan yang sangat luas,
hingga 70 MPa.
Kekurangan Kinerja adalah sebagai berikut:
• Transduser tekanan piezoelektrik terbatas pada
pengukuran tekanan dinamis.
• Transduser tekanan piezoelektrik mungkin sensitif
terhadap variasi suhu.
• Penggunaan catu daya yang diatur mungkin
diperlukan untuk penguatan sinyal keluaran.
154
Instalasi dan Aplikasi Transduser Tekanan Piezoelektrik
Pertimbangan pemasangan dan penerapan sama dengan
transduser pengukur regangan yang dijelaskan
sebelumnya. Transduser tekanan piezoelektrik sering
diterapkan di mana tekanan bolak-balik kecil diukur.
155
BAB 6 - Menentukan Apakah Transmitter
Tekanan Memenuhi Kriteria Kinerja an
Persyaratan Instalasi
Karena beberapa sensor dan transduser sering kali
terbatas pada indikasi lokal, perangkat pengukur harus
tersedia untuk mengirimkan sinyal jarak jauh ke perangkat
atau sistem penerima jarak jauh. Dalam situasi tersebut,
Pressure Transmitter digunakan untuk mengirimkan nilai
tekanan dalam level sinyal berskala baik analog (4 hingga 20
mA), pneumatik (3 hingga 15 psig), atau digital berpemilik
(Hart atau Honeywell DE).
Salah satu langkah pertama dalam menentukan
apakah Pressure Transmitter memenuhi kriteria kinerja dan
persyaratan pemasangan adalah menafsirkan spesifikasi
Pressure Transmitter dan menyeimbangkan kepentingan
relatifnya. Akurasi referensi, dibahas panjang lebar dalam
modul kursus sebelumnya, sama pentingnya dengan
pengulangan. Bergantung pada aplikasi pengukuran
tekanan, keunggulan perangkat yang sangat akurat
156
mungkin tidak diperlukan. Misalnya, serangkaian
pembacaan tekanan pada sumur tertutup mungkin hanya
memerlukan konfirmasi dari persediaan hidrokarbon yang
telah diketahui; namun, dalam beberapa aplikasi, seperti
pengukuran tangki hidrostatis dan operasi pemindahan
tahanan, pengukuran yang sangat akurat adalah penting.
6.1. Prinsip Pressure Transmitter
Vendor menyediakan Pressure Transmitter yang
terbagi dalam beberapa kategori - diferensial, pengukur,
dan tekanan absolut. Terlepas dari kategorinya, elemen
fungsional dari jenis pemancar (pneumatik, analog, atau
mikroprosesor) adalah sama.
6.2. Elemen Fungsional
Diagram blok Pressure Transmitter disediakan pada
Gambar 46. Diagram ini berlaku untuk Pressure Transmitter
pneumatik, analog, atau mikroprosesor. Diagram blok
menunjukkan bahwa pemancar terdiri dari elemen yang
merasakan input tekanan, transduser yang melakukan
157
konversi sinyal, dan penguat untuk mengeluarkan sinyal ke
perangkat penerima.
Gambar 46. Blok Diagram Pressure Transmitter
6.3. Jenis Pneumatik
Transmitter tipe pneumatik dapat bervariasi dalam
desainnya, tetapi sebagian besar menggunakan jenis
prinsip keseimbangan gaya yang sama seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 47. Tekanan proses
menggerakkan batang B yang berputar pada X. Peningkatan
tekanan proses menyebabkan bellow AA mengembang,
yang menyebabkan batang B untuk bergerak. Bar B juga
bertindak sebagai penyekat untuk lubang Y yang membuka,
yang menyebabkan tekanan di dalam rumah lubang
meningkat. Tekanan juga dikirim ke indikator jarak jauh.
Tekanan yang lebih tinggi menyebabkan bellow BB
mengembang dan menjauhkan batang B dari bukaan orifice
hingga keseimbangan gaya tercapai. Kisaran pegas
158
membantu bellow penyeimbang BB menahan pergerakan
bellow AA. Dengan demikian, keseimbangan gaya dicapai
dengan gerakan yang sangat sedikit pada batang B.
Pemancar pneumatik yang menggunakan metode
keseimbangan gaya dapat menyeimbangkan dengan
gerakan batang yang sangat sedikit, kadang-kadang dengan
gerakan yang bertambah dari seperseribu hingga
sepersejuta inci.
Gambar 47. Pressure Transmitter Pneumatik
159
6.4. Jenis Analog
Pada pemancar tipe analog, sensor - pengukur
regangan, diafragma, piezoelektrik dan osilasi- mirip
dengan yang dijelaskan sebelumnya di bagian transduser
tekanan. Pemancar tipe analog yang menggunakan
pengukur regangan dijelaskan di sini (Gambar 48). Konversi
langsung dari tekanan menjadi sinyal listrik dilakukan ketika
sensor pengukur regangan diaktifkan. Perubahan
hambatan jembatan Wheatstone menyebabkan perubahan
pada keluaran penguat pemancar. Output penguat dari
sinyal output 4 mA hingga 20 mA dikirim ke perangkat
penerima, seperti pengontrol. Output yang sama dikirim ke
resistor umpan balik, yang menyeimbangkan jembatan dan
memberikan stabilitas.
160
Gambar 48. Analog Pressure Transmitter
6.5. Jenis Berbasis Mikroprosesor
Pemancar berbasis mikroprosesor menggunakan
sensor yang serupa dengan yang dijelaskan di bagian
transduser tekanan. Jadi prinsip operasi pemancar berbasis
mikroprosesor serupa dengan transduser tekanan sejauh
menyangkut sensor. Setelah sensor memberikan
representasi tekanan, pemancar berbasis mikroprosesor
menyediakan operasi tambahan. Operasi pemancar
berbasis mikroprosesor dijelaskan dalam istilah berikut:
• Akurasi
• Turndown (jangkauan)
161
• Kalibrasi
• Interferensi
• Kecepatan pemindaian
Akurasi - Pemancar berbasis mikroprosesor dapat
mengukur tekanan dengan akurasi lebih baik dari rentang
0,1%. Melalui penggunaan teknik kompensasi tekanan dan
suhu, keakuratan dipertahankan pada berbagai tekanan
dan suhu pengoperasian.
Turndown (Rangeability) - Pressure Transmitter
berbasis mikroprosesor menawarkan turndown dan
rangeability yang sangat tinggi, hingga 400: 1 untuk
beberapa model.
