LANDASAN TEORI 2.1 Fluida Fluida adalah zat

LANDASAN TEORI
2.1 Fluida
Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara terus-menerus bila terkena tegangan
geser. Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan. Tegangan geser
pada suatu titik adalah nilai batas perbandingan gaya geser terhadap luas dengan
berkurangnya luas hingga menjadi titik tersebut. Suatu zat cair ditempatkan di antara dua
buah plat sejajar, dengan jarak antara yang kecil dan besar sedemikian luasnya sehingga
keadaan pada tepi-tepi plat dapat diabaikan. Plat bawah terpasang tetap dan suatu gaya F
ditetapkan pada plat atas, yang mengerahkan tegangan geser F/A pada zat apapun yang
terdapat di antara plat-plat. A ialah luas plat atas satuannya (m2). Bila gaya F
menyebabkan plat bergerak dengan suatu kecepatan (bukan nol) satuannya (N),
betapapun kecilnya F, maka kita dapat menyimpulkan bahwa zat di antara kedua plat
tersebut adalah fluida. Termasuk fluida adalah air, gas dan zat padat. Aliran (flow) fluida
ada tiga macam yaitu :
1. Kecepatan fluida mengalir (m/s),
2. Debit (banyaknya volume) fluida mengalir per satuan waktu (l/dtk),
3. Jumlah (volume) fluida yang mengalir untuk selang waktu tertentu (liter,
galon).
Jenis alat ukur aliran (flow) sebenarnya sangat banyak, pada dasarnya dapat
dibagi menjadi tiga bagian besar yaitu :
1. Head Flow Meter,
2. Area Flow Meter,
3. Positive Displacement Meter.
Universitas Sumatera Utara
Ketiga jenis alat ukur aliran aliran (flow) ini memiliki cara kerja yang berbeda
pula. Beberapa macam dari masing-masing jenis alat ukur aliran (flow) akan dibahas
pada bagian berikut.
2.1.1 Head Flow Meter
Dipakai untuk mengukur aliran fluida dalam suatu pipa dengan head flow meter,
maka dengan itu dipasang suatu penghalang dengan diameter lubang yang lebih kecil dari
diameter pipa, sehingga tekanan maupun kecepatannya berubah. Dengan mengukur
perbedaan tekanan antara sebelum dan sesudah penghalang dapat ditentukan besarnya
aliran fluida. Beberapa aliran (flow) meter di bawah ini merupakan pengukuran aliran
jenis Head Flow Meter, yaitu :
a. Tabung Venturi
b. Flow Nozzle
c. Plat Orifice
d. Tabung Pitot
Sebelum membahas keempat Flow Meter ini, akan dibahas lebih dahulu
hubungan antara perbedaan tekanan dan kecepatan aliran yang menjadi cara kerja dari
Head Flow Meter. Pada Gambar 2.1 terlihat suatu aliran fluida melalui pipa dengan luas
penampang di bagian masukan (input) lebih besar dari bagian keluaran (output).
Misalnya kecepatan, tekanan dan luas penampang di bagian input adalah V1, P1 dan A1
sedangkan di bagian output adalah V2, P2 dan A2.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Aliran fluida melalui saluran mengecil
Di sini berlaku persamaan kontinuitas, di mana banyaknya fluida yang masuk
sama dengan banyaknya fluida yang keluar, dapat dilihat pada persamaan 2.1.
V1 x A1 = V2 x A2 ...........................................(2.1)
Dengan menganggap bahwa kecepatan fluida pada seluruh penampang sama,
maka berlaku persamaan Bernouli :
P1 + ½ ρ V12 = P2 + ½ ρ V22 ..................................(2.2)
Di mana :
P = Tekanan fluida (N/m2)
V = Kecepatan aliran (m/s)
ρ = Massa jenis fluida (m3/s2)
Jadi terlihat di sini bahwa dengan mengukur perbedaan tekanan (P1-P2) dapat
ditentukan besarnya laju aliran. Tetapi biasanya dalam praktek, persamaan di atas masih
harus dikoreksi dengan koefisien yang disebut koefisien discharge (discharge
coefficient). Koefisien discharge ini tidak konstan dan besarnya ditentukan dari kerugiankerugian gesekan akibat kekasaran bagian dalam pipa, bentuk geometri dari saluran dan
bilangan Reynold. Aliran turbulen mempunyai bilangan Reynold yang lebih tinggi dari
2000, sedangkan aliran laminar mempunyai bilangan Reynold yang lebih rendah (kurang
dari 2000). Agar dapat mengetahui bilangan Reynold untuk aliran dalam pipa diberikan
persamaan :
Universitas Sumatera Utara
Rd =
ρvD
..............................................(2.3)
µ
Di mana :
a.
