Diberdayakan oleh Blogger.

Penguat non inverting dan inverting

4.1. Karakteristik op-amp
Penguat operasional atau sering disebut op-amp merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk memperkuat sinyal arus searah (DC) maupun arus bolak-balik (AC). Penguat operasional terdiri atas transistor, resistor dan kapasitor yang dirangkai dan dikemas dalamrangkaian terpadu (intregated circuit).
Dalam sistem instrumentasi Op-amp sering digunakan untuk pembuatan pengkondisi sinyal. Op-amp dipilih karena:
a. Bentuknya praktis (kecil), tidak memerlukan ruang yang banyak
b. Kehandalan tinggi
c. Mudah digunakan
d. Mudah diperoleh di pasaran.

Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram rangkaian Op-amp, gambar 3.2. simbol dari Op-amp dan gambar 3.3. rangkaian pengganti op-amp ideal.
Gambar 3.1. Blok diagram penguat operasional (op-amp)

Blok diagram op-amp terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat diferensial, tahap penguatan (gain), rangkaian penggeser level (level shifter) dan penguat akhir yang biasanya dirancang dengan penguat push-pull kelas B.
Gambar 3.2. simbul rangkaian op-amp.

Penjelasan:
Non inverting input = masukan tak membalik
Inverting input = masukan membalik
+VCC=tegangan catu positip
-VEE= tegangan catu negatip
Vout= tegangan keluaran 
Gambar 3.3. Rangkaian penganti op-amp.

Penjelasan:
V1 (+V) =non inverting input ( masukan tak membalik)
V2 (-V) = inverting input ( masukan  membalik)
Rin = (Zin) impedansi input
 Rout =(Zout )  impedansi output
Vout= tegangan keluaran
 AVOL = penguatan loop terbuka.
(1) Karakteristik ideal op-amp dinyatakan dengan perjanjian sebagai berikut:
a. Penguatan loop terbuka tak terhingga, sehingga V+ = V.
b. Impedansi input (Zin ) tak terhingga, sehingga op-amp tidak menarik arus dari sumber.
c. Impedansi output (Zout ) nol, sehingga tegangan output konstan meskipun beban berubah.
d. Penguatan loop terbuka (A) tak terhingga.

(2) Karakteristik real op-amp adalah sebagai berikut:
a. Masukan V+ dan Vmenghasilkan keluaran Vo =A(V+ − V) dimana penguatan loop terbuka A harganya terbatas dan berbanding terbalik dengan frekuensi. Harga perkalian A.f berkisar antara 0,1 s.d 10 MHz
b. Impedansi masukan terbatas, sekitar 1 MΩ untuk IC bipolar atau 106 MΩ untuk IC-FET
c. Pada saat V+ = V, tegangan output tidak sama dengan nol. Tegangan ini dikenal sebagai tegangan offset. Tegangan offset terjadi karena ketidakseimbangan arus dan tegangan di dalam IC.
d. Masukan V+ dan Vtidak mengambil arus bias yang sama. Hal ini juga menimbulkan tegangan offset.
e. Arus keluaran terbatas, berkisar antara 10mA pada tegangan Vo = 10 Volt.
Contoh real  parameter op-amp LM 741 ditunjukkan pada tabel 3.1

Tabel 3.1  Parameter op-amp yang penting
(3) Parameter op-amp
Parameter-parameter  yang harus dipertimbangkan dalam pemilhan Op-amp adalah:

