BUKU-1 BAHAN AJAR PDF

Preview

Summary

BA 13 KBTB-2163 1 BUKU-1 BAHAN AJAR INSTRUMENTASI DAN PENGUKURAN Penyusunan Bahan Ajar dalam Kurikulum Berbasis Kompetensi (Kurikulum 2012) ini dibiayai dari DIPA Polteknik Negeri Bandung Departemen Pendidikan Nasional Tahun Anggaran 2013 Disusun oleh Ir. HERIYANTO, M.T. NIP 19570507 198903 1 001 Di...

Description

BA 13 KBTB-2163

1

BUKU-1 BAHAN AJAR

INSTRUMENTASI DAN PENGUKURAN Penyusunan Bahan Ajar dalam Kurikulum Berbasis Kompetensi (Kurikulum 2012) ini dibiayai dari DIPA Polteknik Negeri Bandung Departemen Pendidikan Nasional Tahun Anggaran 2013

Disusun oleh Ir. HERIYANTO, M.T. NIP 19570507 198903 1 001

Disunting oleh Ir. In Jumanda Kasdadi, M.T. NIP 196809201995121001 Harita Nurwahyu Chamidy, LRSC, M.T. NIP 196601111994031002 Drs. Budi Santosa, M.T. NIP 196902281993031002

PROGRAM STUDI D-IV TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIH JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2013

HALAMAN PENGESAHAN

1. Identitas Bahan Ajar a) Judul Bahan Ajar : Instrumentasi dan Pengukuran b) Mata Kuliah/Semester : Instrumentasi dan Pengukuran/3 c) Jurusan : Teknik Kimia d) Program Studi : D4-Teknik Kimia Produksi Bersih e) Nomor Kode Mata Kuliah: KBTB-2163 2. Penulis Penulis-1 a) Nama b) NIP c) Pangkat/Golongan d) Jabatan Fungsional e) Program Studi f) Jurusan

: Ir. Heriyanto, M.T. : 19570507 198903 1 001 : Penata Tingkat I, III/d : Lektor : Teknik Kimia : Teknik Kimia

Penulis-2 a) Nama b) NIP c) Pangkat/Golongan d) Jabatan Fungsional e) Program Studi f) Jurusan

::::::Bandung, 27 November 2013

Mengetahui, Ketua KBK Pendukung dan Pengendalian Proses

Penulis-1

Ir. In Jumanda Kasdadi, M.T. NIP 196809201995121001

Ir. Heriyanto, M.T. NIP 19570507 198903 1 001 Mengetahui Ketua Jurusan

Ir. Dwi Nirwantoror Nur, M.T. NIP 195608311988111001 ii

KATA PENGANTAR

Buku ini disusun dengan dua tujuan yaitu, sebagai buku ajar mahasiswa dan sebagai referensi bagi teknisi dan operator pabrik. Buku berisi konsep, prinsip, prosedur dan perhitungan yang dalam instrumentasi dan pengukuran variabel proses. Setelah memahami isi buku ini diharapkan dapat memiliki pengetahuan dan pemahaman instrumentasi dan pengukuran sehingga mampu menerapkan pada kondisi nyata. Sasaran pemakai buku ini adalah untuk mahasiswa Diploma IV atau Politeknik Jurusan Teknik Kimia dan Kimia Industri serta umumnya untuk mahasiswa dari bidang yang berkaitan atau sedang mempelajari instrumentasi dan pengukuran misalnya Teknik Mesin, Teknik Energi, dan Teknik Refrigerasi. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Politeknik Negeri Bandung atas Penyusunan Bahan Ajar dalam Kurikulum Berbasis Kompetensi (Kurikulum 2007) yang dibiayai dari DIPA tahun anggaran 2013, sehingga penulisan Buku Ajar ini dapat dilaksanakan. Tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada semua fihak, baik yang langsung maupun tidak langsung telah membantu penulisan buku ini. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa buku ini masih kurang sempurna. Oleh sebab itu segala saran dan kritik yang bersifat membangun sangat dinantikan. Semoga buku ini bermanfaat.