162
Gambar 49. Arsitektur Mikroprosesor
Kalibrasi - Variasi suhu, baik dari proses maupun
perubahan suhu sekitar, memengaruhi keakuratan Pressure
Transmitter yang tidak terkompensasi. Akurasi sensor
dipengaruhi saat cairan pengisi segel mengubah volume,
sedangkan keakuratan elektronik dipengaruhi oleh
perubahan resistansi. Dalam kasus Pressure Transmitter
konvensional, keakuratan dapat menurun hingga beberapa
persen rentang. Produsen Pressure Transmitter berbasis
mikroprosesor mengkalibrasi (mengkompensasi) untuk
perubahan ini baik dalam chip yang dapat diprogram
(EPROM) atau melalui resistor kompensasi yang dipangkas
laser. Teknologi sensor dan teknik pengukuran yang
digunakan oleh produsen pemancar biasanya sama untuk
pemancar pengukur, absolut, dan tekanan diferensial dari
produsen yang sama.
Dengan Pressure Transmitter berbasis
mikroprosesor, setiap efek sensor nonlinier diatasi melalui
karakterisasi badan pengukur pemancar selama
pembuatan. Badan pengukur mengalami berbagai tekanan
163
dalam rentang operasinya. Produsen mengukur respons
pemancar terhadap berbagai tekanan dan menghitung
persyaratan koreksi. Istilah koreksi yang dihitung disimpan
dalam memori pemancar. Mikroprosesor sekarang dapat
mengkompensasi sinyal tekanan untuk nonlinier, yang
berarti bahwa pemancar dapat digunakan dalam rentang
yang lebih luas. Untuk instrumen berbasis mikroprosesor,
linieritas dipertahankan. Pergeseran rentang yang
disebabkan oleh suhu sekitar dan tekanan statis
diminimalkan atau dibatalkan.
Interferensi - Pressure Transmitter berbasis
mikroprosesor memiliki keunggulan tambahan
dibandingkan pemancar konvensional, yaitu kemampuan
untuk memiliki resolusi sinyal tinggi pada tekanan rendah.
Tekniknya meliputi penggunaan konverter A / D resolusi
tinggi, konverter A / D multigain, atau konverter logaritmik
yang mengoptimalkan rasio sinyal-ke-derau di seluruh
rentang sinyal.
Kecepatan pemindaian - Kecepatan pemindaian
umum untuk variabel tekanan proses adalah 3 hingga 5 kali
per detik. Kecepatan pemindaian adalah fungsi dari
164
kecepatan jam sirkuit digital. Ingatlah bahwa pemancar
berbasis mikroprosesor melakukan lebih dari sekadar
menyediakan variabel tekanan. Pressure Transmitter
berbasis mikroprosesor menyediakan komunikasi dua arah
yang menyediakan data selain variabel tekanan yang
dipindai.
6.6. Desain Pressure Transmitter
Desain Pressure Transmitter yang menentukan
apakah Pressure Transmitter memenuhi kinerja dan
persyaratan pemasangan mencakup kriteria evaluasi
seperti berikut ini:
• Teknologi sensor
• Elektronik
• Desain bodi meteran
• Perumahan
• Perakitan feedthrough
• Proses koneksi
• Aksesoris
165
Gambar 50 memberikan gambaran umum tentang
terminologi yang digunakan dalam diskusi berikut
mengenai desain Pressure Transmitter.
Gambar 50. Desain Pressure Transmitter
Teknologi Sensor
Umumnya Pressure Transmitter menggunakan teknologi
sensor yang sama seperti transduser tekanan konvensional.
Teknologi sensor yang digunakan dalam Pressure
Transmitter, yang tercantum dalam urutan frekuensi
penggunaannya, meliputi:
• Kapasitif
166
• Pengukur regangan
• Resonan
Teknologi kapasitif menggunakan pelat capactive
yang dibuat dari stainless steel atau silikon. Pelat kapasitif
juga menggunakan keramik, kuarsa, atau safir untuk
memberikan stabilitas. Diafragma penginderaan terletak di
antara pelat kapasitif. Saat diafragma penginderaan
bergerak, kapasitansi setiap pelat berubah. Kapasitansi
yang diubah, yang sebanding dengan tekanan, digunakan
sebagai dasar untuk pengukuran tekanan.
Teknologi Strain Gauge dapat diproduksi dengan
menggunakan bahan logam atau semikonduktor. Pengukur
regangan itu sendiri dapat diikat, diendapkan uap, atau
digoreskan pada sensor deformasi. Pengukur regangan
merasakan gerakan atau regangan diafragma atau jenis
sensor bertekanan lainnya. Diafragma atau sensor
bertekanan dapat dibuat dari bahan logam, keramik,
semikonduktor, atau piezoresistif.
Teknologi sensor resonansi menggunakan gerakan
diafragma penginderaan untuk menciptakan tegangan yang
diterjemahkan ke dalam pengukuran tekanan. Teknologi ini
167
mirip dengan aksi senar gitar atau piano, dimana semakin
besar gerakan peregangan maka semakin tinggi frekuensi
yang dihasilkan. Gerakan tersebut menyebabkan tegangan
pada kabel resonansi atau sensor solid state beresonansi
pada frekuensi yang ditentukan oleh tegangan. Sinyal
tekanan digital yang dihasilkan dibaca tanpa penguatan
tambahan atau pengkondisian sinyal dengan elektronik
digital CMOS daya rendah.
Sensor resonansi juga dapat didasarkan pada desain
garpu tala ujung ganda (DTF). Keuntungan dari sensor tipe
DTF dibandingkan dengan sensor kawat beresonansi adalah
dapat menghasilkan sinyal dengan tegangan atau kompresi.
Elektronik
Pada pemancar berbasis mikroprosesor dan konvensional,
diperlukan konversi analog ke digital (A / D) agar tegangan
sensor analog dapat digunakan sebagai data digital untuk
mikroprosesor. Manfaat dari elektronik pada pemancar
berbasis analog dan mikroprosesor adalah tidak diperlukan
hubungan mekanis, tuas, atau poros seperti pada pemancar
pneumatik. Semua penyetelan dilakukan oleh elektronik
168
internal alih-alih elemen mekanis yang dapat menua, aus,
atau rusak.
Electronics menyediakan pemancar berbasis
mikroprosesor dengan keandalan tambahan yang
menguntungkan aplikasi pengukuran di industri. (Gambar
51 menunjukkan diagram blok untuk elektronik Pressure
Transmitter berbasis mikroprosesor.) Pressure Transmitter
berbasis mikroprosesor memiliki keandalan yang lebih baik
karena elektronik mereka melakukan hal berikut:
• Pantau suhu tubuh pengukur dan tekanan statis
untuk mengimbangi kondisi sekitar
• Mendeteksi kesalahan badan meteran
• Mendeteksi sensor atas kondisi suhu
• Mendeteksi kesalahan elektronik seperti kegagalan
prom karakterisasi dan hilangnya input
• Filter noise
Manfaat lain yang diberikan elektronik untuk
aplikasi pengukuran di industri termasuk kemampuan
pemancar untuk mengizinkan hal berikut:
• Konfigurasi failafe tingkat atas / bawah
• Konfigurasi ulang jarak jauh
169
• Kalibrasi dan diagnostik jarak jauh
Gambar 51. Desain Pressure Transmitter Berbasis
Mikrokontroler
Desain Body Meter
Saat menentukan apakah Pressure Transmitter memenuhi
persyaratan kinerja dan pemasangan, desain bodi pengukur
dievaluasi dalam persyaratan berikut:
• Jenis pengukuran tekanan yang diperlukan
• Bahan konstruksi
Jenis Pengukuran Tekanan yang Diperlukan - Badan
meteran bervariasi untuk jenis pengukuran tekanan yang
diperlukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 52.