(a)   Penguatan open-loop
Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop (AOL) yang tak terhingga. Namun pada prakteknya op-amp semisal LM741 memiliki penguatan yang terhingga kira-kira 100.000 kali. Sebenarnya dengan penguatan yang sebesar ini, sistem penguatan op-amp menjadi tidak stabil. Input diferensial yang amat kecil saja sudah dapat membuat outputnya menjadi  saturasi.
(b)   Unity-gain frequency
Op-amp ideal mestinya bisa bekerja pada frekuensi berapa saja mulai dari sinyal dc sampai frekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain frequency menjadi penting jika op-amp digunakan untuk aplikasi dengan frekuensi tertentu. Parameter AOL biasanya adalah penguatan op-amp pada sinyal DC. Response penguatan op-amp menurun seiring dengan menaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741 misalnya memiliki unity-gain frequencysebesar 1 MHz. Ini berarti penguatan op-amp akan menjadi 1 kali pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu merancang aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka pilihlah op-amp yang memilikiunity-gain frequency lebih tinggi.
(c)    Slew rate
Slew Rate yaitu penormalan batas lebar bandwidth limitations yang biasa disebut dengan "slew rate limiting" yaitu suatu efek untuk membatasi rate maksimum dari perubahan tegangan output piranti Op-amp. Normalnya slew rate volt per mikro detik dan range-nya sebesar 1 volt per mikro detik sampai 10 volt per mikro detik. Efek lain dari slew rate adalah membuat bandwidth lebih besar untuk sinyal output yang rendah dari pada sinyal output yang besar.
Di dalam op-amp biasanya ditambahkan beberapa kapasitor untuk kompensasi dan mereduksi noise. Namun kapasitor ini menimbulkan kerugian yang menyebabkan response op-amp terhadap sinyal input menjadi lambat. Op-amp ideal memiliki parameter slew-rate yang tak terhingga. Sehingga jika input berupa sinyal kotak, maka outputnya juga kotak. Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyal output dapat berbentuk ekponensial. Sebagai contoh praktis, op-amp LM741 memiliki slew-rate sebesar 0.5V/us. Ini menujukkan perubahan output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam waktu 1 us.
(d)     Parameter CMRR
CMRR (Commom Mode Rejection Ratio) adalah suatu sifat yang bertalian dengan penguat diferensial. Bila tegangan-tegangan yang sama fasanya diumpankan ke dalam masukan-masukan penguat, keluaran  akan  nol. Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. Op-amp dasarnya adalah penguat diferensial dan mestinya tegangan input yang dikuatkan hanyalah selisih tegangan antara input V1 (non-inverting) dengan input V2 (inverting). Karena ketidak-idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input ini ikut juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan op-amp untuk menekan  penguatan tegangan ini (common mode) sekecil-kecilnya. CMRR didefenisikan dengan rumus CMRR = ADM/ACM yang dinyatakan dengan satuan dB. Contohnya op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinya penguat­an ADM (differential mode) adalah kira-kira 30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commom mode). Kalau CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30 kali. Kalau diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input V1 = 5.05 volt dan tegangan V2 = 5 volt, maka dalam hal ini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan tegangan persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt. Dengan CMRR yang makin besar diharapkan akan dapat menekan penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jika kedua pin input dihubung singkat dan diberi tegangan, maka output op-amp seharusnya nol. Dengan kata lain, op-amp dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik.


(e)      Op-amp ideal
Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier 
(penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain(penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 104 ~ 105. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil, dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran rangkaian negative feedback (umpanbalik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedasi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukan­nya adalah 0. Sebagai perbandingan praktis, op-amp LM741 memiliki impedansi input  Zin = 106 Ohm. Nilai impedansi ini relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 seharusnya ada  meskipun sangat kecil.

4.2. Rangkaian penguat non inverting untuk pengkondisi sinyal
Dalam penggunaannya op-amp dibagi menjadi dua jenis yaitu penguat linier dan penguat tidak linier. Penguat linier merupakan penguat yang tetap mempertahankan bentuk sinyal masukan, yang termasuk dalam penguat ini antara lain penguat non inverting, penguat inverting, penjumlah diferensial dan penguat instrumentasi. Sedangkan penguat tidak linier merupakan penguat yang bentuk sinyal keluarannya tidak sama dengan bentuk sinyal masukannya, diantaranya komparator, integrator, diferensiator, pengubah bentuk gelombang dan pembangkit gelombang. Gambar 3.4. menunjukkan rangkaian dari penguat non inverting.Penguat ini dinamakan penguat non inverting karena masukan dari penguat dimasukan pada kaki non inverting dari op-amp. Sinyal keluaran yang dihasilkan oleh penguat jenis ini sefasa dengan sinyal masukannya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.4.
4.3. Menghitung nilai penguatan  penguat non inverting
Untuk menghitung nilai penguatan  penguat non inverting dapat dilakukan sebagai berikut
vin = v+
v+ = v- = vin
tegangan jepit pada R2 adalah
vout – v- = vout – vin
atau iout = (vout-vin)/R2
tegangan jepit pada R1 adalah
v- = vin
atau  iR1 = vin/R1
iout + i(-) = iR1
i(-) = 0
iout = iR1
(vout – vin)/R2 = vin/R1
 Vout = Vin (1 + R2/R1)
Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting :

4.4. Rangkaian penguat inverting untuk pengkondisi sinyal


Gambar 3.5. menunjukkan rangkaian penguat inverting.Penguat ini dinamakan penguat inverting karena masukan dari penguat dimasukan pada kaki inverting dari op- Amp. Sinyal keluaran yang dihasilkan oleh penguat jenis ini berbeda fasa 1800dengan sinyal masukannya.
4.5. Menghitung nilai penguatan  penguat inverting
Untuk menghitung nilai penguatan  penguat inverting dapat dilakukan sebagai berikut:
v- = v+ = 0
tegangan jepit pada R1 adalah vin – v- = vin
tegangan jepit pada reistor R2 adalah vout – v- = vout
iin + iout = i- = 0 arus masukan op-amp adalah 0.
iin + iout = vin/R1 + vout/R2 = 0
Selanjutnya
vout/R2 = - vin/R1 …. atau
vout/vin = - R2/R1
Jika penguatan G didefinisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis
G=Vout/Vin=-R2/R1 
 sehingga      Vout = -(R2/R1).Vin





Klasifikasi, keuntungan, kekurangan dan karakteristik transduser

4.1.   Pengertian transduser
Transducer adalah suatu peralatan / alat yang dapat mengubah suatu besaran ke besaran lain, seperti besaran listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas).
4.2.  Klasifikasi transduser listrik
 Transduser listrik dapat dibagi dalam dua katagori yaitu transduser pasif dan transduser aktif.  Transduser pasif bekerja berdasarkan prinsip pengontrolan energi, transduser ini bekerjanya atas dasar perubahan parameter listrik (resistansi, induktansi atau kapasitansi), oleh karena itu supaya dapat bekerja diperlukan penggerak atau sumber dari luar yang berbentuk energi listrik sekunder. Contoh:  pemakaian strain gauge digerakkan sumber listrik arus searah, LVDT (transformator diferensial) digerakkan oleh sinyal gelombang pembawa, Contoh lain: RTD (resistance thermal detector),  Potensiometer dan NTC.
Transduser aktif adalah devais yang dapat membangkitkan sendiri, bekerja menurut hukum kekekalan energi. Tranduser aktif dapat membangkitkan sinyal output listrik yang ekuivalen tanpa adanya sumber energi dari luar. Contoh: piezo electric, termocouple, photovoltatic dan termistor.

Tabel 2.1. menampilkan  prinsip kerja, sifat dan pemakaian alat dari kelas tranduser berdasarkan klasifikasi dan kelas transduser.  
4.3. Keuntungan-keuntungan dan kekurangan-kekurangan transduser listrik
Transduser listrik berfungsi untuk mengubah besaran fisika, mekanik atau optik untuk ditransformasikan langsung dan diubah menjadi besaran listrik yang berupa tegangan atau arus yang sebanding dengan besaran yang diukur.  Parameter penting untuk menilai kemampuan transduser yaitu: linieritas, sifat pengulangan, resolusi (ketajaman) dan kehandalan.
(1) Keuntungan transduser listrik meliputi:
a. Output listrik dapat diperkuat menurut keperluan.
b. Output dapat dilihat dan direkam secara jarak jauh, selain  dapat dibaca atau dilihat untuk beberapa transduser dapat diproses bersama-sama.
c. Output dapat diubah tergantung keperluan pemeragaan atau mengontrol alat
lain. Besarnya sinyal dapat dinyatakan dengan tegangan atau arus. Informasi frekuensi atau pulsa. Output yang sama dapat diubah menjadi format digital, pemeragaan digital, pencetakan (print out) atau penghitungan dalam proses (on-line computation). Karena output dapat dimodifiksi atau diperkuat maka sinyal output tersebut dapat direkam pada osilograp perekam multi channel misalnya, pada  transduser listrik yang digunakan secara bersamaan.
d. Sinyal dapat dikondisikan atau dicampur untuk mendapatkan kombinasi output dan transduser sejenis, seperti contohnya pada komputer on line, atau pada sistem kontrol adaptif.
e. Ukuran dan bentuk transduser dapat disesuaikan dengan rancangan alat untuk mendapatkan berat serta volume optimum.
f.  Dimensi dan bentuk desain dapat dipilih agar tidak mengganggu sifat yang diukur seperti misalnya pada pengukuran turbulensi arus, ukuran transduser dapat dibuat kecil sekali, ini akan menaikkan frekuensi natural dan menjadi lebih baik. Contohnya pada transduser piezo elektrik miniatur yang digunakan untuk mengukur getaran.

