KALIBRASI INSTRUMEN UKUR
(KARAKTERISTIK DINAMIK)
LAPORAN PRAKTIKUM
INSTRUMEN DAN PENGUKURAN
|
|||
 |
|||
LABORATORIUM INSTRUMEN DAN PENGUKURAN
DIPLOMA
3 TEKNIK KIMIA
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2011
KARAKTERISTIK DINAMIK
I.
TUJUAN
Setelah
melakukan praktikum ini seluruh mahasiswa diharapkan dapat,
1.
Menentukan konstanta waktu inmstrumen ukur;
2. Menentukan waktu tanggap waktu
ninstrumen ukur;
II.
DASAR TEORI
Karakteristik dinamik menunjukan performa instrument ukur ketika mengukur
variable yang berubah cepat, tetapi memerlukan waktu beberapa saat sebelum
mencapai tanggapan penuh.Waktu yang digunakan, tergantung pada resistensi,
kapasitansi, massa atau inersia dan waktu mati instrument. Karakteristik
dinamik dapat dinyatakan dengan tanggapan undak (step response), tanggapan
miring (ramp response), dan tanggapan frekuensi dari instrument ukur.
2.1. Tanggapan Undak
Perubahan
mendadak (undak) terjadi ketika variable terukur secara tiba-tiba berubah dari
kondisi tunak pertama (first steady state) ke kondisi nilai tunak kedua (second
steady state). Sebagai contoh, perubahan mendadak sebesar 100oC
dapat dilakukan dengan memindahkan sensor suhu dari es mencair ke dalam air
mendidih.
Tanggapan undak
sebuah instrument dapat digolongkan kedalam : sangat terendam (over damped),
rendaman kritik (critically damped) atau osilasi terendam (under damped).
Tanggapanm sangat terendam atau rendaman kritik dinyatakan dalam waktu tanggap
(response time) dan waktu naik (rise time). Tanggapan osilasi terendam
dinyatakan dalam waktu naik (rise time), prosentase overshoot, dan waktu mantap
(setting time).
Dengan
menganggap instrument ukur sebagai system orde-1, maka nilai pengukuran
mengikuti persamaan ,
Y =
KA [ 1 – ℮ -t∕τ ] + yo
Dengan :
Y = nilai keluaran
setiap saat,
A = nilai perubahan
masukan,
Yo = nilai keluaran
mula-mula saat steady state awal,
τ = konstanta waktu,
∆Y = perubahan keluaran
setelah steady state = Y max – Yo
∆X = perubahan masukan.
Time Constant (konstanta waktu) adalah
waktu yang diperlukan keluaran untuk mencapai 63,2 % dari nilai perubahan
keseluruhan.
Response Time (waktu tanggap) adalah
waktu yang diperlukan keluaran untuk mencapai prosentase tertentu 9biqasanya 95
%) dari nilai perubahan keseluruhan.
Tr
= 3τ
Rise time (waktu naik) adalah waktu
yang diperlukan keluaran untuk berubah dari prosentase tertentu (biasanya 5 %)
ke prosentase yang lebih besar (biasanya 95 %).
5 %
- 95 % rise time = 2,94 τ
2.2. Metoda
Statistika untuk Mengukur Konstanta Waktu
1)
Hitung deviasi standar untuk seluruh pengukuran (s)
S
τ = √∑( τ i – τ ) 2
N – 1
2).