ρ
= Massa jenis fluida (kg/m3)
v
= Kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)
D
= Diameter pipa (m/s2)
Rd
= Bilangan Reynold
µ
= Permeabilitas (H/m)
Tabung Venturi
Tabung Venturi mempunyai bentuk seperti pada Gambar 2.2. Pada sekeliling pipa
sering dibuat lubang-lubang yang jalan keluarnya dijadikan satu dan dihubungkan dengan
pengukuran tekanan disebut cincin piezometer. Dengan demikian tekanan yang diukur
merupakan tekanan rata-rata sehingga pengukuran menjadi lebih teliti.
Gambar 2.2 Tabung Venturi
Kemiringan dibagian input kira-kira sebesar 30º sedangkan dari bagian output
lebih kecil, yaitu antara 3º sampai 15º. Perbandingan diameter antara leher dan pipa
terletak antara 0,25 mm sampai 0,50 mm. Hasil pengukuran aliran dengan menggunakan
Universitas Sumatera Utara
Tabung Venturi ini merupakan pengukuran yang paling teliti bila dibandingkan dengan
Head Flow Meter yang lain, tetapi paling mahal harganya. Karena bagian leher ini dibuat
sebagai unit tersendiri agar mudah diganti.
b.
Flow Nozzle
Flow Nozzle mempunyai bentuk yang lebih sederhana bila dibandingkan dengan
Tabung Venturi, seperti terlihat pada Gambar 2.3.
(a)
(b)
Gambar 2.3 Flow Nozzle
Tap (lubang pengukur tekanan) pada Flow Nozzle ini diletakkan kira-kira pada
jarak satu kali diameter pipa (1 x D) di muka bagian input dan setengah diameter pipa (½
x D) di belakang bagian output seperti terlihat pada Gambar 2.3 (a) atau tepat di bagian
outputnya, serta tergantung pada pabrik pembuatannya seperti terlihat pada Gambar 2.3
(b).
Flow Nozzle ini mempunyai ketelitian yang lebih rendah bila dibandingkan
dengan Tabung Venturi, juga harganya lebih murah. Berbeda dengan Tabung Venturi
Universitas Sumatera Utara
yang dalam pemasangannya menggunakan pipa saluran, maka pemasangan Flow Nozzle
dapat dilaksanakan tanpa mengganggu sambungan pipa.
c.
Plat Orifice
Plat Orifice merupakan aliran yang paling murah, paling mudah pemasangannya,
tetapi keakuratannya kurang baik di antara pengukuran-pengukuran aliran jenis Head
Flow Meter. Plat Orifice merupakan plat berlubang dengan pinggiran yang tajam. Plat ini
terbuat dari bahan-bahan yang kuat.
Selain terbuat dari logam, ada juga orificenya yang terbuat dari plastik agar tidak
dipengaruhi oleh fluida yang mengalir, erosi atau korosi. Macam-macam tipe Plat Orifice
dapat dilihat pada Gambar 2.4.
(a) Concentric
(b) Eccentric
(c) Segmental
Gambar 2.4 Tipe-tipe Plat Orifice
Plat Orifice tipe eksentris dan segmental digunakan untuk mengukur aliran yang
mengandung bahan-bahan padat. Bila digunakan Plat Orifice tipe konsentris, timbul
endapan-endapan benda padat yang akan mengganggu pengukuran. Demikian juga
lubang kecil yang terletak pada bagian bawah, dibuat sedemikian rupa agar kesalahan
pengukuran dapat diperkecil, yaitu untuk mengalirkan fluida akibat kondensasi agar tidak
berkumpul pada Plat Orifice yang dapat mengganggu pengukuran aliran fluida. Untuk
Universitas Sumatera Utara
aliran fluida udara yang terjebak dialirkan dengan memberi lubang kecil di bagian atas.
Pemasangan tap (lubang) pengukuran untuk Plat Orifice ada beberapa macam, yaitu :
a. Tap Vena Contracta
b. Tap Flange
c. Tap Pipa
Tap pertama dari Tap Vena Contracta diletakkan pada jarak 1 x D sebelum orifice
sedangkan tap kedua pada Vena Contracta. Vena adalah tempat di mana luas aliran
mencapai minimum, sehingga tekanannya paling kecil seperti terlihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Vena Contracta
Oleh karena letaknya tergantung kepada diameter pipa dan diameter orifice maka
pemasangan tap kedua ini akan berbeda untuk pipa dan orifice yang berbeda. Keuntungan
dari Tap Vena Contracta adalah bahwa pengukurannya lebih teliti, karena mendapat
tekanan diferensial yang lebih besar. Kerugiannya ialah bahwa tap harus dipasang pada
pipa dengan tepat pada tempat Vena Contracta.
Tap Flange diletakkan simetris di kiri dan kanan orifice kira-kira sejauh sati inci.