(2)  Kekurangan transduser listrik ialah :
Kekurangan-kekurangan  transduser listrik, yaitu:
a.    Kurang baik pada pengukuran presisi.
b.    Alat kurang andal dibanding dengan jenis mekanik karena umur dan drift komponen aktif yang digunakan dapat mempengaruhi besaran listrik.
c.    Elemen sensor dan pengkondisi sinyal-sinyal relative mahal
d.   Ketelitian dan resolusi tidak setinggi alat mekanik yang dapat mempunyai ketelitian hingga 0,01%.
Tetapi sekarang dengan peningkatan teknologi rangkaian terintegrasi, ketelitian dan stabilitasnya dapat ditingkatkan. Teknik spesial, seperti dengan feedback pada sistem dimana indikasi nol diterapkan dalam pemrosesan, maka terdapat perbaikan ketelitian tetapi menambah kekomplekan sistem sehingga ukurannya lebih besar dan  menurunkan frekuensi naturalnya dan harganya  lebih mahal.
2.4. Karakteristik dasar transduser
Transduser dirancang untuk meraba besaran ukur yang spesifik atau hanya tanggap terhadap besaran ukur tertentu saja. Pemilihan karakteristik transduser listrik dan mekanik sangat penting, untuk pemakain tertentu  dalam instrumen suatu penelitian perlu memperhatikan hal-hal sebagai berikut:
a. Kokoh (ruggedness) kemampuan untuk bertahan pada beban lebih, dengan pengaman proteksi beban lebih  yang dapat mencegah pemakaian beban lebih.
b.  Linieritas, Kemampuan menghasilkan karakteristik input-output yang simetris dan linier.
c. Kemampuan ulang, kemampuan menghasilkan sinyal output yang tepat sama bila mengukur besaran ukur sama secara berulang dalam kondisi lingkungan sama pula.
d. Instrumentasi memuaskan, memberikan sinyal output analog yang tinggi dengan perbandingan sinyal terhadap noise yang besar; dalam banyak hal lebih disukai besaran digital.
e. Stabilitas dan keandalan tinggi,  kesalahan pengukuran minimum, tidak terpengaruh temperatur, getaran dan variasi keadaan lingkungan.
f.  Tanggapan dinamis (dynamic response) baik: Output dapat dipercaya terhadap input bila diambil sebagai fungsi waktu. Efek ini dianalisa sebagai tanggapan frekuensi.
g. Karakteristik mekanik yang baik dapat mempengaruhi unjuk kerja statis kuasistatis dan keadaan dinamis. Efek utamanya adalah :
    (1) Histerisis mekanik, mengakibatkan tanggapan elemen sensor yang tidak sempurna, yang terjadi pada dimensi transduser strain. Sifat ini bergantung pada bahan yang dipakai.
(2)  Kental atau merayap (creep): disebabkan karena adanya aliran kental bahan elemen sensor. Besarnya semakin naik bila beban naik dan temperatur naik. Bahan yang mempunyai titik leleh rendah memperlihatkan harga sifat merayap/mengalir yang  besar.
(3)  Sifat elastis yang tertinggal (after effect): Perubahan bentuk yang masih berlanjut bila beban diberikan dengan konstan dan kalau beban dilepas maka bentuk secara perlahan-lahan akan kembali keasalnya, dan hilang sisa perubahan bentuknya.
h. Minimumkan noise yang bersatu dengan devais integrated, minimumkan asimitri dan kerusakan lain.

Instrumen Pada Industri

A. Konsep dasar pengukuran
Dalam suatu pengukuran dibutuhkan suatu alat yaitu instrumen, yang digunakan untuk menentukan besaran atau variabel.   Instrumen dapat didefinisinikan sebagai suatu alat atau peralatan yang mempunyai kemampuan dapat  :
(a) Menentukan  hubungan antara keluaran dengan masukkan dari  suatu sistim fisik,  dimana   masukkan  sebagai besaran yang diukur dan keluaran sebagai hasil pengukuran.
(b) Menghasilkan bentuk keluaran  sebagai hasil pengukuran berupa  tanda atau sinyal yang kualitatif untuk ditampilkan pada: panel analog, digital display, osiloscop, grafik recorder, printer digital.
(c) Sesuai dengan tuntutan kebutuhan untuk pengukuran teknik, instrumen harus memiliki kemampuan karakteristik  antara lain :   ketelitian (accuracy)ketepatan (precission), kesalahan, kepekaan (sensitiviy), konstanta waktu (time constant), kalibrasi (calibration) serta angka kesalahan.
       Blok diagram sistem pengukuran secara umum ditunjukkan pada gambar 1.1 Bagian-bagian dari sistem pengukuran terdiri dari: input pengukuran, tranduser, pengkondisi sinyal, rangkaian pengendali dan penampil seperti: panel analog, digital display, osiloscop, grafik recorder dan printer digital. 