Badan meteran tersedia untuk gauge, diferensial, dan
170
pengukuran tekanan absolut. Badan meteran juga tersedia
untuk pengukuran tekanan yang menyimpulkan variabel
level dan aliran. Misalnya, Pressure Transmitter dapat
ditentukan dengan flange khusus yang diperlukan untuk
aplikasi pengukuran level cairan.
Gambar 52. Desain Body Meter
Bahan Konstruksi - Selain jenis pengukuran
tekanan, insinyur mengevaluasi bahan konstruksi yang
171
digunakan dalam badan meter untuk kompatibilitasnya
dengan media proses. Bahan seperti baja karbon, baja
tahan karat, Hastelloy C, atau Monel digunakan untuk
membuat kepala proses badan pengukur. Bahan tahan
korosi digunakan untuk membuat sumbat ventilasi /
saluran pembuangan. Bahan seperti baja tahan karat,
Hastelloy C, Tantalum, atau Monel digunakan untuk
membuat diafragma penghalang badan pengukur.
Diafragma penghalang digunakan untuk melindungi
diafragma penginderaan internal dari media proses. Karena
aplikasi pengukuran tekanan melibatkan kontak dengan
cairan konduktif dan korosif, sensor silikon diisolasi dari
cairan proses melalui diafragma penghalang (isolasi) baja
tahan karat tipis. Tekanan kemudian ditransfer ke
diafragma penginderaan internal pada chip silikon melalui
penggunaan minyak fluida pengisi. Untuk meminimalkan
efek termal pada fluida pengisi, volume fluida pengisi yang
mengelilingi diafragma dijaga seminimal mungkin. Oli yang
berbeda dapat ditentukan tergantung pada suhu
pengoperasian atau kebutuhan aplikasi khusus.
172
Cairan pengisi yang mengelilingi diafragma
penginderaan internal paling sering adalah minyak silikon.
Transmitter dengan cairan pengisi oli silikon adalah standar
untuk sebagian besar kebutuhan pengukuran proses.
Cairan pengisi khusus, seperti Fluorolube atau
chlortrifluorethylene (CTFE), tersedia atas permintaan
untuk kebutuhan aplikasi khusus. Karena silikon dapat
bereaksi hebat dengan oksigen atau klorin basah jika terjadi
kebocoran diafragma pemancar, cairan pengisi seperti
Fluorolube merupakan pilihan yang lebih aman. Fluorolube
stabil jika kebocoran terjadi pada oksigen atau layanan
klorin basah.
Housing
Housing elektronik pemancar dievaluasi ketahanannya
terhadap guncangan, getaran, korosi, dan kelembaban.
Housing biasanya memiliki kompartemen terpisah
(kompartemen ganda) untuk modul elektronik dan junction
box untuk sambungan kabel di lapangan.
173
Feedthrough Assembly
Pressure Transmitter tidak memiliki catu daya sendiri,
sehingga menjadi perlu untuk memiliki alat yang
menyediakan daya serta menerima sinyal proses pemancar
tanpa mengorbankan elektronik pemancar. Pemancar yang
digunakan di lingkungan industri memiliki port atau bukaan
di rumahan untuk sambungan listrik dan sinyal. Port dapat
disebut sebagai "rakitan umpan-balik" karena melalui port
sambungan listrik inilah catu daya dan kabel sinyal
"dimasukkan" ke pemancar. Port sambungan listrik sering
kali hanya ditentukan sebagai jumlah inci benang pipa.
Singkatan NPT (benang pipa nasional), FNPT atau
NPTF (benang pipa nasional, sambungan perempuan)
menentukan benang pipa per inci. Saluran untuk kabel
listrik pabrik cocok dengan port berulir ini. Jika standar
kabel instalasi menggunakan saluran nonmating, adaptor
dan bushing dapat dipesan untuk menyesuaikan pemancar.
Setelah pemasangan kabel selesai, bukaan sambungan port
harus ditutup dengan benar untuk mencegah masuknya
kontaminan dan uap korosif ke dalam rumahan.
174
Proses Koneksi
Proses koneksi dari transmitter ke proses dibuat dengan
menggunakan impulse tubing atau piping yang terhubung
ke pressure port transmitter. Port tekanan ditentukan
dalam jumlah inci ulir pipa (NPT, FNPT, atau NPTF).
Spesifikasi NPT dapat ditinjau untuk menentukan apakah
ada adaptor yang diperlukan untuk membuat perpipaan
sesuai dengan praktik perpipaan pabrik. Threading port
tekanan dibuat menjadi flange logam pemancar yang sering
disebut sebagai "process head". Konfigurasi process head
bervariasi bergantung pada jenis Pressure Transmitter.
Variasinya meliputi:
• Kepala proses berujung tunggal muncul pada
Pressure Transmitter absolut dan pengukur.
• Kepala proses berujung ganda muncul pada
Pressure Transmitter diferensial.
• Untuk pengukuran ketinggian cairan, diafragma
yang dipasang pada flange muncul di ujung badan
pengukur dan kepala proses diferensial standar
muncul di ujung lainnya.
175
Aksesoris
Apa yang dianggap sebagai aksesori pengukur tekanan
berbeda-beda di antara pengguna. Aksesori meliputi:
• Siphons - Syphons harus dipasang dalam layanan
uap dan cairan di atas 250 ° F.
• Snubber - Snubber digunakan untuk peredam
denyut
Selain itu, beberapa vendor menganggap item berikut
sebagai aksesori:
• Perlengkapan adaptor - Perlengkapan adaptor
khusus dapat dibeli untuk kelistrikan pemancar dan
/ atau sambungan proses agar pemancar mematuhi
praktik pabrik, atau untuk mengakomodasi
konfigurasi perpipaan yang ada.
• Pengukur jarak jauh - Pemancar dapat dipesan
dengan pengukur keluaran integral yang
menampilkan representasi analog atau digital dari
nilai tekanan.
• Perangkat lunak kalibrasi - Vendor menyediakan
perangkat lunak yang mencatat dan membantu
dalam aktivitas kalibrasi.