Tentukan nilai (t) dari table distribusi – t berikut :
Tabel 2.1. Distribusi-t
|
Derajat
Kebebasan
(
N-1)
|
P
= 68,3%
(1
s )
|
P
= 95 %
|
P
= 99 %
|
P
= 99,73 %
(
3s)
|
|
1
|
1,80
|
12,7
|
64
|
235
|
|
2
|
1,32
|
4,30
|
9,9
|
19,2
|
|
3
|
1,20
|
3,18
|
5,8
|
9,2
|
|
4
|
1,15
|
2,78
|
4,6
|
6,6
|
|
5
|
1,11
|
2,57
|
4,0
|
5,5
|
|
6
|
1,09
|
2,45
|
3,7
|
4,9
|
|
7
|
1,08
|
2,37
|
3,5
|
4,5
|
|
8
|
1,07
|
2,31
|
3,4
|
4,3
|
|
9
|
1,06
|
2,26
|
3,2
|
4,1
|
|
10
|
1,05
|
2,23
|
3,2
|
4,0
|
|
15
|
1,04
|
2,13
|
3,0
|
3,6
|
|
20
|
1,03
|
2,09
|
2,8
|
3,4
|
|
30
|
1,02
|
2,04
|
2,8
|
3,3
|
|
>
30
|
1,00
|
1,98
|
2,6
|
3,1
|
|
∞
|
1.00
|
1,96
|
2,58
|
3,0
|
2)
Nilai ketidak
pastian adalah , ∆τ = S τ t
√N
3)
Maka nilai konstanta waktu adalah , τ ± ∆τ
III.
ALAT DAN BAHAN
1. Termometer Gelas 1 buah
2. Termometer
Logam 1 buah
3. Stopwatch 1 buah
4. Gelas Kimia
1 L 1 buah
5. Waterbath 1 buah
IV.
LANGKAH KERJA
1.
Persiapan
2.
Perubahan Naik
3.
Perubahan Turun
Langkah-langkah
yang dilakukan sama dengan pengukuran naik, tetapi dimulai dari suhu panas ke suhu dingin (celupkan termometer ke dalam waterbath terlebih dahulu, baru kemudian celupkan ke dalam gelas
kimia).
V.
DATA PENGAMATAN
v
PENGUKURAN NAIK
Tabel
1. Pengamatan Suhu
|
|
Percobaan
Ke-
|
||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
|
Suhu air
dingin (Td), oC
|
27,5
|
27,0
|
27,0
|
27,5
|
28,0
|
|
Suhu air panas
(Tp), oC
|
77,5
|
79,0
|
83,0
|
80,0
|
83,0
|
|
Suhu akhir =
0,63(Tp-Td) +Td
|
59,0
|
59,8
|
62,3
|
60,6
|
62,7
|
Tabel 2. Pengamatan Hambatan Sensor
|
|
Percobaan
Ke-
|
||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
|
Hambatan dalam
air dingin (Rd), Ω
|
21
|
22
|
22
|
22
|
23
|
|
Hambatan dalam
air panas (Rp), Ω
|
80
|
77
|
82
|
82
|
80
|
|
Hambatan akhir
= 0,63(Rp-Rd) +Rd
|
58,17
|
56,63
|
59,80
|
59,80
|
58,17
|
Tabel
3. Pengamatan Konstanta Waktu
|
No.
|
Kostanta
Waktu (τ)
|
|
|
Termometer
(detik)
|
Termometer
Logam (detik)
|
|
|
1.
|
3,96
|
2,55
|
|
2.
|
3,52
|
2,00
|
|
3.
|
3,66
|
2,21
|
|
4.
|
3,93
|
2,68
|
|
5.
|
3,28
|
2,43
|
v
PENGUKURAN TURUN
Tabel
4. Pengamatan Suhu
|
|
Percobaan
Ke-
|
||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
|
Suhu air
dingin (Td), oC
|
28,0
|
28,5
|
28,5
|
28,5
|
29,0
|
|
Suhu air panas
(Tp), oC
|
80,5
|
79,5
|
83,0
|
83,0
|
80,0
|
|
Suhu akhir =
0,63(Tp-Td) +Td
|
47,4
|
47,4
|
48,7
|
48,7
|
47,8
|
Tabel
5. Pengamatan Hambatan Sensor
|
|
Percobaan
Ke-
|
||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
|
Hambatan dalam
air dingin (Rd), Ω
|
24
|
24
|
24
|
24
|
24
|
|
Hambatan dalam
air panas (Rp), Ω
|
76
|
80
|
82
|
78
|
80
|
|
Hambatan akhir
= 0,63(Rp-Rd) +Rd
|
43,32
|
44,72
|
45,46
|
43,98
|
44,72
|
Tabel
6. Pengamatan Konstanta Waktu
|
No.