Fungsi masing-masing blok diagram sistem pengukuran
a. Input pengukuran berfungsi untuk mendeteksi parameter yang terdapat dalam proses industri atau dalam penelitian bidang ilmu teknik seperti: tekanan, temperatur, aliran, gerakan, tegangan listrik, arus listrik, dan daya listrik. Input pada pengukuran dapat berupa besaran-besaran:  (1) mekanik seperti: tegangan, gaya, tekanan, momen, torsi, displasemen, kecepatan, percepatan, kecepatan aliran, laju aliran massa, laju aliran volume, frekuensi dan waktu.  (2)  termal seperti: suhu dan fluks panas.  (3)  listrik seperti: tegangan listrik, arus listrik dan hambatan listrik.  Alat ukur harus mampu mendeteksi tiap perubahan dengan teliti
dan dapat membangkitkan sinyal peringatan untuk  menunjukan perlunya dilakukan pengaturan secara manual atau  untuk mengaktifkan peralatan secara otomatis.
b.  Tranduser  adalah  suatu  peralatan  atau  alat  yang  yang berfungsi untuk mengubah suatu besaran ke besaran lain. Tranduser menurut William D.C, (1985), adalah sebuah alat apabila digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas).
c. Pengkondisi sinyal atau pemodifikasi sinyal, sering juga disebut dengan  pemroses sinyal berfungsi untuk mengubah output besaran listrik dari transduser agar sesuai dengan masukkan yang dibutuhkan   untuk  alat peraga, alat perekam atau pemrograman. Pengkondisi sinyal bisa berupa rangkaian resistor sederhana sebagai pembagi tegangan, rangkaian penyesuai impedanasi, rangkaian penguat, detektor, demodulator, filter, ADC dan DAC. Sinyal output dapat berbentuk analog atau besaran digital.
d.  Display atau alat penampil berfungsi untuk penampilkan  atau memperagakan informasi tentang besaran yang diukur agar dapat dibaca, dengan menggunakan satuan yang ada dalam bidang teknik.
e. Catu daya listrik berfungsi untuk memberi daya atau tenaga kepada transduser, pengkondisi sinyal dan  untuk alat penampil.