176
• Komunikator genggam mikroprosesor -
Komunikator lapangan berguna untuk melakukan
pemeliharaan dan konfigurasi jarak jauh pada
pemancar berbasis mikroprosesor; namun,
komunikator lapangan tidak universal karena sifat
sinyal keluaran digital pemancar yang tidak standar
dan tidak standar.
6.7. Performa
Kinerja Pressure Transmitter dapat dievaluasi dengan
beberapa cara berbeda. Beberapa pendekatan adalah
sebagai berikut:
• Perbandingan akurasi putaran lapangan
• Perbandingan kinerja pemancar berbasis
pneumatik, konvensional, dan mikroprosesor
• Evaluasi contoh aplikasi
• Perbandingan tingkatan kinerja pemancar berbasis
mikroprosesor
177
Peningkatan Akurasi Field Loop
Kinerja pemancar konvensional versus pemancar berbasis
mikroprosesor dapat dievaluasi dari perspektif peningkatan
akurasi loop kontrol secara keseluruhan, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 53. Perhatikan perbedaan dalam
akurasi loop kontrol ketika output sinyal digital digunakan.
Gambar 53. Perbandingan Akurasi dari Field Control Loop
Perbandingan Pemancar Berbasis Pneumatik,
Konvensional, dan Mikroprosesor
Sebagai contoh bagaimana pemancar berbasis
mikroprosesor dibandingkan dengan pemancar elektronik
pneumatik dan konvensional, lihat Gambar 54 yang
menggunakan data tipikal untuk membandingkan kinerja
pemancar.
178
Gambar 54. Perbandingan Performa Pressure Transmitter
Evaluasi Contoh Aplikasi
Aplikasi pengukuran aliran yang memiliki aliran yang sangat
bervariasi menggambarkan keunggulan kinerja Pressure
Transmitter berbasis mikroprosesor dibandingkan
pemancar konvensional. Aliran kesimpulan pemancar
konvensional dari tekanan diferensial melintasi batasan
dibatasi dalam jangkauannya. Pressure Transmitter
diferensial (DP) konvensional memiliki batasan kinerja saat
digunakan dalam aplikasi aliran. Elemen aliran yang
menciptakan penurunan tekanan didasarkan pada
hubungan hukum akar kuadrat antara tekanan diferensial
dan laju aliran. Jika terjadi penurunan 10: 1 pada debit,
179
penurunan 100: 1 terjadi pada sinyal yang dikembangkan
karena hubungan akar kuadrat. Pemancar DP 4 mA hingga
20 mA konvensional dibatasi di sini karena penurunannya
sering kali 6: 1. Saat menggunakan pemancar konvensional,
cara umum untuk meningkatkan jangkauan pemancar
adalah dengan mengalirkan dua Pressure Transmitter
diferensial dengan rentang operasi berbeda dalam alur
yang sama. Karena pemancar berbasis mikroprosesor
memiliki jangkauan yang lebih tinggi, hanya satu pemancar
yang dipasang pada garis aliran untuk mengukur aliran.
Perbandingan Tingkat Kinerja Pemancar Berbasis
Mikroprosesor
Sementara pemancar berbasis mikroprosesor lebih unggul
dalam kinerja daripada pemancar konvensional dan
pneumatik, perlu dicatat bahwa beberapa pengguna
percaya bahwa Pressure Transmitter berbasis
mikroprosesor terbagi dalam tiga tingkatan kinerja yang
berbeda. Berikut diskusi singkat yang menjelaskan
tingkatan kinerja pemancar berbasis mikroprosesor ini:
• Pemancar berkinerja tinggi.
180
• Pemancar kinerja kelas menengah
• Pemancar berkinerja rendah
Pemancar Kinerja Tinggi menghabiskan lebih
banyak waktu di ruang karakterisasi pabrikan dibandingkan
dengan Pressure Transmitter jarak menengah. Hasilnya,
pemancar memiliki lebih banyak data untuk suhu dan
kompensasi tekanan statis pada rentang operasi yang lebih
luas. Pemancar berkinerja tinggi digunakan dalam aplikasi
kritis, seperti transfer tahanan, yang membutuhkan tingkat
akurasi pengukuran yang sangat tinggi. Akurasi berkisar dari
± 0,075% hingga ± 0,1% rentang. Pemancar berkinerja tinggi
cenderung lebih mahal daripada pemancar kelas
menengah.
Pemancar Kinerja Kelas Menengah lebih umum
digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan tingkat
akurasi tinggi. Aplikasi termasuk aliran yang tidak mewakili
transfer tahanan, atau pengukur bejana dan pengukuran
tekanan absolut. Akurasi berada dalam kisaran rentang ±
0,1%. Pemancar kinerja kelas menengah lebih murah
181
daripada pemancar kinerja tinggi, dan lebih mahal daripada
pemancar kinerja kelas bawah.
Pemancar Kinerja Rendah lebih umum digunakan untuk
aplikasi di mana pemancar dipasang di lokasi terpencil atau
berbahaya dan diperlukan keakuratan yang baik. Keputusan
dalam aplikasi ini adalah menggunakan pemancar berbasis
mikroprosesor low-end atau pemancar konvensional 4 mA
hingga 20 mA. Kemampuan komunikasi jarak jauh
pemancar berbasis mikroprosesor sering menjadi faktor
penentu. Perbedaan biaya antara pemancar berkinerja
rendah dan pemancar konvensional 4 mA hingga 20 mA
sedikit.
Instalasi
Transmitter memiliki badan pengukur yang sesuai untuk
pengukuran tekanan pengukur, absolut, dan diferensial.
Kriteria instalasi meliputi:
• Jenis layanan
• Prosedur dan opsi pemasangan
182
Jenis Layanan
Koneksi proses pemancar (Gambar 55) bergantung pada
media proses dan / atau layanan yang ditujukan untuk
pemancar. Pengukuran tekanan gas, cairan, atau uap
mengharuskan pemancar ditempatkan dengan benar.
Gambar 55. Lokasi Proses Koneksi Transmitter
Instalasi
Pressure Transmitter diferensial memiliki dua koneksi port
masuk proses. Satu koneksi port masuk untuk input
183
tekanan tinggi dan koneksi lainnya untuk input tekanan
rendah. Meskipun Pressure Transmitter diferensial
digunakan dalam berbagai aplikasi pengukuran tekanan,
penggunaan Pressure Transmitter diferensial yang paling
sering digunakan adalah sebagai pengukur aliran. Tekanan
diferensial dibuat dalam aliran melalui pembuatan
penurunan tekanan melintasi elemen aliran seperti pelat
orifice. Pengukuran tekanan diferensial untuk aplikasi aliran
sering kali menggunakan serangkaian katup dan manifol
penghalang (Gambar 56).