Bandung, November 2013

Ir. Heriyanto, M.T.

iii

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................................ II KATA PENGANTAR ...................................................................................................... III DAFTAR ISI ...................................................................................................................... IV DESKRIPSI MATA KULIAH ......................................................................................... VI PETUNJUK PENGGUNAAN ........................................................................................ VII DAFTAR ISTILAH ........................................................................................................VIII BAB-1 PENDAHULUAN ................................................................................................... 1 1.1 PEMANTAUAN PROSES ........................................................................................ 1 1.2 PENGENDALIAN PROSES..................................................................................... 1 1.3 ANALISIS TEKNIK ................................................................................................. 2 BAB-2 KONSEP PENGUKURAN .................................................................................... 4 2.1 2.2 2.3 2.4

BESARAN DAN SATUAN ...................................................................................... 4 PRINSIP PENGUKURAN ........................................................................................ 5 METODE PENGUKURAN ...................................................................................... 7 ANGKA PENTING (SIGNIFICANT NUMBER) .............................................................. 8

BAB-3 KARAKTERISITIK INSTRUMEN ................................................................... 10 3.1 KARAKTERISTIK STATIK .................................................................................. 10 3.2 KARAKTERISTIK DINAMIK............................................................................... 17 SOAL-SOAL LATIHAN ................................................................................................ 21 BAB-4 PENGUKURAN SUHU ........................................................................................ 23 4.1 PENDAHULUAN ..................................................................................................... 23 4.2 PRINSIP PENGUKURAN ........................................................................................ 24 4.2 SISTEM TERMAL ISIAN (FILLED THERMAL SYSTEM) ................................... 24 4.4 TERMOMETER RESISTANSI .............................................................................. 31 4.5 TERMOKOPEL ...................................................................................................... 35 4.6 PIROMETER ............................................................................................................. 42 BAB-5 PENGUKURAN TEKANAN ............................................................................... 43 5.1 PRINSIP PENGUKURAN ........................................................................................ 43 5.2 TIPE PENGUKUR TEKANAN ................................................................................ 44 5.3 INSTALASI PIRANTI UKUR TEKANAN .............................................................. 49 iv

5.4 PERBANDINGAN PIRANTI UKUR TEKANAN ................................................... 50 5.5 KALIBRASI TEKANAN .......................................................................................... 51 BAB-6 PENGUKURAN LAJU ALIR.............................................................................. 52 6.1 PRINSIP PENGUKURAN ........................................................................................ 52 BAB-7 PENGUKURAN LEVEL ..................................................................................... 72 7.1 METODE APUNGAN (FLOAT METHOD) .................................................................. 73 BAB-8 METODE ANALISIS DATA............................................................................... 85 8.1 POPULASI, SAMPEL DAN JUMLAH SAMPEL.................................................... 85 8.2 DATA PENGUKURAN ........................................................................................... 87 8.3 TEKNIK ANALISIS DATA...................................................................................... 88 8.4 HIPOTESIS STATITISTIK .................................................................................... 91 SOAL ULANGAN .......................................................................................................... 92 BAB-9 ANALISIS DESKRIPTIF .................................................................................... 93 9.1 TABEL ...................................................................................................................... 93 9.2 GRAFIK ATAU DIAGRAM .................................................................................. 95 9.3 UKURAN NILAI PUSAT DAN SIMPANGAN ..................................................... 98 SOAL-SOAL LATIHAN .............................................................................................. 101 BAB-10 ANALISIS INFERENSIAL ............................................................................. 102 10.1 UJI PRASYARAT ANALISIS ............................................................................. 102 10.2 ANALISIS KORELASI .................................................................................... 108 10.3 ANALISIS REGRESI ....................................................................................... 113 10.4 UJI BEDA .......................................................................................................... 126 LAMPIRAN ..................................................................................................................... 134 GARIS-GARIS BESAR PROGRAM PENGAJARAN DAN SATUAN ACARA PERKULIAHAN ............................................................................................................. 135

v

DESKRIPSI MATA KULIAH

Identifikasi Mata Kuliah Judul Mata Kuliah Nomor Kode/SKS Semester/Tingkat Prasyarat Jumlah Jam/Minggu

: : : : :

INSTRUMENTASI DAN PENGUKURAN KBTB-2163/2 3/2 2

Ringkasan Topik/Silabus

: Konsep Pengukuran; Karakteristik Instrumen Ukur; Pengukuran Suhu; Pengukuran Tekanan; Pengukuran Aliran; Pengukuran Level; Metode Analisis Data; Statistika Deskriptif; Statistika Inferensial.