|
Kostanta
Waktu (τ)
|
|
|
Termometer
(detik)
|
Termometer
Logam (detik)
|
|
|
1.
|
2,90
|
2,26
|
|
2.
|
3,06
|
2,11
|
|
3.
|
3,09
|
2,11
|
|
4.
|
3,12
|
2,17
|
|
5.
|
3,05
|
2,09
|
VI.
PENGOLAHAN DATA
v
Pengukuran Naik
Termometer Gelas:
Termometer Logam :
|
Detik
(t
i )
|
(
τ - τ´)
|
(τ - τ´)2 x 10-2
|
|
3,96
|
0,29
|
8,41
|
|
3,52
|
-0,15
|
2,25
|
|
3,66
|
-0,01
|
1
|
|
3,93
|
0,26
|
6,76
|
|
3,28
|
-0,39
|
15,21
|
|
τ´=3,67
|
|
∑
= 33,63
|
|
Detik
(t
i )
|
(
τ - τ´)
|
(τ - τ´)2 x10-2
|
|
2,55
|
0,18
|
3,24
|
|
2,00
|
-0,37
|
1,37
|
|
2,21
|
-0,16
|
2,56
|
|
2,68
|
0,31
|
9,61
|
|
2,43
|
0,06
|
0,36
|
|
τ
´= 2,37
|
|
∑
= 17,14
|
Ø
Termometer Gelas
Ø
Termometer Logam
Ø
Konstanta waktu rata-rata
= 
= 
= 3,02
1.1 Nilai ketidakpastian
Ø
Dengan besaran fisik
1)
Untuk termometer gelas
x 2,78
0,36
Maka nilai konstanta
waktu = 
= 
2)
Untuk termometer logam
x 2,780,26
Maka nilai konstanta
waktu =
= 
Ø
Dengan persen rata-rata
1)
Untuk termometer gelas
2)
Untuk termometer logam
1.2 Rise time
1)
Untuk termometer gelas
2)
Untuk termometer logam
6,97
1.3 Response Time
1)
Untuk termometer gelas
2)
Untuk termometer logam
7,11
v
Pengukuran Turun
Termometer Gelas: Termometer
Logam :
|
Detik
(t
i )
|
(
τ - τ´)
|
(τ - τ´)2 x 10-2
|
|
2,90
|
-0,144
|
2,074
|
|
3,06
|
0,016
|
0,026
|
|
3,09
|
0,046
|
0,212
|
|
3,12
|
0,076
|
0,577
|
|
3,05
|
0,006
|
0,004
|
|
τ´=3,044
|
|
∑
= 2,893
|
|
Detik
(t
i )
|
(
τ - τ´)
|
(τ - τ´)2 x10-2
|
|
2,26
|
0,11
|
1,21
|
|
2,11
|
-0,04
|
0,16
|
|
2,11
|
-0,04
|
0,16
|
|
2,17
|
0,02
|
0,04
|
|
2,09
|
-0,06
|
0,36
|
|
τ
´= 2,15
|
|
∑
= 1,93
|
Ø
Termometer Gelas
Ø
Termometer Logam
Ø
Konstanta waktu rata-rata
=
= 
= 2,6
2.1 Nilai ketidakpastian
Ø
Dengan besaran fisik
1)
Untuk termometer gelas
x 2,780,086
Maka nilai konstanta
waktu =
= 
2)
Untuk termometer logam
x 2,780,086
Maka nilai konstanta
waktu =
= 
Ø
Dengan persen rata-rata
1)
Untuk termometer gelas
2)
Untuk termometer logam
2.2 Rise Time
1)
Untuk termometer gelas
2)
Untuk termometer logam
6,32
2.3 Response Time
1)
Untuk termometer gelas
2)
Untuk termometer logam
6,45
VII.