Gambar 56. Blockoff Valve dan Manifold
184
Filosofi posisi pemasangan adalah untuk
mempertahankan garis penginderaan yang penuh dengan
cairan yang diinginkan dan memungkinkan kondensat
dalam kasus gas atau uap untuk tidak mencetak
pengukuran. Untuk layanan cairan, metode yang disukai
adalah menempatkan pemancar di bawah lubang. Garis
harus diisolasi jika fluida akan mengubah suhu dari keadaan
mengalir menjadi statis di area pengukuran.
Gambar 57. Contoh Koneksi Pressure Transmitter Absolut
Pressure Transmitter absolut hanya memiliki satu
koneksi proses untuk mengukur tekanan. Pressure
185
Transmitter absolut dapat digunakan untuk mengukur
tekanan dalam bejana atau pipa. Pemancar biasanya
terletak di atas keran proses untuk memungkinkan
pengeringan kondensat (Gambar 57).
Pertimbangan dalam menggunakan Pressure
Transmitter absolut mengikuti:
• Prosedur kalibrasi untuk Pressure Transmitter
absolut bisa jadi rumit.
• Pressure Transmitter absolut yang dicampur
dengan Pressure Transmitter gauge dalam
konfigurasi kontrol dapat membingungkan personel
pendukung, dan mungkin mengakibatkan
kesalahan kalibrasi atau konfigurasi.
Pressure Transmitter gauge hanya memiliki satu
koneksi proses untuk mengukur tekanan. Sebuah Pressure
Transmitter gauge dapat digunakan untuk pengukuran level
tangki terbuka. Gambar 58 menunjukkan pengaturan
perpipaan industri tipikal untuk pengukuran Pressure
Transmitter gauge. Dalam jenis pengukuran level ini, sisi
pemancar bertekanan tinggi dihubungkan ke tangki,
186
sedangkan sisi rendah Pressure Transmitter terbuka untuk
tekanan atmosfer.
Gambar 58. Koneksi Gauge Pressure
187
6.8. Prosedur dan Opsi Pemasangan
Prosedur pemasangan vendor harus diikuti saat
memasang Pressure Transmitter; jika tidak, kualitas
pengukuran kemungkinan besar akan terganggu.
Pemasangan pemancar yang benar mencakup meninjau
kebutuhan berikut:
• Perpipaan impulsif
• Dukungan pemasangan
• Manifold dan katup blok
• Kabel sinyal
• Proses kedekatan dengan badan meter
Impulse Piping (garis pengukur) mentransfer
tekanan proses ke pemancar. Membuat panjang pipa
sependek mungkin, sambil meminimalkan tikungan dan
belokan, adalah hal mendasar untuk pengukuran yang
tepat. Mencegah gas dalam perpipaan cair, cairan dalam
perpipaan gas, variasi kerapatan yang disebabkan suhu,
kebocoran, titik tinggi dalam perpipaan cair, dan titik
rendah dalam perpipaan gas merupakan tindakan
pencegahan. Garis kemiringan yang tepat (biasanya 80
188
milimeter per meter, untuk rasio 1:10) ke sambungan keran
sering diperlukan di banyak instalasi.
Penopang Pemasangan - Pemasangan pipa atau
braket pemasangan di dinding adalah pilihan. Manifold dan
Block Valves yang dipasang di impulse piping mengizinkan
servis selama kalibrasi, commissioning, dan pemecahan
masalah.
Proses Kedekatan dengan Badan Pengukur - Badan
pengukur pemancar tidak boleh bersentuhan dengan
bahan korosif dan panas. American Petroleum Institute
(API) Recommended Practice (RP) 551, Bagian 4.4,
menjelaskan detail tambahan tentang praktik pemasangan
pressure transmitter.
6.9. Aplikasi
Gambaran umum aplikasi Pressure Transmitter
mencakup pembahasan tentang hal berikut:
• Aplikasi pengukuran tekanan
• Aplikasi switch tekanan
• Indikasi lokal
• Indikasi jarak jauh
189
• Kontrol
Aplikasi Pengukuran Tekanan
Pressure Transmitter yang paling umum digunakan adalah
Pressure Transmitter diferensial. Pressure Transmitter
diferensial digunakan untuk mengukur level, antarmuka
kepadatan, dan aliran. Meskipun pengukuran tekanan
diferensial mendominasi, contoh pengukuran tekanan
tipikal menggunakan Pressure Transmitter pengukur,
absolut, diferensial, atau vakum meliputi yang berikut ini:
• Tekanan pengukur diukur dalam pemisahan minyak
dan gas, sistem pompa, bejana tekan, dan sistem
kontrol kompresor.
• Tekanan absolut diukur di menara distilasi vakum
kilang. Menara vakum menyaring sebagian besar
minyak gas dari minyak mentah, meninggalkan
bahan residu aspal. Tekanan operasi menara vakum
tipikal adalah 1 hingga 5 psia.
• Pengukuran tekanan diferensial dilakukan
- melintasi baki di kolom distilasi
- di saluran pemanas untuk menunjukkan
posisi peredam
190
- di scrubber untuk memantau penurunan
tekanan
- di saluran pemanas untuk menunjukkan
posisi peredam
- di dalam saluran untuk mengukur
kecepatan udara
- di seluruh filter untuk memantau kondisi
filter
• Tekanan vakum diukur dalam pemanas yang
dibakar untuk indikasi draft pemanas. (Untuk
contoh industri tipikal tambahan, lihat bagian
tentang tekanan pengukur regangan
Suatu aplikasi mungkin memerlukan beberapa
bentuk pengukuran tekanan. Gambar 59 menunjukkan
kolom penstabil minyak mentah tempat pengukuran
tekanan diferensial (PdT 4 dan PdT 5) dilakukan melintasi
baki kolom. Pengukuran tekanan diferensial juga digunakan
untuk menyimpulkan level pada LIT 6.
191
Gambar 59. Pengukuran Tekanan DIferensial
Kolom penstabil minyak mentah yang sama
(Gambar 60) membutuhkan pengukuran tekanan pengukur
untuk umpan mentah ke kolom (PIT 2 dan PIT 3) dan gas
yang keluar dari kolom (PIT 1).
192
Gambar 60. Pengukuran Gauge Pressure
Pressure Transmitter absolut dapat digunakan
untuk mengukur tekanan dalam bejana atau pipa. Misalnya,
menara vakum beroperasi pada tekanan 1 psia hingga 5
psia. Tekanan di bawah atmosfer diperlukan dalam menara
vakum untuk menyaring sebagian besar minyak gas keluar
dari minyak mentah tanpa memerlukan suhu berlebih yang
dapat menyebabkan pembusukan.
