prinsip kerja pengukuran aliran fluida dengan menggunakan

BAB II
TEORI
II.1. Sistem Kontrol
Proses
pengaturan
atau
pengendalian
suatu
atau
beberapa
besaran
(Variabel,Parameter) agar berada pada suatu harga tertentu disebut dengan sistem
control. Pengontrolan ini mempunyai tujuan utama untuk mendapatkan optimasi yang
dapat diperoleh berdasarkan fungsi sistem control itu sendiri: yakni pengukuran
(measurement), perbandingan (Comparison), penghitungan (computation), perbaikan
(correction) dan pencatatan.
II.1.1. Pengelompokan Sistim Kontrol
Sistem kontrol pada umumnya dapat dikelompokkan kedalam beberapa kelompok
antara lain :
a. Sistem kontrol dengan lintasan tertutup dan terbuka. Sistem kontrol dengan
jaringan tertutup adalah sistem kontrol yang besaran outputnya memberikan
pengaruh terhadap harga yang diinginkan melalui suatu indikator atau alat
pencatatan (recorder). Kemudian selisih harga yang terjadi antara besaran
yang dikontrol dan pertunjukan alat pencatat digunakan sebagai koreksi yang
pada gilirannya akan merupakan sasaran pengontrolan.
Sistem kontrol dengan jaringan terbuka adalah sistim kontrol yang besaran
outputnya tidak memberikan pengaruh terhadap besaran input.Oleh karena itu
variabel yang dikontrol tidak dapat dibandingkan terhadap harga output yang
diinginkan.
b. Sistim kontrol manual dan otomatis
Universitas Sumatera Utara
Sistem kontrol manual adalah sistem kontrol yang pengontrolannya dilakukan
oleh manusia yang bertindak sebagai operator, sehingga sering disebut dengan
sistim kontrol dengan operator
Sedangkan
sistim
kontrol
otomatis
adalah
sistim
kontrol
yang
pengontrolannya dilakukan oleh mesin-mesin atau peralatan yang bekerja
secara otomatis dan operasinya diawasi langsung oleh manusia.
c. Sistim kontrol servo dan regulator
Sebuah rgulator adalah bentuk lin daripada servo. Istilah ini digunakan untuk
menunjukkan sistim yang mana terdapat harga keadaan mantap (steady state)
konstan untuk sinyal input yang konstan.Perbedaan utama adalah bahwa
regulator diberikan sinyal tambahan (sinyal gangguan ) sehingga akan
menghasilkan output yang berbeda dengan servo.
d. Sistem kontrol menurut sumber penggeraknya.
Sistim kontrol ini adalah pengontrolan berdasarkan elektris yang berupa
rangkaian listrik, pengotrolan pneumatis yang memanfaatkan tekanan udara
atau angin, pengontrolan hidraulik yang menggunakan cairan sebagai sarana
kontrol dan pengontrolan mekanis yang memanfatkan alat-alat mekanis
sebagai sarana pengontrolannya.
e. Sistem kontrol Analog dan Digital
Sistem kontrol analog atau pengontrolan yang berkesinambungan adalah
sistem kontrol yang pengontrolannya dilakukan dengan menggunakan
komponen-komponen analog seperti Proporsional, Integrator dan Diferensiator
yang seluruh prosesnya bekerja analog.
Sedangkan
sistim
kontrol
digital
atau
pengontrolan
yang
tidak
berkesinambungan adalah sistem kontrol yang aksi pengontrolannya dilakukan
Universitas Sumatera Utara
oleh komponen -komponen digital yang biasanya terdiri dari susunan
algoritma program-program dari sistim pengontrolan secara analog.
II.1.2. Elemen Sistim dan Variabel Sistim Kontrol
Elemen sistim kontrol merupakan sebuah unit yang membentuk proses kontrol
yang didalamnya terdapat komponen-komponen sistem. Suatu proses kontrol secara
fungsional dapat dinyatakan oleh diagram blok yang bentuknya tergantung pada
jumlah elemen. Diagram blok yang umum ditunjukkan pada Gambar 2.5
u
V
GV
G1
r
G2
e
c
c
m
H
Gambar 2.1. Elemen-elemen Sistim Kontrol Loop Tertutup
Elemen sistim kontrol rangkaian tertutup di atas terdiri dari:
a. Elemen input referensi
Elemen ini berfungsi untuk mengubah besaran yang dikontrol menjadi sinyal
masukan acuan (r) bagi sistim kontrol
b. Elemen pengontrol(G1)
Elemen berfungsi untuk memproses kesalahan (error,e) yang terjadi. Setelah
error tersebut dilewatkan melalui elemen pengontrol, akan dihasilkan sinyal
yang berfungsi untuk mengontrol proses.
c. Elemen proses (G2)
Elemen ini berupa proses mekanis, elektris, pneumatis maupun kombinasinya.