Kompetensi yang Ditunjang

: Mampu mengoperasikan, menganalisa dan melacak kegagalan sistem inrtumentasi dan pengukuran yang diterapkan dalam industri proses kimia

Tujuan Pembelajaran Umum (TPU)

: Pada akhir kuliah mahasiswa diharapkan memahamai konsep dasar instrumentasi proses, dan pengolahan data pengukuran dalam inudstri proses kimia.

Tujuan Pembelajaran Khusus (TPK)

: Pada akhir kuliah mahasiswa diharapkan dapat: 1) Menjelaskan konsep pengukuran 2) Menjelaskan jenis dan fungsi instrumentasi proses 3) Menjelaskan prinsip, mekanisme kerja, dan karaterisitik instrumen ukur suhu, tekanan, lahu alir dan level. 4) Mengolah data pengukuran dengan metode statistika yang sesuai dengan bantuan program paket SPSS

vi

PETUNJUK PENGGUNAAN

PEDOMAN MAHASISWA Mahasiswa dalam mempelajari isi buku ini dianjurkan untuk mengikuti tahap-tahap berikut 1) Baca tujuan pembelajaran umum (TPU) dan khusus (TPK). Perhatikan bahwa tujuan itu digunakan sebagai penunjuk jalan dalam mempelajari materi. 2) Baca buku dengan seksama sambil melakukan penggambaran sendiri memakai alat tulis di atas kertas kosong. 3) Bila telah selesai dalam satu bab, cobalah mengerjakan soal-soal yang tersedia di akhir bab. Bila masih mengalami kesulitan, baca kembali uraian atau penjelasan sebelumnya. 4) Jangan meloncat ke bab berikutnya bila belum menguasai bab sebelumnya. PEDOMAN PENGAJAR Pengajar dapat mengikuti urutan dan pembagian waktu mengajar seperti yang telah dilakukan penulis. 1) Pengertian karakteristik statik dan dinamik agar ditekankan dengan baik untuk memahami bagaimana sifat instrumen. 2) Penjelasan mengenai instrumen ukur agar ditekankan dari aspek praktisnya. 3) Materi Bab-1 (Pendahuluan) dan Bab-2 (Konsep Pengukuran) dapat disampaikan selama dua kali pertemuan. 4) Bab-4 hingga Bab-7 dapat disampaikan hingga saat UTS Bab-8 sampai dengan Bab-10 disampaikan paruh semester berikutnya hingga UAS.

vii

DAFTAR ISTILAH

Pengendalian proses adalah “cara memperoleh” keadaan proses agar sesuai dengan yang diinginkan. Proses dalam kata pengendalian proses dan industri proses menunjuk pada “cara perubahan” materi atau energi untuk memperoleh produk akhir. Signal Conditioning adalah piranti yang mengolah sinyal pengukuran dari sensor sehingga dihasilkan sinyal yang bisa dibaca. Elemen konversi variabel adalah elemen yang berfungsi mengubah besaran fisik yang dihasilkan sensor menjadi besaran lain tanpa mengubah nilai informasi medium terukur. Elemen manipulasi variabel adalah elemen yang memanipulasi nilai suatu besaran menjadi nilai yang tertentu dengan besaran yang sama. Transduser (arti umum) adalah piranti yang mengubah besaran fisik tertentu menjadi besaran fisik lain. Transduser (arti praktis/khusus) adalah piranti elektromekanik yang mengubah besaran mekanik menjadi elektrik atau sebaliknya. Akurasi (ketepatan) adalah kedekatan nilai hasil pengukuran dengan nilai sebenarnya dari medium terukur. Ketelitian adalah tingkat keterulangan pengukuran pada kondisi dan rentang waktu tertentu. Kalibrasi adalah menepatkan penunjukan instrumen ukur dengan instrumen standar. Histeresis adalah penyimpangan terbesar yang terjadi antara pengukuran naik dan turun. Deadband adalah daerah tanpa respons pengukuran pada saat nilai terukur berubah. Drift adalah penyimpangan nilai pengukuran selama waktu tertentu. Repeatability adalah tingkat kedekatan sejumlah pengukuran berurutan dari satu nilai terukur pada kondisi dan arah yang sama untuk seluruh rentang pengukuran

viii

BAB-1 PENDAHULUAN

TUJUAN PEMBELAJARN UMUM Mahasiswa memahami dasar-dasar pengukuran

TUJUAN PEMBELAJARN KHUSUS 1.1 Menyebutkan instrumen dalam pengendalian proses.

Konversi fisiko kimia yang terjadi dalam industri proses memerlukan instrumentasi yang sesuai agar dapat berlangsung dengan baik. Peranan instrumentasi dalam teknologi proses meliputi: •

pemantaun proses;

•

pengendalian proses; dan

•

analisis teknik.

1.1 PEMANTAUAN PROSES Pemantauan proses meliputi pengamatan terhadap variabel terukur. Terdapat empat macam variabel terukur yang penting yaitu: tekanan, laju alir, suhu, dan aras (level). Dalam industri kimia seringkali ditambah dengan konsentrasi (analisis). Selain itu masih terdapat dua variabel terukur yang cukup penting yaitu densitas dan kelembapan.

1.2 PENGENDALIAN PROSES Dalam industri modern, pengendalian proses merupakan hal yang sangat penting agar diperoleh proses yang aman, produktivitas tinggi, dan ekonomis. Diagram blok sistem Instrumentasi dan Pengukuran

1

pengendalian proses disajikan pada gambar 1.1. Mekanisme pengendalian dimulai dari pengukuran oleh instrumen ukur yang berfungsi mengirimkan informasi pengukuran ke pengendali. Oleh pengendali, informasi nilai variabel proses dibandingkan dengan nilai yang diinginkan. Selanjutknya diambil keputusan melalui elemen kendali akhir untuk mengatur masukan energi/material sedemikian rupa agar nilai variabel proses sama dengan nilai yang diinginkan.

Gambar 1.1 Sistem pengendalian umpan balik

Peranan instrumentasi dalam pengendalian proses sedemikian penting, karena menentukan keberhasilan pengendalian. Satu bagian saja dari blok pengendalian di atas tidak bekerja dengan baik, akan mengacaukan semuanya.

1.3 ANALISIS TEKNIK Analisis teknik (engineering analysis) diperlukan untuk meningkatkan kehandalan dan efisiensi proses. Dua pendekatan dapat dilakukan untuk menyelesaikan, yaitu pendekatan teoritik dan pendekatan eksperimental. Dalam pendekatan teoritik, dilakukan pemodelan matematik suatu proses. Selanjutnya persamaan matematika yang diperoleh dipecahkan dengan cara analitik atau komputasi. Dari hasil pemecahan selanjutnya dilakukan simulasi. Metode ini memiliki

2

keuntungan yaitu relatif murah. Dan jika pemodelannya akurat, hasil simulasi sangat mendekati kenyataan. Dalam pendekatan eksperimental diperlukan prototipe atau model dalam kondisi sebenarnya dan kinerjanya dievaluasi dengan cara pengambilan data langsung melalui pengukuran. Pendekatan ini berbeda dari metode analitik dalam dua hal, yaitu tanpa pemodelan matematika dan tidak memrlukan asumsi. Kerugian metode eksperimental adalah relatif mahal. Di samping itu problema penempatan intrumen ukur juga snagat serius. Pendekatan terbaik adalah gabungan dua metode di atas. Setelah dilakukan pemodelan dan simulasi, selanjutnya dilakukan eksperimental untuk validasi. Sudah barang tentu metode ini rumit dna mahal. Namun hasilnya paling baik.

1.4 KESIMPULAN Instrumentasi untuk pengukuran, pengendalian proses, dan analisis teknik sangat diperlukan dalam dunia industri modern. Oleh sebab itu pengetahuan, pemahaman, dan keterampilan di bidang instrumentasi sangat diperlukan.