193
Gambar 61. Contoh Pengukuran Tekanan Absolut
Aplikasi Switch Tekanan
Aplikasi switch tekanan memiliki tujuan berikut:
• Switch tekanan menghasilkan alarm untuk
mengingatkan personel operasi bahwa ada yang
tidak beres.
• Switch tekanan menghasilkan perjalanan peralatan
untuk melindungi peralatan dan personel proses.
194
• Switch tekanan menghasilkan trip peralatan untuk
mencegah kondisi abnormal memburuk.
Memastikan bahwa perjalanan dan alarm harus
berfungsi sebagaimana yang dirancang sering kali berarti
melakukan pemeliharaan preventif berkala, menggunakan
praktik desain yang baik, dan menguji perjalanan atau
alarm. Kekhawatiran yang khas adalah bahwa personel
operasi menghindari melewati perjalanan yang salah, yang
menggagalkan tujuan melindungi personel dan peralatan
pabrik.
Suatu sistem yang memuat alarm trip biasanya
dirancang dengan asumsi jika suatu kondisi yang tidak aman
dapat terjadi karena kegagalan peralatan dan kesalahan
operator maka kesalahan tersebut akan terjadi. Asumsi
tersebut dibandingkan dengan kemungkinan bahwa
perjalanan yang tidak disengaja bisa sama berbahayanya
atau lebih berbahaya daripada gangguan yang sebenarnya.
Saat menerapkan switch tekanan, insinyur
mempertimbangkan konsekuensi dari gangguan proses
aktual dan perjalanan yang tidak disengaja.
195
Switch tekanan dan Pressure Transmitter terkadang
tidak berbagi keran proses yang sama. Alasan di balik ini
adalah bahwa jika keran tekanan dicolok, bukan hanya
personel operasi tidak akan menyadari gangguan, tetapi
alarm tidak akan muncul. Untuk aplikasi kritis, switch dan
pemancar memiliki kerannya sendiri.
Sebagai contoh aplikasi Pressure Transmitter dan
switch tekanan, pertimbangkan kolom distilasi (Gambar
62), di mana Pressure Transmitter dan switch digunakan
untuk memantau tekanan menara.
196
Gambar 62. Contoh Pressure Transmitter dan Switch
Indikasi Lokal
Pengukur indikasi lokal tersedia sebagai opsi untuk Pressure
Transmitter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 63.
Instrumen berbasis mikroprosesor memiliki pilihan untuk
menggunakan pengukur tampilan analog atau pengukur
tampilan digital. Pengukur tampilan digital pada Gambar 63
menyediakan data seperti variabel proses dalam unit
teknik, pembacaan digital variabel proses, dan status
diagnostik pemancar.
Gambar 63. Indikasi Lokal
197
Indikasi Jarak Jauh
Indikasi jarak jauh dimungkinkan untuk Pressure
Transmitter, contoh yang ditunjukkan pada Gambar 64
menunjukkan tampilan pemancar yang muncul di ruang
operator sistem kontrol terdistribusi.
Gambar 64. Indikasi Jarak Jauh dari Transmitter
198
Gambar 65. Komunikasi Digital untuk Kontrol
Kontrol
Vendor utama sistem kontrol terdistribusi (DCS) memiliki
kartu opsi digital yang dapat dipasang di pengontrol
mereka. Kartu opsi digital memungkinkan komunikasi
antara masing-masing instrumen berbasis mikroprosesor
dan DCS (Gambar 65).
199
BAB 7 - Mengevaluasi Teknik Sealing dan
Aplikasinya
Pressure Transmitter terhubung ke proses secara
langsung melalui jalur perpipaan impuls. Cairan proses (gas
atau cairan) meninggalkan pipa proses dan memasuki jalur
perpipaan impuls. Cairan proses yang sama memasuki
tubuh Pressure Transmitter. Namun, dalam aplikasi
tertentu, beberapa cairan proses dapat berbahaya bagi
tubuh Pressure Transmitter. Untuk alasan itu, teknik
penyegelan digunakan dalam aplikasi tertentu, terutama
aplikasi asam. Jika teknologi kimia dan segel jarak jauh tidak
tersedia, banyak pengukuran proses tidak mungkin
dilakukan.
7.1. Teknik dan Aplikasi Segel
Teknik dan aplikasi penyegelan memiliki tujuan
untuk melindungi perangkat pengukur tekanan dan
peralatan terkait serta melindungi personel yang mungkin
200
harus memelihara dan mengoperasikan peralatan tersebut.
Segel diterapkan di mana
• Cairan proses (gas atau cairan) panas, korosif dan /
atau beracun, dan berpotensi merusak sensor
tekanan.
• Cairan proses kental dan dapat menyumbat sensor
tekanan. Teknik penyegelan umumnya terbagi
dalam dua kategori:
• Segel bahan kimia - Segel bahan kimia pada
dasarnya adalah pelindung diafragma lokal,
terhubung langsung (berpasangan rapat) untuk
memproses perpipaan.
• Segel jarak jauh - Segel jarak jauh pada dasarnya
adalah pelindung diafragma "jarak jauh" yang
dipasang pada proses perpipaan dan terhubung ke
pipa kapiler pemancar.
Perhatikan bahwa vendor menempatkan tanggung
jawab pada pengguna untuk pemilihan segel. Pemilihan
yang tidak tepat tidak akan berfungsi dengan baik dan
dapat melukai personel.
201
Segel Kimia
Jenis segel kimia yang sangat umum adalah segel
diafragma. Segel diafragma dapat digunakan dengan
sebagian besar teknologi sensor tekanan. Segel kimia terdiri
dari diafragma (terbuat dari elastomer, logam, atau teflon)
yang diapit di antara selubung atas dan selubung bawah.
Rumah atas dipasang ke instrumen pengukuran tekanan.
Rumah atas berisi fluida pengisi (seperti silikon atau oli
instrumen) yang bertindak sebagai media hidrolik untuk
mentransfer sinyal tekanan. Rumah bawah dirancang untuk
beradaptasi dengan koneksi proses dan berisi cairan proses.
Ketika tekanan proses diterapkan ke sisi koneksi proses
diafragma, tekanan yang sama diberikan pada sisi
instrumen rumahan ke sensor tekanan instrumen.
Kebanyakan segel kimiawi mengizinkan pelepasan
dan penggantian instrumen pengukur tekanan. Beberapa
seal memungkinkan pelepasan housing atas dan diafragma
seal, sedangkan housing bawah tetap terpasang ke koneksi
proses. Aplikasi berbahaya biasanya menggunakan jenis
seal ini, yang disebut seal tugas kontinu.
202
Gambar 66. Diaphragm Seal
Jenis Segel Lainnya
Jenis segel kimia lainnya adalah segel volumetrik. Jenis
segel ini terdiri dari anggota fleksibel, rumahan, dan fluida
pengisi. Anggota fleksibel dapat berupa bellow, tabung
Bourdon, atau diafragma. Contoh segel volumetrik adalah
segel diafragma yang diperpanjang. Segel diafragma yang
diperpanjang menonjol ke dalam bejana proses. Diafragma
yang diperpanjang meminimalkan area di mana cairan
proses dapat menumpuk terhadap diafragma dan
menyebabkan kesalahan pengukuran.
203
Pressure Transmitter Segel Jarak Jauh
Kunci untuk memahami Pressure Transmitter segel jarak
jauh adalah bahwa itu harus dianggap sebagai sistem
pengukuran. Artinya, sistem pengukuran dipengaruhi oleh
interaksi beberapa faktor, seperti ukuran diafragma, jenis
fluida pengisi, panjang dan diameter kapiler, serta variasi
suhu. Faktor-faktor tersebut, seperti faktor-faktor yang
mempengaruhi dalam sistem apa pun, bersifat kompleks
dan saling bergantung.
Gambar 67. Contoh Remote Seal Transmitter
Pressure Transmitter segel jarak jauh memiliki
badan yang sama dengan Pressure Transmitter standar,
204
tetapi sering dianggap sebagai jenis Pressure Transmitter
yang terpisah. Pressure Transmitter diferensial segel jarak
jauh (Gambar 67) terdiri dari badan pemancar yang
memiliki sensor tekanan diferensial dan dua elemen segel
diafragma. Kapiler menghubungkan setiap elemen segel ke
badan pemancar. Kapiler dapat dilapisi pelindung untuk
perlindungan fisik dan untuk mencegah korosi. Elemen
segel, kapiler, dan badan pemancar diisi dengan cairan
seperti silikon, air dan glikol, fluorolube, atau cairan lain
yang dibutuhkan secara khusus.
Meskipun badan pemancar serupa dengan badan
Pressure Transmitter, pabrik mungkin telah memodifikasi
badan pemancar untuk meminimalkan volume fluida
pengisi. Volume diminimalkan untuk mengimbangi
kesalahan ekspansi dan kontraksi fluida yang disebabkan
oleh perubahan suhu. Segel jarak jauh menjadi lebih
populer di industri sebagai solusi sederhana, daripada kaki
dengan cairan pengisi yang dapat bervariasi.
Elemen penyegelan terdiri dari diafragma logam
tipis dengan lilitan. Kapiler menghubungkan rongga di
bawah diafragma ke salah satu sambungan tekanan port
205
masuk dari Pressure Transmitter segel jarak jauh.
Perhatikan bahwa ada tiga area fluida pengisi dalam
Pressure Transmitter diferensial segel jarak jauh - kapiler,
ruang pemancar itu sendiri, dan rongga yang terbentuk
antara diafragma dan flange. Produsen mencoba untuk
menjaga volume total fluida pengisi sekecil mungkin untuk
meminimalkan efek pada kecepatan respons pemancar.
Gambar 68. Tipe Remote Seal
Jenis Segel Jarak Jauh - Segel jarak jauh tersedia
dalam berbagai gaya (Gambar 68). Kisaran tekanan yang
206
akan diukur dan koneksi proses yang diperlukan untuk
pemasangan membantu menentukan jenis segel yang akan
digunakan. Gaya meliputi jenis berikut - pancake, extended
diaphragm, saddle, flush flanged, chemical tee.
Pertimbangan Ukuran Diafragma - Umumnya
ukuran diafragma yang dipilih harus menghasilkan
diafragma yang cukup fleksibel untuk mengukur rentang
yang diinginkan sekaligus memiliki respons minimal
terhadap perubahan volume fluida pengisi yang disebabkan
oleh suhu. Misalnya, diafragma berdiameter kecil tidak
digunakan dengan rentang tekanan yang sangat kecil.
Fleksibilitas diafragma ditentukan oleh kecepatan
pegasnya; diafragma fleksibel memiliki nilai kecepatan
pegas yang lebih rendah.
Respon dari sistem fluida terisi berubah karena
perubahan volume yang disebabkan oleh suhu. Jika suhu
menurun, tekanan internal berkurang dengan jumlah yang
sesuai. Jumlah perubahan tekanan dalam sistem terisi
diberikan oleh
ΔP = V e ΔT / C
Dimana,
207
ΔP = perubahan tekanan, inci kolom air (masuk w.c.)
gauge
V = volume cairan yang terkena perubahan suhu, in.3
e = koefisien muai panas volumetrik cairan, in.3/in.3 oF
ΔT = perubahan suhu diterapkan pada cairan, °F
C = kepatuhan diafragma segel, in.3/in. w.c.
Responnya tergantung pada apa yang disebut
kepatuhan diafragma seal. Perubahan suhu - ambien dan
proses terkait - menyebabkan volume fluida dalam sistem
yang terisi berubah. Perhatikan bahwa satu-satunya
elemen yang dapat bergerak di dalam sistem adalah
diafragma seal. Hubungan antara perubahan volume yang
diterapkan pada diafragma dan perubahan tekanan yang
sesuai disebut kepatuhan. Kesesuaiannya sering
ditampilkan sebagai kurva grafik (Gambar 69), yang
menggambarkan perbedaan tekanan di seluruh diafragma
terhadap volume yang dibatasi oleh diafragma.
Isi Cairan - Produsen rakitan segel jarak jauh
menawarkan Silicone DC 200, CTFE, dan Silicone DC 704.
DC704 dapat digunakan dalam suhu proses dari 30 hingga
450 ° F, DC 200 dari -40 hingga 350 ° F, dan CTFE dari -5
208
hingga 300 ° F. DC 200 memiliki konstanta waktu tercepat
0,2 detik. untuk kapiler 10 kaki pada suhu 85 ° C.
Gambar 69. Contoh Diaphragm Compliance Curve
Isi Cairan - Berbagai jenis cairan pengisi dapat
digunakan dalam sistem segel jarak jauh. Pilihan cairan
pengisi termasuk minyak instrumen, berbagai tingkat
silikon, Fluorolube, dan halokarbon. Pertimbangan utama
saat mengevaluasi fluida pengisi adalah fluida tidak
bereaksi secara kimiawi dengan proses dan bahan lain.
Selain itu, fluida pengisi dievaluasi sebagai berikut:
• Kompresibilitas - Cairan pengisi harus tidak dapat
dimampatkan sehingga defleksi diafragma segel
209
jarak jauh harus menggerakkan cairan segel.
Misalnya, jika cairan segel adalah udara, maka
udara akan memampatkan dan memberikan lebih
sedikit tekanan terhadap diafragma pemancar,
sehingga menghasilkan kinerja yang kurang dari
yang diinginkan.