Keuntungan cara ini adalah tap-tapnya dapat dipasang menjadi satu bagian dengan
Universitas Sumatera Utara
Flange pipa tanpa mengganggu. Pipa dan Plat Orifice dapat digantikan tanpa harus
mengubah letak tap. Kerugiannya adalah hasil pengukuran yang kurang teliti, karena
terdapat beda tekanan yang kecil. Pemasangan Tap Flange dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Tap Flange
Tap pertama dari Tap Pipa diletakkan sejauh 2½ x D sebelum orifice sedangkan
tap kedua sejauh 8 x D sesudah orifice, seperti terlihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Tap Pipa
Tekanan diferensial yang diukur kecil sekali karena hanya menyatakan rugi
tekanan oleh Plat Orifice. Agar pengukuran aliran dengan menggunakan Plat Orifice
dapat dilakukan dengan ketelitian yang tinggi maka di dekat tap-tap, tekanan tidak boleh
mengalami gangguan. Ganguan-gangguan ini dapat terjadi bila di dekat tap ini terdapat
fitting seperti sambungan pipa, belokan, katup, regulator, pompa dan lain-lain. Umumnya
daerah sejauh 5 m sebelum orifice sampai 20 m sesudah orifice harus bebas dari fittingfitting. Angka-angka ini bisa tergantung pada perbandingan diameter dan tipe fitting yang
berbeda dari kiri ke kanan orifice.
Universitas Sumatera Utara
d.
Tabung Pitot
Tabung Pitot berbeda dengan ketiga Head Flow Meter yang telah diterangkan
sebelumnya untuk mengukur debit atau laju aliran, maka Tabung Pitot ini merupakan
pengukuran untuk kecepatan fluida mengalir.
Prinsip kerjanya hampir sama dengan penghalang yang lain. Dapat dilihat pada
Gambar 2.8 Tabung Pitot denga Manometer di bawah ini.
Gambar 2.8 Tabung Pitot dengan Manometer
Tabung Pitot yang dipasang di dalam aliran fluida dengan mulut menghadap
arah aliran fluida. Untuk mengukur perbedaan tekanan (P2-P1) sehingga kecepatan fluida
langsung dapat diketahui. Keuntungan dari Tabung Pitot adalah pengukuran yang tidak
hanya dapat dilakukan dalam pipa-pipa tertutup tetapi juga dalam saluran terbuka.
Kerugiannya adalah tidak dapat dipakai untuk mengukur kecepatan fluida yang
mengandung benda-benda padat, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.9
Tabung Pitot yang mempunyai tap-tao sendiri di bawah ini.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Tabung Pitot yang mempunyai tap-tap tersendiri
Tabung Pitot yang mempunyai tap-tap tersendiri, di mana kedua tapnya
merupakan bagian dari Tabung Pitot itu sendiri, sehingga tidak mengganggu (melubangi)
pipa saluran.
Dalam pengukuran menggunakan Head Flow Meter ada 5 faktor yang
mempengaruhi pengukuran fluida, antara lain adalah :
a. Kerapatan (densitas) dari cairan.
b. Temperatur.
c. Tekanan gas.
d. Kekentalan (viskositas).
e. Aliran yang tidak konstan.
f. Kesalahan pemasangan pipa.
g. Ketelitian pembuatan orifice.
h. Adanya gas yang terjebak pada cairan.
2.1.2 Area Flow Meter
Prinsip kerja Area Flow Meter merupakan kebalikan dari Head Flow Meter. Pada
Head Flow Meter, aliran melewati saluran yang mempunyai luas tertentu terdapat
Universitas Sumatera Utara
perbedaan tekanan, sehingga dapat diketahui debit alirannya. Sebaliknya pada Area Flow
Meter mempunyai skala yang linier.
Rota Meter ini terdiri dari suatu kerucut yang terbuat dari gelas (kaca) atau bahan
lain seperti epoxy yang transparan dan berskala dengan suatu pelampung di dalamnya.
Pelampung ini terbuat dari bahan-bahan yang tahan karat terhadap fluida yang mengalir,
biasanya terbuat dari stainless steel. Oleh karena adanya aliran fluida maka pelampung
akan naik dalam keadaan setimbang dan akan diam pada posisi tertentu. Semakin besar
alirannya maka semakin tinggi posisinya. Rota Meter harus dipasang tegak lurus (tidak
boleh lebih miring dari 2º).
Berat pelampung diimbangi oleh gaya ke atas oleh fluida dan gaya akibat
perbedaan tekanan. Jadi dalam keadaan setimbang pelampung menjadi :
W = ΔP . Ap + ρgf . vp
∆P =
W − ρ gf . v
p
Ap
........................................(2.4)
Di mana :
W
= Berat pelampung (kg)
vP
= Kecepatan pelampung (m/s)
ρgf
= Berat jenis fluida (kg/m3)
ΔP
= Beda tekanan (N/m3)
Di sini terlihat bahwa beda tekanan ΔP tidak tergantung dari posisi pelampung.