SOAL-SOAL 1. Berikan tiga contoh aplikasi instrumen ukur yang digunakan dalam: (a) pemantauan proses, (b) operasi dan pengendalian proses, (c) analisis eksperimental

2. Bandingkan antara pendekatan eksperimental dan teoritik pada masalah berikut. (a) Hubungan antara suhu pada laju reaksi. (b) Hubungan antara konstanta keseimbangan dan tekanan pada reaksi gas. (c) Hubungan antara jumkah tahap dalam distilasi dengan konsentrasi produk.

3

BAB-2 KONSEP PENGUKURAN

TUJUAN PEMBELAJARN UMUM Mahasiswa memahami dasar-dasar pengukuran

TUJUAN PEMBELAJARN KHUSU 2.1 Menjelaskan prinsip pengukuran. 2.2 Menjelaskan metode pengukuran. 2.3 Membaca penunjukan instrumen dengan memperhatikan angka penting

2.1 BESARAN DAN SATUAN Besaran adalah segala sesuatu yang memiliki nilai kuantitatif. Terdapat dua macam besaran, yaitu besaran pokok dan besaran turunan. Besaran pokok adalah besaran yang diciptakan untuk menjadi dasar pembuatan besaran lain. Ada tujuh besaran pokok, yaitu: panjang, massa, waktu, suhu, kuat arus, kuat cahaya, dan mol. Nilai besaran dinyatakan dengan satuan. Terdapat banyak macam sistem satuan yang ada, antara lain: CGS (centi, gram, sekon), British, MKS (meter, kilogram, sekon), dan lain-lain. Secara internasional telah dibakukan sistem internasional (SI).

Tabel 2.1 Satuan besaran dalam SI NO 1 2 3 4 5 6 7

BESARAN Panjang Massa Waktu Suhu Kuat arus Kuat cahaya Jumlah zat

SATUAN meter (m) kilo gram (kg) sekon (s) kelvin (K) amper (A) kandela (cd) mol 4

2.2 PRINSIP PENGUKURAN 2.2.1

Elemen Fungsional

Pengukuran adalah membandingkan nilai suatu besaran dengan nilai besaran standar. Dalam pengukuran diperlukan elemen-elemen fungsional yang tersusun sedemikian rupa sehingga dapat diamati oleh pengamat. Secara umum diagram blok pengukuran adalah sebagai berikut.

Signal Conditioning

Gambar 2.1 Elemen Fungsional dalam Pengukuran

(a) Sensor Sensor adalah piranti yang menerima stimulus atau rangsangan secara langsung dari medium terukur. Dalam hal ini sensor mengambil sejumlah energi tertentu dari medium terukur. Sehingga pengukuran selalu menganggu medium terukur. Oleh sebab itu penting sekali untuk memakai sensor yang sesedikit mungkin mengambil energi, agar hasil pengukuran benar-benar menunjukkan nilai medium terukur. Prinsip kerja sensor dibagi ke dalam dua kelompok besar. Pertama, sensor yang bekerja berdasar pada perubahan sifat bahan seperti resistansi, kapasitansi, dan induktansi. Kedua, sensor yang bekerja berdasar pada tegangan listrik yang dihasilkan, akibat mendapat pengaruh medium terukur misalnya: suhu, tekanan, regangan, dan perpindahan.

(b) Signal Conditioning Signal Conditioning adalah piranti yang mengolah sinyal pengukuran dari sensor sehingga dihasilkan sinyal yang bisa dibaca. Bagian ini berisi elemen berikut.

5

•

Elemen konversi variabel adalah elemen yang berfungsi mengubah besaran fisik yang dihasilkan sensor menjadi besaran lain tanpa mengubah nilai informasi medium terukur. Sebagai contoh, perubahan hambatan (R) menjadi perubahan tegangan (V).

•

Elemen manipulasi variabel adalah elemen yang memanipulasi nilai suatu besaran menjadi nilai yang tertentu dengan besaran yang sama. Contoh, penguat yang menerima sinyal masukan 0 - 1 mV dan memberikan sinyal keluaran 0 - 5 V.

(c) Presentasi Data Bagian presentasi data dalah elemen yang menyajikan nilai terukur yang dapat dibaca secara langsung. Sebelum dan selama ...