PEMBAHASAN
Praktikum
kali ini bertujuan untuk menentukan konstanta waktu instrumen ukur, menentukan waktu tanggap instrumen ukur dan
untuk menentukan waktu naik instumen ukur. Untuk menentukan konstanta waktu
ukur , diperlukan adanya konstanta waktu, waktu tanggap (response time),
dan waktu naik (rise time) pada temperatur air dingin dengan air panas.
Waktu pengukuran adalah salah satu
faktor yang menentukan ketelitian. Bila pengukuran dilakukan terlalu cepat,
maka nilai yang diperoleh belum menunjukkan nilai sebenarnya. Begitupun
sebaliknya, bila pengukuran terlalu lama meskipun akan diperoleh nilai
sebenarnya, akan terjadi pemborosan waktu yang tidak perlu. Oleh karena itu
harus diketahui berapa lama pengukuran dilakukan agar dihasilkan nilai dalam
batas toleransi yang diterima. Besaran
yang menentukan lama pengukuran disebut dengan konstanta waktu. Selain konstanta waktu, terdapat besaran lain yang
dapat menunjukkan secara nyata waktu pengukuran yang diperlukan, diantaranya
waktu tanggap dan waktu naik. Dengan mengetahui waktu tanggap dan waktu naik, dapat diketahui seberapa
cepat pengukuran dapat dilakukan.
Nilai ketidak pastian pengukuan menentukan seberapa besar
penyimpangan nilai dari nilai rata-rata. Penentuan nilai ketidakpastian
dilakukan dengan cara :
§
Menghitung deviasi standar untuk seluruh
pengukuran (sy)
§
Menentukan nilai (t) dari tabel distribusi –t
§
Nilai ketidakpastian : ∆y = 
t
t
Dalam
persen skala penuh : ∆y = t x
t x
Konstanta waktu, waktu tanggap (response
time),dan waktu naik (rise time) pada temperatur air dingin (25-28oC)
dengan air panas (78-84oC) yang diukur dengan menggunakan termometer
gelas dan termometer logam secara pengukuran naik dan pengukuran turun,
mempunyai nilai yang berbeda. Ini terbukti dari hasil pengukuran yang
didapatkan dan dapat dipastikan bahwa perbedaan yang terjadi adalah akibat dari
perbedaan ketelitian dari kedua instrument ukur tersebut. Termometer gelas yang
digunakan dalam percobaan mempunyai ketelitian 2 0C sedangkan
termometer gelas memiliki ketelitian 1 0C. Dari kedua alat yang
digunakan dapat disimpulkan bahwa termometer gelas mempunyai ketelitian yang
lebih tinggi dibadingkan dengan termometer logam, karena dapat merubah kondisi
pengukuan dengan cepat dengan mengikuti perubahan kondisi dari kondisi yang
ada.
Dalam
percobaan ini penampilan instrument ukur ketika
instrument ukur mengukur variabel dengan perubahan yang sangat cepat.
Media pengujian instrumen ukur adalah dengan mengunakan air dingin dan air
panas. Sedangkan pada umumnya instrument tidak bisa mengikuti perubahan yang
cepat, karena instrument ukur memerlukan waktu untuk berubah atau memberikan
keterangan tentang ukuran yang diinginkan. Hal ini disebabkan karena instrument
ukur tersebut mengalami tahapan yang disebut tanggapan undak (step response)
atau mengalami perubahan yang sangat cepat sekali dari variable ukur pertama ke
variable ukur kedua yang dialami ketika termometer dengan suhu air dingin
(25-28oC) dan suhu diatas 80 oC ketika ada dalam air
panas. Selain itu, tingkat sensitifitas dari tiap termometer berbeda, sehingga
hasilnya juga berbeda. Ketika dalam melakukan percobaan, seperti dalam memegang
termometer serta dalam pembacaan angka juga berpengaruh terhadap nilai.