Universitas Sumatera Utara
d. Elemen umpan balik (H)
Elemen ini berfungsi untuk mengukur keluaran yang dikontrol dan kemudian
merubahnya menjadi sinyal umpan balik (feedback signal).
d. Elemen jalur maju
Elemen ini adalah untuk sistem kontrol tanpa elemen umpan balik.
Berdasarkan jumlah elemen yang menyusunnya suatu sistim kontrol terdapat
beberapa variabel pengontrolan antara lain:
a. Set Point (Command input,v)
Harga yang diinginkan bagi variabel yang dikontrol selama
pengontrolan.
b. Masukan acuan (reference input, r)
Sinyal aktual (actual signal) yang masuk kedalam sistim kontrol. M
Sinyal
ini diperoleh dengan menyetel harga v melalui Gv, misalnya melalui sebuah
sakelar pemilih atau selector switch.
c. Keluaran yang dikontrol (Controled output, c)
Suatu harga atau nilai yang akan dipertahankan bagi variabel yang dikontrol
dan merupakan harga yang ditunjukkan oleh alat pencatat.
d. Variabel yang dimanipulasi (manipulated variable, m)
Sinyal yang keluar dari elemen pengontrol (controller) dan berfungsi sebagai
sinyal pengontrol tanpa adanya gangguan.
e. Sinyal umpan balik (feed back sinyal, b)
Sinyal yang merupakan fungsi dari keluaran yang dicatat oleh oleh pencatat.
f. Kesalahan (error, actuating signal, e)
Selisih antara sinyal acuan (r) dan sinyal umpan balik b. Sinyal ini dimasukkan
ke elemen pengontrol G1 dan harganya diinginkan sekecil mungkin.Sinyal e
Universitas Sumatera Utara
ini menggerakkan unit pengontrol untuk menghasilkan output pada harga yang
diinginkan .
g. Sinyal gangguan(disturbance, U)
Sinyal yang terkadang dibutuhkan pada suatu elemen pengontrol agar sistem
selalu menghasilkan sinyal kesalahan yang tidak sama dengan nol seperti pada
regulator, yang membutuhkan sinyal error untuk mempertahankan output tetap
pada keadaan yang dinamis.
II.1.3 Alat Kontrol
Pengontrol atau Controller berfungsi untuk memproses sinyal kesalahan
(error) agar menghasilkan sinyal pengontrol proses. Pada Auxiliary Steam Pressure
Control hanya menggunakan jenis Pengontrol Proporsional(P) dan Pengontrol
Proporsional Integral (PI). Dengan demikian disini akan diulas mengenai Proporsional
(P), Integral (I) dan Proporsional Integral (PI).
a. Kontroller Proporsional (P)
Kontroller Proporsional adalah suatu alat kontrol yang berfungsi untuk menguatkan
sinyal error pada suatu level yang dikehendaki. Pada kontrol proporsional ini
diperoleh suatu hasil keluaran (output) yang berbanding lurus dengan konstanta
proporsional K. Salah satu contoh rangkaian proporsional pada Gambar2.6
Universitas Sumatera Utara
Rf
Vi
Ri
Vo
Input
Output
Vo = +
Kp =
Rf
.Vi
Ri
Rf
Ri
atau = Kp.Vi
Gambar 2.6. Alat Kontrol Tipe Proporsional
b. Integral Kontroller (I)
Integral kontroller merupakan suatu pengontrol yang berfungsi untuk meniadakan
osilasi pada sinyal error atau sinyal kesalahan. Output kontroller ini akan
menghasilkan keluaran berupa tegangan berbentuk tanjakan (tipa ramp) yang menuju
ke suatu harga tak terhingga. Dalam hal ini maksimalnya adalah menuju ke harga
saturasi dari op-amp yakni mendekati harga tegangan catu daya (VCC). Satu dari
rangkaian kontroller Integral ditunjukkan pada Gambar2.7.