Jadi pada posisi manapun beda tekanan akan konstan. Oleh karena luas penampang
kerucut berubah terhadap posisi penampang, maka luas penampang dimana fluida
mengalir di sekeliling pelampung juga tergantung pada posisi penampang. Penampang
Universitas Sumatera Utara
aliran kontinuitas Bernouli, sehingga pelampung akan mengatur dirinya sendiri pada
posisi dimana kedua persamaan tadi dipenuhi.
Di mana :
AK = Luas penampang kerucut (m/s2)
Bila
( AK − AP ) 2
<< 1 , maka bentuk persamaan di atas menjadi :
AK
Q = K (AK – AP) ...........................................(2.5)
Jadi laju aliran Q hanya merupakan fungsi dari luas kerucut. Bila sudut
kemiringan kerucut kecil, maka ini sebanding dengan posisi pelampung. Dengan
demikian debit yang akan diukur sebanding dengan posisi pelampung. Oleh karena berat
jenis fluida mempengaruhi persamaan diatas, maka setiap Rota Meter dikalibrasikan
untuk fluida tertentu. Rota Meter ini tidak sekuat Head Flow Meter karena terbuat dari
bahan transparan, tetapi akhir-akhir ini sudah berhasil dibuat Rota Meter dari logam dan
plastik yang lebih kuat.
2.1.3 Positive Displacement Meter
Positive Displacement Meter merupakan meter jumlah, yaitu mengukur
banyaknya fluida yang telah mengalir melalui suatu saluran tertutup. Ada beberapa
macam alat pengukuran aliran jenis Positive Displacement Meter, antara lain adalah :
a. Meter Torak Bolak-Balik
Torak bergerak bolak-balik dan setiap kali menggerakkan sebuah katup geser.
Letak katup geser adalah sedemikian rupa sehingga pada saat torak bergerak ke kiri,
fluida di ruang kiri terdesak keluar, sedangkan ruang kanan terisi oleh fluida masuk.
Kemudian pada saat torak bergerak ke kanan terjadi hal yang sebaliknya, yaitu fluida di
Universitas Sumatera Utara
ruang kanan terdorong ke luar dan ruang kiri kembali terisi. Fluida mengalir setiap kali
torak melakukan gerak bolak-balik sehingga dengan menghitung jumlah gerak bolakbalik torak ini dapat diketahui jumlah volume yang telah mengalir melaluinya. Biasanya
torak ini dihubungkan dengan penghitung mekanis.
b. Meter Bilah Berputar
Prinsip kerja meter bilah berputar sama dengan Meter Torak Bolak-Balik, hanya
di sini terjadi gerakan putar. Silinder dalam letaknya eksentris terhadap silinder luar dan
terpasang bilah-bilah yang dapat bergerak pada celah-celah pada poros silinder dalam.
Bilah-bilah ini berfungsi sebagai pemisah cairan. Pada saat silinder dalam berputar,
sebagian fluida terdorong keluar melalui salah satu sector dan cairan mengalir masuk
pada sector yang lain. Sumbu silinder dalam dihubungkan dengan penghitung mekanis
sehingga jumlah volume fluida yang telah melalui silinder dapat diketahui. Perlu
diketahui bahwa berputarnya silinder dalam disebabkan adanya beda tekanan yang
bekerja pada pengukuran aliran ini.
c. Meter Baling-Baling
Meter Baling-Baling terdiri dari suatu ruangan yang di dalamnya dipasang dua
buah baling-baling yang menyebabkan fluida bergantian masuk dan keluar dari ruangruang yang terpisah oleh kedua baling-baling tersebut. Pengukuran aliran jenis ini
umumnya dipakai untuk aliran gas.
d. Meter Piringan Berayun
Prinsip kerja dari Meter Piringan Berayun adalah dengan mengisi suatu ruangan
dengan volume tertentu kemudian piringan berayun, sehingga fluida akan dialirkan
keluar. Berayunnya piringan ini disebabkan adanya aliran fluida yang melaluinya. Batang
Universitas Sumatera Utara
dari bola yang berada di tengah-tengah piringan dihubungkan ke penghitung mekanis
untuk mengetahui jumlah volume total fluida yang telah melalui piringan.
e. Meter Roda Gigi Oval
Bentuk dan cara kerja meter gigi oval sama dengan Meter Baling-Baling, yang
membedakannya adalah di mana pada Meter Baling-Baling dipasang dua buah balingbaling, sedangkan pada Meter Roda Gigi Oval dibuat dua buah roda gigi oval.
2.1.4 Pengukur-Pengukur Aliran Yang Lain
Selain yang telah dibahas sebelumnya, masih banyak lagi pengukur-pengukur
aliran yang lain. Beberapa diantaranya adalah :
a. Meter Kecepatan Turbin
Prinsip kerja dari Meter Kecepatan Turbin, di mana turbin akan berputar bila
cairan mengenai dan mendorong baling-baling dari turbin. Suatu kumparan penerima
(pick up coil) yang dipasang pada pipa akan merasakan putaran turbin sehingga
kumparan akan menghasilkan pulsa listrik apabila suatu baling-baling melaluinya.
Frekuensi pulsa yang dihasilkan akan sebanding dengan laju aliran volume dari cairan.
Sifat Meter Kecepatan Turbin adalah :
1. Ketelitian tinggi (0,5 %),
2. Sesuai untuk cairan dengan kekentalan rendah,
3. Sinyal keluaran berupa pulsa listrik.
b. Meter Aliran Magnetik
Meter Aliran Magnetik bekerja berdasarkan hukum Faraday tentang induksi
tegangan. Meter Aliran Magnetik tampak pada Gambar 2.10.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Meter Aliran Magnetik
Pada suatu aliran muatan listrik yang melintasi medan magnet akan menimbulkan
tegangan yang besarnya :
E = B l v x 10 -8 ..........................................(2.6)
Di mana :
E = Tegangan induksi (Volt)
l = Panjang konduktor (m)
v = Kecepatan dari konduktor (m/s)
B = Fluks density (Wb/m2)
Fluks density dihasilkan dari :
B = µ0 x H
di mana :
µ0 = 4 π x 10-7
H=
1
2π x ρ
maka diperoleh :
B = µ0 x H
Universitas Sumatera Utara
= ( 4 π x 10-7 ) x (
1
)
2π x ρ
= ( 4 x 3,14 x 10-7 ) x (
= ( 12,56 x 10-7 ) x (
1
)
2 x 3,14 x 1
1
)
6,28
= 2 x 10-7 Wb/m2…………………………...……………………..(2.7)
dengan catatan :
π = 3,14
ρair = 1 gram/cm3
Cairan yang melewati pipa akan memotong fluksi magnet. Adanya aliran fluida
yang bergerak relatif terhadap medan magnet akan menyebabkan tegangan induksi yang
arahnya tegak lurus terhadap kecepatan konduktor
v (m/s) dan fluks densitas B
(Wb/m2).
Tegangan yang timbul dideteksi oleh elektroda yang diletakkan di luar pipa dan
besarnya sebanding dengan kecepatan aliran fluida. Syarat-syarat pengukuran yaitu :
1. Fluida harus dapat mengantarkan arus listrik dan pipa baja tak berkarat nonmagnetik digunakan sebagai tabung pengukuran.
2. Elektroda ditempatkan pada permukaan sebelah dalam dari pipa dan
berhubungan langsung dengan fluida.
3. Tegangan output kecil dan magnet digunakan untuk memperkuat dan
mengeliminasi polarisasi.
Universitas Sumatera Utara
c. Meter Aliran Massa
Pengukuran aliran massa dapat dilakukan secara :
1. Langsung,
2. Tidak Langsung (Inferensial).
Pengukuran Tidak Langsung dilakukan dengan mengukur baik laju aliran dan
densitas (rapat massa). Dengan mengalikan kedua hasil pengukuran ini sehingga pada
komputer (recorder atau controller), laju aliran massa dapat ditentukan. Dalam hal ini
recorder atau controller berfungsi sebagai display, untuk menampilkan hasil pengukuran.
2.2 Istilah-Istilah Sistem Pengendalian
Di dunia sistem pengaturan kita kenal dengan adanya jerat terbuka ( open loop
control system) dan jerat tertutup (closed loop feedback control system). Sistem kendali
jerat terbuka atau umpan maju (feedforward control) umumnya mempergunakan pengatur
(controller) serta aktuator kendali (control actuator) yang berguna untuk memperoleh
respon sistem yang baik. Sistem kendali ini keluarannya tidak diperhitungkan ulang oleh
kontroler. Suatu keadaan apakah plant benar-benar telah mencapai target seperti yang
dikehendaki masukan atau referensi, tidak dapat mempengaruhi kinerja kontroler.
Pada sistem kendali yang lain, yakni sistem kendali jerat tertutup memanfaatkan
variabel yang sebanding dengan selisih respon yang terjadi terhadap respon yang
diinginkan. Sistem seperi ini juga sering dikenal dengan sistem kendali umpan balik.
Aplikasi sistem umpan balik banyak dipergunakan untuk sist em kemudi kapal laut dan
Universitas Sumatera Utara
pesawat terbang. Perangkat sehari -hari yang juga menerapkan sistem ini adalah
penyetelan temperatur pada lemari es, oven, tungku, dan pemanas air.