Dari
data time konstan yang ada pada data pengamatan di atas terdapat perbedaan time
konstan pada saat pengukuran naik dan pengukuran turun dari termometer raksa.
Seharusnya secara teoritis, nilai time konstan pada pengukuran naik dan pengukuran
turun adalah sama. Sehingga dari data tersebut dapat dilihat bahwa termometer
logam lebih cepat menanggapi kenaikan temperatur daripada penurunan temperatur
yang disebabkan karakteristik bahan termometer yang mudah menyerap panas dari
pada termometer gelas.
Faktor
yang mempengaruhi ketidakpastian pengukuran diantaraya penentuan waktu
memberhentikan stopwatch dalam menghentikan pengkuran naik ataupun turun.
Kurang telitinya dalam mengamati perubahan suhu sehingga dalam menentukan waktu
juga kurang tepat. Human error, serta kesalahan paralak operator dalam mengoperasikan alat ketika pembacaan itu dilakukan. Dalam pembacaan suhu terukur oleh alat yang
diambil saat suhu belum menunjukkan nilai yang konstan, kesalahan paralaks,
random error, maupun pengukuran suhu dalam kondisi yang tidak stabil
Dalam
hal ini perlu di lakukan usaha untuk memperkecil ketidakpastian sehingga
didapatkan hasil yang lebih akurat, yaitu dengan cara melakukan pengukuran
berulang-ulang (rendundan observations) dan melakukan hitung perataan terhadap
hasil pengukuran dan kesalahan pengukuran.
VIII. KESIMPULAN
Dari
praktikum di atas didapatkan:
·
Deviasi
standar
Termometer Gelas
Termometer Logam
·
Nilai –t
berdasarkan tabel distribusi adalah 4,303
·
Nilai
ketidakpastian adalah:
Untuk
termometer gelas
x 2,780,086
Maka nilai konstanta
waktu =
=
Untuk
termometer logam
x 2,780,086
Maka nilai konstanta
waktu =
=
·
Dalam persen skala penuh :
∆y
= t x
t x
1)
Untuk termometer gelas
2)
Untuk termometer logam
·
Perhitungan
Waktu Tanggap dan Waktu Naik
Pengukuran
Naik
Waktu tanggap dan waktu
naik thermometer raksa pada
pengamatan suhu.
Waktu
tanggap :
tr = 3τ = detik
Untuk
termometer gelas
Untuk
termometer logam
6,45
Waktu naik :
Untuk
termometer gelas
Untuk
termometer logam
6,32
1.
Penyebab dari ketidakpastian tersebut yaitu Human
error, serta kesalahan paralak
operator dalam mengoperasikan alat ketika pembacaan itu dilakukan. Dalam pembacaan suhu terukur oleh alat yang diambil saat suhu belum
menunjukkan nilai yang konstan, kesalahan paralaks, random error, maupun
pengukuran suhu dalam kondisi yang tidak stabil
2.
Saran dari kelompok kami, kita harus lebih teliti
dalam melakukan percobaan dan selalu berhati-hati agar dapat memperoleh hasil
yang maksimal. Selain itu, kita harus bisa bekerja sama dalam tim.
DAFTAR PUSTAKA
Tim Penyusun.Jobsheet Praktikum Instrumentasi dan
Pengukuran.Bandung:Polban
Bateson, R.N. (1993).
Introduction to Control System
Technology. Maxwell Macmillan Internasional, Singapura.
Anderson, N.A. (1980). Instrumentasi
for Process Measurement and Control. Chilton Co. Radnor, Pennsylvania.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar