LECTURE 2

SISTEM PENGUKURAN UMUM

2.1. Sistem Pengukuran Tekanan

Tekanan (pressure) adalah gaya (F) yang bekerja persatuan luas (A), dengan

demikian satuan tekanan identik dengan satuan tegangan (stress).

AFP = (tekanan) ~

AFσ = (stress)

Dalam konsep ini tekanan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan oleh fluida pada

tempat yang mewadahinya. Tekanan mutlak (absolute pressure) adalah nilai mutlak

tekanan yang bekerja pada wadah tersebut. Tekanan relatif atau tekanan pengukuran

(gage pressure) adalah selisih antara tekanan mutlak dan tekanan atmosfir. Tekanan

vakum atau hampa (vacuum) menunjukkan seberapa besar tekanan dibawah tekanan

atmosfir atau tekanan relative negatif.

Gambar 2-1 dibawah ini menunjukkan perbedaan diantara ketiga tekanan diatas.

Gambar 2-1 Berbagai Macam Tekanan Beberapa satuan tekanan yang umum dipakai:

1 atm (atmosfir) = 14,696 psi (dalam teknik = 14,7 psi)

= 1,01325 × 105 (Pa) (dalam teknik = 105 Pa )

= 760 mmHg = 76 cm Hg

1 Pa (pascal) = 1 (N/m2)

1 Torr = 1 mmHg

1 Bar = 105 Pa = 105

N/m2

Pada bagian berikut ini akan diuraikan beberapa peralatan yang sering digunakan

untuk pengukuran tekanan (Holman, 1985)

2.1.1. Manometer Tabung

Manometer sangat banyak digunakan untuk pengukuran tekanan fluida pada keadaan

stedi. Gambar 2-2 memperlihatkan sebuah manometer tabung U. Perbedaaan tekanan

yang tidak diketahui p dengan tekanan atmosfir, Pa , merupakan fungsi ketinggian h.

Gambar 2-2 Skema Manometer Tabung U

Pembacaan pada skala tersebut dinyatakan oleh :

Equation 2-1

atau

Equation 2-2

dengan P = tekanan yang akan diukur

pa = tekanan atmosfir

ρm = densitas fluida manometer

ρf = densitas fluida transmisi

Manometer dapat pula dipasang dalam posisi miring agar mendapat skala yang

lebih teliti.

2.1.2. Tabung Bourdon

Pengukur tabung Bourdon banyak digunakan untuk pengukuran tekanan statis

(contoh: bejana tekan/tanki), harganya relatif murah, tetapi cukup dapat diandalkan.

Konstruksi tabung Bourdon dapat dilihat pada gambar 2-3. Tabung Bourdon biasanya

mempunyai penampang elips dan konfigurasi "C". Bila terdapat tekanan dalam tabung

tersebut, akan terjadi deformasi elastik pada tabung, yang dalam keadaan ideal sebanding

dengan tekanan. Ujung pengukur ini dihubungkan dengan suatu penghubung berpegas

yang memperbesar perpindahan dan mengubahnya menjadi gerakan putar pada jarum

penunjuk. Penghubung itu dibuat sedemikian rupa sehingga mekanisme tersebut dapat

diukur untuk memberikan kelinieran yang optimum.

Gambar 2-3 Skema Tabung Bourdon

ρm

h

p1

p2

2.1.3. Pengukur Diafragma

Pengukur diafragma merupakan piranti deformasi elastis yang banyak digunakan dalam

pengukuran tekanan. Pada gambar 2-3 diperlihatkan diafragma rata diberi perbedaan

tekanan Ρ1 – Ρ2. Diafragma ini akan mengalami defleksi sesuai dengan perbedaan tekanan

tersebut.

Gambar 2-3 Skema Diafragma

Pada diafragma dipasang pengukur regangan tahanan untuk mengetahui deformasi,

seperti terlihat pada gambar 2-4. Keluaran dari pengukur ini merupakan fungsi tegangan

setempat, yang tentunya sangat berhubungan dengan defleksi diafragma dan beda tekanan

tersebut. Defleksi pada umumnya linier dengan Δp jika defleksi tersebut kurang dari 1/3

tebal diafragma.

Gambar 2-4 Diafragma yang Dilengkapi Pengukur Regangan Tahanan

Untuk memudahkan respon linier dalam jangkauan defleksi yang lebih luas dan

mengatasi kendala sepertiga tebal diafragma dapat dibuat dengan bentuk bergelombang

seperti gambar 2-5.

Gambar 2-5 Diafragma Bergelombang

2-2. Transduser Tekanan

Transduser tekanan dengan pipa yang berulir di bagian port atau pembuka

mempunyai diafragma stainless steel guna melindungi elemen sensor dari media yang

sedang diukur (berupa tekanan zat cair atau gas). Elemen aktual yang ada adalah strain

gauge, yakni elemen resistif dimana resistansi berubah dengan sejumlah regangan yang

diberlakukan padanya. Resistor geser ini membentuk satu kaki dari sirkuit jembatan. Sisi

lain dari elemen regangan adalah port referensi dimana merupakan rujukan dari port

pengukur. Semua transduser punya 2 sisi tersebut. Bila satu sisi mempunyai hubungan

tekanannya sendiri (pressure connection) dan alat ini disebut transduser tekanan

diferensial. Konvensinya disebut Pounds per Square Inch Differential (PSID). Sementara,

menghubungkan suatu port dengan tekanan atmosfir memungkinkan terukurnya tekanan

gauge (PSI Gauge), dengan alatnya berupa transduser tekanan gauge.

Ada 2 jenis konvensi tekanan gauge yang berbeda yakni: sealed gauge dan vented

gauge. Pengukuran sealed gauge dilakukan dengan menghubungkan port tekanan pada

wadah yang di-sealed yang bertekanan atmosfir (ditulis PSISG). Masalah yang timbul

dengan skala PSISG ini adalah nilai yang sama pada ‘ketinggian kolom air (feet water)’

akan terbaca berbeda tergantung pada tekanan barometrik lokal. Lebih jauh lagi,

transduser ini didesain untuk mencegah media (zat) ambien memasuki badan transduser.

Aplikasinya dibuat dengan atmosfir parsial dari Helium yang dikurung di dalam.

Penggunaan PSI Vented Gauge (PSIVG) terlihat pada proses perbandingan tekanan

dengan ventilasi lokal yang terbuka terhadap tekanan atmosfer sehingga mengeliminasi

setiap perubahan dengan perubahan tekanan barometrik.

Sementara itu, dikenal pula transduser dengan tekanan absolut, dimana acuannya

adalah ruang hampa udara. Biasanya, tampilan transduser ini tertutup rapat. Beberapa

transduser absolut ini direferensikan dengan ubub atau kapsul. Konvensinya adalah PSI

Absolute (PSIA).

2.2.1. Konsep Kerja Umum

Dalam transduser tekanan terdapat unit yang disebut pressure force summing

device. Alat ini mendeteksi dan mengkonversi tekanan menjadi anjakan (perpindahan)

positif, yang melahirkan transduksi listrik. Alat-alat ini misalnya berupa diafragma,

convoluted/corrugated diaphragm, kapsul dan ubub serta tabung Bourdon.

Entitas-entitas yang dilibatkan pada pressure force summing adalah massa,

konstanta pegas dan frekuensi alami. Berikut ini adalah rumus frekuensi alami, yakni:

Equation 2-3

dimana : fn = frekuensi alami

K = konstanta pegas

M = massa

Penambahan gaya dapat dikonversikan menjadi variasi dari alat listrik yang

berbeda. Umumnya, jenis sensor transduksi dan alat penambah gaya tergantung pada

jumlah mechanical travel, dalam konteks ini adalah bentuk diferensial dan tekanan

gauge.

2.2.2. Mekanisme Gerakan Transduser

Sebagian besar transduser dilibatkan pada gerakan umum, anjakan dari titik yang pasti,

atau paling tidak dalam bentuk posisi terhadap rujukan tertentu. Komponen-

komponennya adalah potensiometer, synchro dan linear variable differential transformer

(LVDT). Komponen-komponen ini memungkinkan timbulnya sinyal listrik dan mekanik,

yakni:

Gambar 2-6 Diafragma skema transformator differensial

1. Potensiometer terdiri dari dasar, elemen resistansi, kontak listrik (tap), slider, dan

poros serta bantalan. Jenis-jenis potensiometer adalah : konduktif plastik

(putaran tunggal), wire-wound rotary trimmer, dan rectilinear.

2. Synchro menyediakan indikasi mekanis dari posisi poros sebagai hasil masukan

atau keluaran listrik yang menggambarkan beberapa fungsi dari anjakan angular

poros. Jenis-jenisnya adalah torsi, kontrol dan resolver (induksi).

3. LVDT adalah elemen induktif silang yang utama. LVDT menghasilkan sinyal

listrik yang proporsional dengan anjakan linear dari badan transduser. Ada 2

elemennya yakni armature (penghasil tegangan listrik dari kumparan primer ke

sekunder) dan transformer.

Gambar 2-7. Konstruksi transfomator differensial variable linear

(Leanear Varable differential transformer, LVDT).

Gambar 2-8 Karakteristikkeluaran LVDT

2.2.3. Elemen dari Transduser Tekanan Diferensial dan Gauge

Transduser tekanan diferensial dan gauge dikategorikan ke dalam transduser pasif.

Transduser pasif merespon dengan bergerak secara mekanis guna menghasilkan suatu

perubahan listrik. Dalam konteks ini, elemen yang terdapat pada transduser tekanan

diferensial dan gauge adalah elemen strain-gage, yang akan dijelaskan lebih lanjut pada

bab berikut.

2.2.4. Aplikasi-aplikasi Khusus Transduser Tekanan Diferensial dan Gauge

Aplikasi khusus berarti penggunaan konsep dasar transduser tekanan diferensial

dan tekanan gauge pada kasus-kasus tertentu yang khas dimana kekhasan ini bertitik tolak

pada kondisi pemakaian, sensor khusus dan komponen-komponen spesifik. Berikut ini

adalah aplikasi-aplikasi khusus dari transduser tekanan diferensial dan tekanan gauge,

yakni:

• Transduser Aliran (Flow Transducers)

• Compact Differential-Pressure Transducer

• Transduser Tekanan Diferensial dengan Kristal Kuarsa Sebagai Sensor

• Pengukuran tekanan rendah

• Diaphragm meter

Ada pertanyaan?