Klasifikan fungsi instrumentasi dalam industri
        Fungsi Instrumentasi pada proses industri dapat diklasifikasikan ke dalam empat golongan yaitu
sebagai  alat: ukur (measurement), kontrol (control),  pengaman (Safety) dan Analisa (Analyze).
a.        Instrumentasi sebagai alat ukur (Measurement)
Instrumentasi sebagai alat ukur  mendeteksi dan memberikan informasi tentang besarnya nilai proses variabel yang diukur dari suatu proses industri ke pengamat tentang nilai besaran yang diukur  misalnya berupa: tekanan, suhu, jumlah aliran, tinggi permukaan cairan dan lain sebagainya.
b.        Instrumentasi sebagai alat pengendalian (Control)
Instrumentasi sebagai alat kontrol, yaitu alat yang berfungsi untuk mengendalikan jalannya    proses, agar variabel proses yang sedang diukur dapat diatur dan dikendaliakan tetap pada nilai yang ditentukan.
c.    Instrumentasi sebagai alat pengaman (Safety)
Instrumentasi sebagai alat untuk memberikan tanda bahaya atau tanda gangguan apabila terjadi trouble atau kondisi yang tidak normal yang diakibatkan oleh tidak berfungsinya suatu paralatan pada suatu proses, serta berfungsi untuk menunda suatu proses apabila gangguan tersebut tidak teratasi dalam waktu tertentu.
d.  Instrumentasi sebagai alat analisa (Analyzer)
Instrumentasi yang berfungsi sebagai alat untuk menganalisa produk yang dikelola, apakah sudah memenuhi spesifikasi seperti yang diinginkan sesuai dengan standard, mengetahui polusi dari hasil produksi yang diproses agar tidak membahayakan dan merusak lingkungan.
Pendalaman materi
1.      Gambarkan blok diagram sistem pengukuran secara umum
2.      Jelaskan  fungsi masing-masing blok diagram berikut:
a.       Input pengukuran
b.      Tranduser
c.       Pengkondisi sinyal
d.       Rangkaian pengendali
e.       Penampil
3.      Jelaskan  bagaimana fungsi instrumentasi dalam industri jika, digunakan sebagai:
a.       Alat ukur
b.      Alat kontrol
c.       Alat pengaman
d.      Alat Analisa 
B.     Karakteristik dasar alat ukur
Karakteristik dasar alat ukur
       Alat ukur harus mampu mendeteksi tiap perubahan dengan teliti dan dapat membangkitkan sinyal peringatan untuk  menunjukan perlunya dilakukan pengaturan secara manual atau untuk mengaktifkan peralatan secara otomatis.  Untuk mendapatkan sifat unjuk kerja yang optimum maka perlu diperhatikan sejumlah karakteristik dasar alat ukur yaitu: ketelitian, ketepatan, kesalahan, linieritas, histerisis, resolusi dan kemudahan pembacaan skala, ambang, kemampuan ulang, bentangan, ketelitian dinamis.
3.1.1.  Ketelitian (accuracy)
       Ketelitian pengukuran atau pembacaan merupakan hal yang sifatnya relatip pada pengukuran, ketelitian dipengaruhi kesalahan statis, kesalahan dinamis, drift/sifat berubah, reproduksibilitas pembacaan terhadap harga standar yang diterima atau harga yang sebenarnya.  Dari hasil percobaan, ketelitian dipengaruhi oleh batas-batas kesalahan intrinsik, batas variasi pada indikasi ketidak stabilan listrik nol (electrical zero) dan lingkungan. Harga kesalahan ini sama dengan derajat kesalahan pada hasil akhir. Ketelitian dapat ditentukan dengan mengkalibrasi pada kondisi kerja tertentu dan dinyatakan diantara plus dan minus suatu prosentasi harga pada harga skala yang ditentukan. Semua instrumen ditentukan dalam klasifikasi yang disebut kelas atau tingkat (grade) yang nilainya tergantung dari ketelitian produk. Ketelitian dari sistem yang lengkap tergantung pada ketelitian individual dari elemen pedekteksi (sensing element) primer dan elemen sekunder. Jika A merupakan ketelitian  seluruh sistem, maka  A =  (+a1+ a2 + a3 + ...+an) dimana,  + a1, + a2,+ a3, …, + an adalah ketelitian dari tiap elemen pada sistem instrumen itu. A dalam hal ini merupakan ketelitian terendah. Dalam praktek nilai A diperoleh dari  harga rms (root mean square) dari ketelitian masing-masing atau dapat dinyatakan dengan rumus: 
 rumus ini dipakai karena, tidak mungkin semua bagian dari sistem berada dalam kesalahan statis terbesar pada tempat dan waktu yang bersamaan.
4.1.2. Ketepatan
      Karakteristik lain pada instrumen adalah ketepatan divais/alat. Ketepatan merupakan kedekatan pengukuran masing-masing yang didistribusikan terhadap harga rata-ratanya.  Ketepatan merupakan ukuran kesamaan terhadap angka yang diukur sendiri dengan alat yang sama, jadi tidak dibandingkan dengan harga standar/baku. Ketepatan berbeda dengan ketelitian, untuk  ketepatan yang tinggi tidak menjamin ketelitian juga tinggi, karena ketelitian dibandingkan dengan harga baku.
4.1. 3. Kesalahan
      Terdapat hubungan antara yang diukur (measurand) dengan output teoritis atau ideal dari sebuah transduser. Pada transduser ideal outputnya memberikan harga yang benar, namun pada kenyataannya  tidak demikian, dalam batas jangkauan tertentu dari sebuah transduser terdapat hubungan antara output transduser dengan kurva teoritis. Hubugan ini dapat dinyatakan dengan persamaan matematika, grafik atau harga tabel. Harga output ideal tidak memperhatikan keadaan lingkungan (ambient environ-mental) seperti kondisi instrumen sebenarnya. Pada kenyataannya output transduser memiliki sifat non ideal, maka terdapat deviasi yang diukur dengan harga yang benar, perbedaan dari harga yang dibaca dengan harga yang benar disebut kesalahan (error). Biasanya kesalahan dinyatakan dalam persen terhadap output skala penuh (full scale output/FS). Perbandingan kesalahan dalam % terhadap skala penuh output adalah merupakan ketelitian alat. Kesalahan tersebut di atas terdiri dari kumpulan kesalahan individual.