Masukan
keluaran
Perbandingan
Pengatur
Proses/plant
Pengukuran
Gambar 2.11 Sistem pengendalian loop tertutup
Dengan sistem kendali Gambar 2.11 kita bisa ilustrasikan apabila keluaran aktual
telah sama dengan referensi atau masukan maka input kontroler akan bernilai nol. Nilai
ini artinya kontroler tidak lagi memberikan sinyal aktuasi kepada plant, karena target
akhir perintah gerak telah diperoleh. Sistem kendali loop terbuka dan tertutup tersebut
merupakan bentuk sederhana yang nantinya akan mendasari semua sistem pengaturan
yang lebih kompleks dan rumit. Hubungan antara masukan ( input) dengan keluaran
(output) menggambarkan korelasi antara sebab dan akibat proses yang berkaitan.
Masukan juga sering diartikan tanggapan keluaran yang diharapkan.
Untuk mendalami lebih lanjut mengenai sistem kendali tentunya diperlukan
pemahaman yang cukup tentang h al-hal yang berhubungan dengan sistem kontrol. Oleh
karena itu selanjutnya akan dikaji beberapa istilah -istilah yang dipergunakannya.
2.2.1 Istilah-istilah dalam sistem pengendalian
Dalam mempelajari atau mengaplikasikan sistem kendali diperlukan beberapa
pengertian tentang istilah-istilah pada pengaturan. Beberapa istilah yang sering digunakan
pada pembahasan masalah sistem pengendalian dan perlu dimengerti yaitu :
Universitas Sumatera Utara
1. Masukan
Masukan atau input adalah rangsangan dari luar yang diterapkan ke sebuah sistem
kendali untuk memperoleh tanggapan tertentu dari sistem pengaturan. Masukan juga
sering disebut respon keluaran yang diharapkan.
2. Keluaran
Keluaran atau output adalah tanggapan sebenarnya yang didapatkan dari suatu
sistem kendali.
3. Plant
Seperangkat peralatan atau objek fisik dimana variabel prosesnya akan
dikendalikan, msalnya pabrik, reaktor nuklir, mobil, sepeda motor, pesawat terbang,
pesawat tempur, kapal laut, kapal selam, mesin cuci, mesin pendingin (sistem AC,
kulkas, freezer), penukar kalor ( heat exchanger), bejana tekan (pressure vessel), robot
dan sebagainya.
4. Proses
Berlangsungnya operasi pengendalian suatu variabel proses, misalnya proses
kimiawi, fisika, biologi, ekonomi, dan sebagainya.
5. Sistem
Kombinasi atau kumpulan dari berbagai komponen yang bekerja secara bersamasama untuk mencapai tujuan tertentu.
6. Diagram blok
Bentuk kotak persegi panjang yang digunakan untuk mempresentasikan model
matematika dari sistem fisik.
7. Fungsi Alih (Transfer Function)
Universitas Sumatera Utara
Perbandingan antara keluaran(output) terhadap masukan(input) suatu system
pengendalian. Suatu misal fungsi alih sistem pengendalian loop terbuka dapat dicari
dengan membandingkan antara output terhadap input.
8. Sistem Pengendalian Umpan Maju
Sistem kendali ini disebut juga sistem pengendalian loop terbuka . Pada sistem ini
keluaran tidak ikut andil dalam aksi pengendalian.
9. Sistem Pengendalian Umpan Balik
Istilah ini sering disebut juga sistem pengendalian loop tertutup. Pengendalian
jenis ini adalah suatu sistem pengaturan dimana sistem keluaran pengendalian ikut andil
dalam aksi kendali. Untuk sistem pengendalian umpan balik dapat dilihat pada Gambar
2.12 Sistem Pengendalian Loop Tertutup di bawah ini.
Input
Output
Kontroler
Proses/plant
Elemen feedback
Gambar 2.12 Sistem Pengendalian Loop Tertutup
10. Sistem Pengendalian Manual
Sistem pengendalian dimana faktor manusia sangat dominan dalam aksi
pengendalian yang dilakukan pada sistem tersebut. Peran manusia sangat dominan dalam
menjalankan perintah, sehingga hasil pengendalian akan dipengaruhi pelakunya. Pada
sistem kendali manual ini juga termasuk dalam kategori sistem kendali jerat tertutup.
Tangan berfungsi untuk mengatur permukaan fluida dalam tangki. Permukaan fluida
dalam tangki bertindak sebagai masukan, sedangkan penglihatan bertindak sebagai
Universitas Sumatera Utara
sensor. Operator berperan membandingkan tinggi sesungguhnya saat itu dengan tinggi
permukaan fluida yang dikehendaki, dan kemudian bertindak untuk membuka atau
menutup katup sebagai aktuator guna mempertahankan keadaan permukaan yang
diinginkan. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.13 Sistem Pengendalian Level Cairan
Secara Manual di bawah ini.
Gambar 2.13 Sistem Pengendalian Level Cairan Secara Manual
11. Sistem Pengendalian Otomatis
Sistem pengendalian dimana faktor manusia tidak dominan dalam aksi
pengendalian yang dilakukan pada sistem tersebut. Peran manusia digantikan oleh sistem
kontroler yang telah diprogram secara otomatis sesuai fungsinya, sehingga bisa
memerankan seperti yang dilakukan manusia. Di dunia industri modern banyak sekali
sistem ken dali yang memanfaatkan kontrol otomatis, apalagi untuk industri yang
bergerak pada bidang yang proses nya membahayakan keselamatan jiwa manusia. Hal ini
dapat dilihat pada Gambar 2.14 Sistem Pengendalian Level Cairan Secara Otomatis di
bawah ini.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Sistem Pengendalian Level Cairan Secara Otomatis
12. Variabel terkendali (Controlled variable)
Besaran atau variabel yang dikendalikan, biasanya besaran ini dalam diagram
kotak disebut process variable (PV).
13. Manipulated variable
Masukan dari suatu proses yang dapat diubah -ubah atau dimanipulasi agar
process variable besarnya sesuai dengan set point (sinyal yang diumpankan pada suatu
sistem kendali yang digunakan sebagai acuan untuk menentukan keluaran sistem
kontrol). Laju aliran diatur dengan mengendalikan bukaan katup.
14. Servomekanisme
Sistem pengendalian dimana keluarannya berupa besaran-besaran mekanik,
seperti percepatan, kecepatan, posisi, torsi, putaran dan sebagainya. Besaran besaran
inilah yang sebaiknya dimenger ti dan dipahami bagi engineer, sehingga mengetahui
bagaimana sistem kendali akan diaplikasikan.
15. Sistem Pengendalian Digital
Universitas Sumatera Utara
Dalam sistem pengendalian otomatis terdapat komponen -komponen utama
seperti elemen proses, elemen pengukuran (sensing element dan transmitter), elemen
controller (control unit), dan final control element (control value ). Hal ini dapat di lihat
pada Gambar 2.15 Sistem Pengendalian Digital di bawah ini.
Gambar 2.15 Sistem Pengendalian Digital
16. Gangguan (disturbance)
Suatu sinyal yang mempunyai k ecenderungan untuk memberikan efek yang
melawan terhadap keluaran sistem pengendalian(variabel terkendali). Besaran ini juga
lazim disebut load.
17. Sensing element
Bagian paling ujung suatu sistem pengukuran ( measuring system) atau sering
disebut sensor. Sensor bertugas mendeteksi gerakan atau fenomena lingkungan yang
diperlukan sistem kontroler. Sistem dapat dibuat dari sistem yang paling sederhana
seperti sensor on/off menggunakan limit switch, sistem analog, sistem bus paralel, sistem
bus serial serta si stem mata kamera. Contoh sensor lainnya yaitu thermocouple untuk
pengukur temperatur, accelerometer untuk pengukur getaran, dan pressure gauge untuk
pengukur tekanan.
Universitas Sumatera Utara
18. Transmitter
Alat yang berfungsi untuk membaca sinyal sensing element dan mengubahnya
supaya dimengerti oleh controller.
19. Aktuator
Piranti elektromekanik yang berfungsi untuk menghasilkan daya gerakan.
Perangkat bisa dibuat dari system motor listrik (motor DC servo, motor DC stepper,
ultrasonic motor, linier moto, torque motor , solenoid), sistem pneumatik dan hidrolik.
Untuk meningkatkan tenaga mekanik aktuator atau torsi gerakan maka bisa dipasang
sistem gear box atau sprochet chain.
20. Transduser
Piranti yang berfungsi untuk mengubah satu bentuk energi menjadi energi bentuk
lainnya atau unit pengalih sinyal. Suatu contoh mengubah sinyal gerakan mekanis
menjadi energi listrik yang terjadi pada peristiwa pengukuran getaran. Terkadang antara
transmiter dan tranduser dirancukan, keduanya memang mempunyai fungsi serupa.
Transduser lebih bersifat umum, namun transmiter pemakaiannya pada sistem
pengukuran.
21.Measurement Variable
Sinyal yang keluar dari transmiter, ini merupakan cerminan sinyal pengukuran.
22. Setting point
Besar variabel proses yang dikehendaki. Suatu kontroler akan selalu berusaha
menyamakan variabel terkendali terhadap set point.
Universitas Sumatera Utara
23. Error
Selisih antara set point dikurangi variabel terkendali. Nilainya bisa positif atau
negatif, bergantung nilai set point dan variabel terkendali. Makin kecil error terhitung,
maka makin kecil pula sinyal kendali kontroler terhadap plant hingga akhirnya mencapai
kondisi tenang ( steady state)
24. Alat Pengendali (Controller)
Alat pengendali sepenuhnya menggantikan peran manusia dalam mengendalikan
suatu proses. Controller merupakan elemen yang mengerjakan tiga dari empat tahap
pengaturan, yaitu
a. membandingkan set point dengan measurement variable
b. menghitung berapa banyak koreksi yang harus dilakukan, dan
c. mengeluarkan sinyal koreksi sesuai dengan hasil perhitungannya ,
25. Control Unit
Bagian unit kontroler yang menghitung besarnya koreksi yang diperlukan.
26. Final Controller Element
Bagian yang berfungsi untuk mengubah measurement variable dengan
memanipulasi besarnya manipulated variable atas dasar perintah kontroler.
27. Sistem Pengendalian Kontinyu
Sistem pengendalian yang ber jalan secara kontinyu, pada setiap saat respon
sistem selalu ada. Pada Gambar 2.16. Sinyal e(t) yang masuk ke kontroler dan sinyal m(t)
yang keluar dari kontroler adalah sinyal kontinyu.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.16 Sistem Pengendalian Kontinyu
28. Sistem pengendalian Adaptive
Sistem pengendalian yang mempunyai kemampuan untuk beradaptasi dengan
perubahan lingkungan disekitarnya.
29. Sistem Pengendalian Diskrit ( digital)
Sistem pengendalian yang berjalan secara diskrit, proses p engendalian tidak
berjalan setiap saat, hanya pada waktu -waktu tertentu saja (pada saat terjadi pencuplikan
pada waktu cupliknya). Rangkaian holding device dipakai untuk mengubah sinyal digital
ke sinyal kontinyu. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.17 Sistem Pengendalian Digital
di bawah ini.
Gambar 2.17 Sistem Pengendalian Digital
Universitas Sumatera Utara
30. Rangsangan
Setiap isyarat masukan yang dimasukkan dari luar yang mempengaruhi keluaran
terkendali.
31. Sistem Regulasi Otomatis
Sistem pengendalian dimana output sistem dijaga agar sesuai dengan nilai input
referensi yang telah ditentukan terlebih dahulu, atau paling tidak mempunyai selang yang
kecil dengan input referensinya.
2.2.2 Sistem pengendalian loop tertutup
Umumnya sistem pengendalian loop tertutup terdiri dari bagian -bagian seperti
terlihat pada Gambar 2.18 Sistem Pengendalian Loop Tertutup di bawah ini.
Gambar 2.18 Sistem Pengendalian Loop Tertutup
1. Input referensi, r(t)
Disebut juga set point, adalah sinyal yang diumpankan pada suatu sistem
pengendalian yang digunakan sebagai acuan untuk menentukan output sistem
pengendalian tersebut. Sinyal -sinyal yang banyak digunakan sebagai input referensi
adalah:
a. Sinyal impulse
Universitas Sumatera Utara
b. Sinyal step
c. Sinyal ramp
d. Sinyal parabolik
e. Sinyal sinusoida
2. Sinyal feedback, b(t)
Sinyal yang dihasilkan dari elemen feedback.
3. Summing point (error detector)
Bagian yang berfungsi untuk menjumlahkan semua sinyal yang masuk padanya.
Pada gambar 2.18, sinyal yang masuk adalah input referensi (bertanda positif) dan sinyal
feedback (bertanda negatif).
4. Sinyal error, e(t)
Sinyal yang dihasilkan dari perbedaan antara input referensi dan sinyal feedback.
Jadi e(t)= r(t)- b(t)
5. Elemen pengatur
Bagian dari sistem pengendalian yang berfungsi untuk menghasilkan sinyal
pengendalian untuk mengendalikan proses/plant. Kontroler sebenarnya terdiri dari bagian
summing point dan elemen kontrol, tetapi kadang -kadang elemen kontrol ini dalam
diagram blok sistem pengendalian ditulis sebagai kontroler, misalnya pada gambar 2.16.
6. Sinyal pengendalian, m(t)
Disebut juga sinyal termanipulasi (manipulated signal) adalah sinyal yang
dihasilkan dari kontroler.
7. Sinyal output, c(t)
Sinyal keluaran dari plant atau proses yang dikendalikan oleh kontroler.
Universitas Sumatera Utara
8. Elemen feedback
Bagian yang berfungsi untuk mengubah sinyal output menjadi sinyal feedback.
Sinyal feedback ini mempunyai bes aran yang sama dengan sinyal input referensi. Bagian
ini biasanya terdiri dari transducer atau sensor yang berfungsi untuk mengubah satu
bentuk sinyal ke bentuk yang lainnya. Bagian ini bisa ada atau tidak pada suatu sistem
pengendalian diperlukan elemen f eedback jika sinyal output mempunyai besaran yang
tidak sama dengan sinyal input referensi dan tidak diperlukan elemen feedback jika
besaran sinyal output sudah sama dengan besaran sinyal input referensi.
Universitas Sumatera Utara