• Viskositas - Cairan segel harus memiliki viskositas
rendah karena kecepatan respons dipengaruhi oleh
viskositas fluida pengisi. Semakin tinggi
viskositasnya, semakin lambat responsnya.
• Kisaran suhu - Cairan pengisi harus tetap cair di atas
kisaran suhu.
• Kelambanan kimiawi - Cairan pengisi harus non-
reaktif dengan komponen pemancar dan pipa
kapiler.
• Koefisien muai panas - Idealnya, volume fluida
pengisi harus tetap konstan seiring perubahan
suhu; yaitu, ekspansi termal rendah.
• Densitas - Waktu respons lebih lama untuk cairan
yang lebih padat.
210
• Tekanan uap - Pengukuran tekanan vakum harus
menggunakan cairan pengisi dengan tekanan uap
rendah untuk mencegah diafragma menggembung.
Pertimbangan kapiler termasuk meninjau panjang
kapiler dan ukuran lubang kapiler (diameter).
• Panjang - Panjang kapiler biasanya ditentukan
sebelumnya oleh persyaratan pemasangan.
• Ukuran lubang - Ukuran lubang kapiler terkadang
memerlukan pengorbanan teknis. Ukuran lubang
kecil meminimalkan efek suhu. Ukuran lubang yang
besar meminimalkan efek pada waktu respons.
(Catatan: Vendor hanya dapat menawarkan satu
ukuran kapiler.)
7.2. Karakteristik Segel Jarak Jauh
Karakteristik segel jarak jauh yang dievaluasi meliputi:
• Efek suhu
• Waktu merespon
• Nol dan penyesuaian rentang
• Akurasi
211
Pengaruh Suhu
Ketika temperatur berubah, fluida pengisi akan
mengembang atau berkontraksi berdasarkan sifat fisiknya.
Saat suhu meningkat, volume fluida pengisi meningkat.
Perubahan sifat fluida pengisi berarti bahwa tekanan
internal berubah, dan berpotensi menghasilkan pergeseran
nol atau kesalahan pengukuran.
Waktu merespon
Waktu respons sistem pengukuran tekanan seal jarak jauh
bergantung pada empat faktor:
• Volume fluida pengisi berubah yang direspons oleh
Pressure Transmitter.
• Panjang kapiler total. Waktu respons berbanding
lurus dengan panjang kapiler.
• Diameter kapiler. Waktu respon berbanding
terbalik dengan kekuatan keempat diameter
kapiler.
• Viskositas fluida pengisi. Suhu rata-rata yang ada di
sepanjang kapiler mempengaruhi kecepatan
respon.
212
Zero dan Span Adjustment
Setelah pemancar dipasang, penyesuaian nol pemancar
dilakukan untuk menghilangkan pergeseran nol.
Akurasi
Kesalahan sistem segel dapat diperkirakan menggunakan
hubungan berikut:
• VT = (VCAV) + (VCAP) + (VSEAL)
• Error = [(VT) (SR) (100)] / PS
Dimana,
VT = perubahan volume fill fluida total
VCAV = perubahan volume fill fluida di rongga
VCAP = perubahan volume fill fluida di kapiler
VSEAL = perubahan volume fill fluida di diafragma segel
SR = laju pegas diafragma
PS = rentang tekanan terkalibrasi dalam psi atau inci
H2O
Catatan: Perhitungan hanya menunjukkan kesalahan untuk
sistem segel. Ini dapat ditambahkan ke kesalahan pemancar
untuk mendapatkan total kemungkinan kesalahan (TPE).
213
Referensi Tambahan
Referensi tambahan untuk evaluasi seal bisa dilihat di
Gambar 70.
Gambar 70. Referansi Evaluasi Seal
214
DAFTAR PUSTAKA
Arnau, A. (Ed.). (2004). Piezoelectric transducers and
applications (Vol. 2004). Heidelberg: Springer.
Bera, S. C., Mandal, N., & Sarkar, R. (2010). Study of a
pressure transmitter using an improved inductance
bridge network and bourdon tube as
transducer. IEEE Transactions on Instrumentation
and Measurement, 60(4), 1453-1460.
Cheatle, K. (2006). Fundamentals of test measurement
instrumentation. ISA--Instrumentation, Systems,
and Automation Society.
Gautschi, G. (2002). Piezoelectric sensors. In Piezoelectric
Sensorics (pp. 73-91). Springer, Berlin, Heidelberg.
Hashemian, H. M., & Jiang, J. (2009). Pressure transmitter
accuracy. ISA transactions, 48(4), 383-388.
Hay, A. D., Maron, R. J., Dunphy, J. R., & Pruett, P. E.
(1999). U.S. Patent No. 5,877,426. Washington, DC:
U.S. Patent and Trademark Office.
Hollender, M. (2010). Collaborative process automation
systems. ISA.
215
Kuphaldt, T. R. (2008). Lessons in industrial instrumentation.
Creative Commons Attribution/PAControl. com.
Lipták, B. G. (Ed.). (2018). Instrument Engineers' Handbook,
Volume Two: Process Control and Optimization (Vol.
2). CRC press.
Lipták, B. G. (Ed.). (2003). Instrument Engineers' Handbook,
Volume One: Process Measurement and
Analysis (Vol. 1). CRC press.
Li, P. Y., Sheybani, R., Gutierrez, C. A., Kuo, J. T., & Meng, E.
(2009). A parylene bellows electrochemical
actuator. Journal of Microelectromechanical
Systems, 19(1), 215-228.
Whitt, M. D. (2006). Successful Instrumentation and Control
Systems Design, (with CD). ISA.
Shapiro, Y., Wolf, A., & Gabor, K. (2011). Bi-bellows:
Pneumatic bending actuator. Sensors and Actuators
A: Physical, 167(2), 484-494.
216
TENTANG PENULIS
Fitri Rahmah menyelesaikan program
Sarjana dan Magister di Jurusan Teknik Fisika
Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Surabaya pada tahun 2013 dan 2015.
Program Magister ditempuh dengan
bantuan Beasiswa Pendidikan Pascasarjana Dalam Negeri
(BPP-DN) Calon Dosen. Sejak Desember 2015 hingga
sekarang aktif menjadi dosen di Program Studi Teknik Fisika
Universitas Nasional Jakarta.
Tentang Penulis
Fitri Rahmah menyelesaikan program Sarjana dan Magister di Jurusan Teknik Fisika Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya pada tahun 2013 dan 2015. Program Magister ditempuh dengan bantuan Beasiswa Pendidikan Pascasarjana Dalam Negeri (BPP-DN) Calon Dosen. Sejak Desember 2015 hingga sekarang aktif menjadi dosen di Program Studi Teknik Fisika Universitas Nasional Jakarta.