a.    Kesalahan-kesalahan intrinsik, absolut dan relatif.
     Kesalahan yang terdapat ketika instrurnen dalam kondisi referensi disebut kesalahan intrinsik, Kesalahan absolut adalah perbedaan yang didapat dari pengurangan harga yang diukur dengan harga yang benar. Sedangkan kesalahan relatif yaitu perbandingan kesalahan absolut dengan harga yang benar.  Dalam hal tertentu diperlukan kesalahan kelinieran relatif K yang dinyatakan dengan hubungan :
dimana Ka = kemiringan rata-rata yang diukur pada pertengahan 80% dari skala penuh.
Kb = kemiringan rata-rata yang diukur pada ekstrim bawah 10% dari skala penuh.
b.  Kesalahan acak dan tidak menentu
Kesalahan tidak menentu dan acak terlihat bila pengukuran-pengukuran berulang pada besaran sarna menghasilkan harga-harga yang berbeda. Besar dan arah dari kesalahan tidak diketahui dan tidak dapat ditentukan. Hal ini dapat disebabkan karena adanya gesekan atau histerisis pegas, noise/derau, atau gejala lain. Faktor yang menyebabkan ialah perubahan sinyal input yang acak (random), bersama noise dan drift yang ada dalam pengkondisi sinyal. Kesalahan tersebut timbul banyak dalam analisa data dinamis. Ketidak menentuan dinyatakan sebagai deviasi rata-rata, kemungkinan kesalahan, atau deviasi statistik. Harga kesalahan diperkirakan sebagai harga dari penyimpangan nilai yang diamati atau dihitung terhadap nilai yang sebenarnya.
(c) Kesalahan sistimatik atau instrumental
Kesalahan yang disebabkan karena karakteristik bahan yang digunakan untuk pembuatan alat pengukur atau sistem disebut kesalahan instrumental atau sistimatik. Kesalahan sistimatik relatif konstan, kesalahan disebabkan karena sensitivitas, drift, zero effect. Gejalanya biasanya tersembunyi tidak mudah terlihat. Harga kesalahan ini didapatkan secara statistik berdasarkan observasi berulang dalam kondisi yang berbeda-beda atau dengan alat yang berbeda (tipe sama). Biasanya kesalahan ini dapat dihilangkan menggunakan faktor koreksi, Kesalahan instrumental adalah pengukuran ketetapan pada pembacaan instrumen. Kesalahan ini dapat direduksi oleh pengamat pada waktu membaca. (dengan membacanya lebih cermat).
(d) Kesalahan interferensi
Gangguan yang tidak diinginkan termodulasi pada sinyal input yang rendah misalnya karena noise (derau), hum (dengung), induksi, riak (ripple), atau dari transien akibat saklar dihidupkan, ini semua mengakibatkan kesalahan interferensi. Noise timbul dari mesin listrik lain, medan maknit, sumber panas, gangguan cuaca, pembusuran kontak pada saklar dan relay, elektrostatis dan lainnya. Kesalahan ini dapat dikurangi memakai isolasi pada alat, diskriminasi frekwensi. Isolasi (shielding) terhadap listrik, elektromaknit dan listrik statis.
(e) Kesalahan instalasi (kesalahan pakai)
Kesalahan timbul karena pemakaian tidak sesuai dan salah instalasi. Kesalahan ini timbul, bila alat bekerja di luar jangkauannya seperti : panas yang berlebihan, geteran dan tidak match. Semua alat harus bekerja sesuai dengan batas-batas yang dinyatakan dalam spesifikasi alat oleh pembuatnya.
(f) Kesalahan operasi (kesalahan manusia)
Kesalahan ini terjadi bila teknik penggunaan alat sangat buruk, walaupun alat sebetulnya akurat dan terpilih baik. Misalnya kesalahan timbul karena penyetelan yang tidak sesuai, standar rusak, skala yang kanan tidak sesuai, pembacaan paralaks, dan operator kurang terlatih. Pada pemakaian jembatan pengukur strain gauge mungkin terlupakan untuk mengatur ke nol terlebih dahulu sebelum pengukuran dilakukan dan dibuat seimbang pada posisi skala penuh. Harus diyakini bahwa alat-alat sebagai standar untuk mengukur resistansi, tegangan, tekanan dan temperatur harus dikalibrasi dengan tepat sebelumnya. Pembacaan berulang oleh pengamat yang terlatih dan pengecekan yang bebas (independent) perlu dilakukan. Kesalahan lain sebagai kesalahan orang yang disebabkan karena ceroboh, karena kurang pengalaman dan keterbatasan operator yang  mungkin timbul. Kesalahan ini dapat diatasi dengan pembacaan instrumen yang dilakukan oleh lebih dari satu orang.
(g) Driftnol (zero drift)
Drift nol adalah deviasi yang terlihat pada output instrumen terhadap waktu dari harga permulaan, bila kondisi instrumen semua konstan. Hal ini dapat disebabkan oleh variasi kondisi lingkungan atau karena umur.
(h)  Kesalahan karena perubahan-perubahan sensitif
Kadang-kadang, kesalahan karena drift pada skala nol atau skala penuh adalah besar dan sifatnya sangat acak dan sulit dihilangkan. Kesalahan maksimum timbul sesaat setelah alat dihidupkan dan mengecil setelah waktu pemanasan. Kesalahan ini timbul karena perubahan sensitivitas alat akibat perubahan temperatur atau fluktuasi tegangan jala-jala. Kesalahan ini dapat dikurangi memakai kompensasi temperatur dan regulator tegangan atau dengan pemakaian penguat diferensial yang seimbang atau penguat dengan stabilisasi chopper (Chopper stabilized). Kesalahan ini juga dapat dikurangi dengan pengamatan yang berulang dan melakukan kalibrasi statis sesering mungkin pada input yang  konstan. Sifat dari kesalahan acak mengikuti distribusi Gauss.
(i) Kesalahan statistik
Kesalahan statistik dalam pengukuran dapat dinyatakan dalam harga rata-rata statistik (statistical mean) dan deviasi standar. Bila x1, x2, … xn menyatakan sekumpulan harga besaran yang diukur, harga rata-rata statistik x dari pembacaan-pembacaan diberikan
sebagai :
Deviasi standar merupakan derajat dispersi dari pernbacaan sekitar harga rata-rata,
dituliskan sebagai :
    