Universitas Sumatera Utara
Cf
Vi
Ri
Vo
Input
Output
Vo = -
1
Vidt
RiCf 
Gambar 2.7. Rangkaian Alat Kontrol Tipe Integrator.
c. Proporsional Integral Kontroller (PI)
Proporsional Integral Kontroller adalah suatu alat kontrol yang berfungsi untuk
menghilangkan kesalahan posisi dalam kondisi mantap (steady position error).
Kontroller ini merupakan gabungan dari alat kontrol Proporsional dan Integral yang
bekerja secara berpadanan sesuai dengan kerjanya masing-masing. Kontroller
proporsional melakukan pengangkatan secara spontan sedngkan Integral melakukan
perubahan yang bertambah secara perlahan yang bergantung pada besaran waktu. Alat
kontrol tipe Proporsional Integral ditunjukkan pada Gambar2.8
Universitas Sumatera Utara
Rf
Vi
Ri
Vo
Input
Vo = -
RF
1
Vi 
Vidt
Ri
RiCf 
Gambar 2.8. Alat Kontrol Tipe Proporsional Integral
II.2.Rangkaian Logika
Harga pengubah (variabel) logika, pada dasarnya hanya dua, yaitu benar (true)
atau salah (false). Dalam persamaan logika, umumnya simbol 1 dipakai untuk
menyatakan benar dan simbol 0 dipakai untuk menyatakan salah. Dengan memakai
simbol ini, maka keadaan suatu logika hanya mempunyai dua kemungkinan, 1 dan 0.
Kalau tidak 1, maka keadaan itu harus 0 dan kalau tidak 0 maka keadaan itu harus 1
II.2.1 Gerbang Logika OR
Gerbang Logika OR adalah suatu rangkaian Logika dasar yang menyatakan
bahwa outputnya akan mempunyai Logika “1” atau semuanya mempunyai logika “1”.
Dalam aljabar Boole, operasi yang dilakukan oleh gerbang OR disimbolkan dengan
operator “ +” dan dibaca OR atau “ ATAU “. Kalau INPUT kita beri tanda A,B dan C
Universitas Sumatera Utara
untuk outputnya diberi tanda Q, maka symbol dari kalimat di atas menurut Aljabar
Boole dapat dinyatakan seperti pada gambar,sedangkan dalam bentuk matematikanya
dapat dikatakan bahwa Logika outputnya sama dengan jumlah Logika input-inputnya.
Q=A+B+C…………………………….(2-1)
Umumnya Gate : Logika ini dapat digambarkan dalam bentuk dua cara, yaitu masingmasing menurut
Inggris/Eropa dan menurut Amerika Gambar 2.1 menunjukkan
symbol dari Or Gate beserta Truth Table-nya (Tabel Kebenarannya).
Simbol menurut
Simbol menurut
Inggris/Eropa
Amerka
 A
  inputnya
B 
 A
  inputnya
B 
Q
Q
outputnya
outputnya
(a)
Tabel II-1 Truth Table OR Gate
A
B
Q
Universitas Sumatera Utara
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
(b)
Gambar 2.1 (a) Simbol OR Gate dan ,(b). Truth Tabelnya
Dengan mengambil contoh kalimat yang sangat sederhana itu, maka kita dapat
membuat Truth Tabelnya serta symbol yang mempunyai 3 input seperti Gambar (2-2)
berikut ini. Tabel II-2. Truth Table Or Gate
 A
 
B 
C 
 
Inputnya
Q
Outputnya
(a)
A
B
C
D
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
(b)
Tabel Gambar 2.2. (a). OR Gate dan (b). Truth Tabelnya
II.2.2. And Gate
And Gate adalah suatu rangkaian Logika dimana outputnya akan mempunyai
Logika “1” bila semua input-inputnya diberi Logika “1”. Jika salah satunya diberi
Universitas Sumatera Utara
Logika “0” (nol), walaupun input lainnya “1” maka outputnya akan mempunyai
Logika “0” (nol).
Dalam prakteknya pemberian Logika “1” pada input dilakukan dengan memberi
tegangan +5 V melalui sebuah tahanan (R) dan pemberian Logika “0” (nol) dengan
menghubungkan ketanah atau melalui tahanan. Sedangkan pada output keadaan
Logika “1” berarti ada tegangan atau 0(nol) Volt. Secara matematiknya dapat
dikatakan bahwa Logika outputnya adalah merupakan perkalian Logika inputinputnya.
Dengan mengingat bahwa output hanya ada jika seluruh dari inputnya ada, maka
kita dapat membentuk Truth Table-nya. Dibawah ini diberikan 2 contoh dari Truth
Table untuk And Gate dengan 2 dan 3 input (lihat Gambar 2.3).
(a)
Tabel II-3 And Gate 2 Input
Tabel II-4 And Gate 3 Input
Universitas Sumatera Utara
A
B
Q
A
B
C
Q
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
(b)
Gambar 2.3 (a). Simbol And Gate dan (b). Truth Tablenya.
II.2.3. Not Circuit atau Inverter
Not Circuit sering juga disebut “Complementary Circuit” atau Inverter. Dimana
circuit ini adalah rangkaian. Logika dasar yang mempunyai 1 (satu) out put dan
1(satuinput.Sifat dari rangkaian Logika Note Gate ini adalah : outputnya akan selalu
mempunyai Logika yang berlawanan dengan inputnya yang biasanya hanya satu
.Jelasnya jika inputnya diberi tegangan maka outputnya tidak ada , sebaliknya jika
inputnya dihubungkan singkat (tidak ada tegangan )maka pada outputnya akan
terbentuk. (Sebagai contoh : bila input = 0 (nol) maka outputnya = 0 (nol) maka
inputnya =1)
Untuk memudahkan ingatan kita maka Gambar 2.4 dilukiskan tanda-tanda untuk
NOT GATE menurut Inggris /Eropa dan Amerika serta Truth Tablenya.
Universitas Sumatera Utara
Rangkaian NOT GATE yang dihubungkankesalah input GATE Logika atau
outputnya bisa disederhanakan simbolnya dengan memberi tanda bulatan pada input
atau output yang bersangkutan.
Simbol menurut Inggris/Eropa &Truth Tablenya
Tabel II-5 Truth Table Not Circuit.
A
Q=A
0
1
1
0
Simbol Inggris/Eropa
(a)
Simbol menurut Amerika & Truth Tablenya
Tabel II-6 Truth Table Not Circuit
A
A
Q
0
1
1
0
A
Simbol Amerika
(b)
Gambar 2.4 (a) Simbol Not Circuit dan Truth Tablenya dan (b). Simbol Not
Circuit dan Truth Tablenya
Universitas Sumatera Utara
II.3.Transduser
Transduser adalah merupakan suatu komponen yang bekerja untuk mengubah
parameter fisis menjadi sinyal listrik yang dapat diterima oleh sistem pengolah sinyal.
Beberapa parameter fisis yang sering dikenal diubah menjadi sinyal listrik antara lain
: tekanan, temperatur, percepatan, pergeseran, kecepatan, dan sebagainya. Pada
Auxiliary Steam Pressure Control ini hanya menggunakan tranduser tekanan dan
temperature, maka disini dijelaskan kedua tranduser tersebut.
1. Transduser Kapasitif
Untuk merubah parameter tekanan menjadi sinyal listrik pada pengontrolan ini
digunakn tranduser kapasitif.
Kapasitansi dari sebuah kapasitor pelat parallel diberikan oleh
G=
Dimana: A
k . AEo
( farad ) ……. (1)
d
= luas masing-masing pelat, dalam m²
d
= jarak kedua pelat, dalam m
Eo
= 9,85 x 10¹² dalam F/m
K
= Konstanta dielectrik
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Transduser Kapasitif
2. Transduser termokopel
Tranduser ini paling banyak digunakan untuk mengukur temperature
berdasarkan pengubahan temperature menjadi sinyal listrik. Termokopel ini
bekerja berdasarkan pembangkit tenaga listrik pada titik sambu logam yang
tidak sama. Tegangan ini sebanding dengan temperatur sambungan.
Gambar 2.10. Skema Pengukuran dengan Termokopel
Universitas Sumatera Utara