       n i=1
r adalah deviasi standar, di  adalah deviasi rnasing-rnasing titik dari harga rata-rata,
[xi-x] dan n adalah jumlah pengamatan
(j) Pembobotan kesalahan
Dalam sebuah percobaan, kesalahan tidak dapat langsung dihitung misalnya: kesalahan pengamatan pengukuran angka Mach sangat bergantung pada kesalahan ukur pada dua harga tekanan. Kesalahan tergantung pada harga-harga yang berhubungan dengan masing-masing pengukuran dan interaksi kesalahan pada perhitungan akhir. Setiap kesalahan tidak mempengaruhi hasil akhir.
4.1.4. Linieritas
Kebanyakan transduser dirancang untuk mendapatkan output terhadap input yang diukur hubunganannya linier. Linieritas didefinisikan sebagai kemampuan untuk mereproduksi karakteristik input secara simetris, dan ini dapat dirumuskan sebagai y = mx + c, dengan y output, x input m kemiringan dan c titik potong. Kedekatan kurva kalibrasi dengan sebuah garis lurus adalah kelinieran transduser. Ketidak linieran mungkin disebabkan oleh sifat : bahan yang tidak linier pada komponen, penguat elektronika, histerisis mekanik, aliran kental atau merayap. Linieritas dinyatakan sebagai prosentase penyimpangan dari harga linier, yaitu deviasi rnaksimum kurva output dari best-fit garis lurus selama kalibrasi. Linieritas absolut berhubungan dengan kesalahan maksimum pada tiap titik pada skala terhadap pengukuran absolut atau garis lurus teoritis. Nilainya diberikan sebagai x % dari skala penuh. Linieritas diklasifikasikan sebagai berikut : "Linieritas kemiringan teoritis" adalah garis lurus yang menghubungkan titik-titik ujung teoritis. Garis ini digambar tanpa harga-harga yang diukur. "Linieritas terminal" (terminal linearity) adalah linieritas kemiringan teoritis dalam hal spesial, yaitu dengan titik-titik ujung teoritis tepat pada output a % dan 100 % dari skala penuh. "Linieritas titik ujung" (end point linearity) adalah sebagai garis lurus yang menghubungkan titik-titik ujung eksperimental. Titik-titik ujung itu dapat ditentukan seperti yang didapat selama kalibrasi atau seperti pembacaan rata-rata selama dua atau lebih kalibrasi yang berturut-turut, "Linieritas tidak bergantung" (independent linearity) adalah garis lurus yang terbaik, sebuah garis yang berada ditengah antara dua garis lurus paralel dengan kemungkinan jarak terdekat yang menghubungkan semua arah output yang didapatkan selama kalibrasi. Ini dapat digambar hanya bila kurva tergambar dengan semua output pembacaan termasuk titik-titik ujungnya. "Linieritas kuadrat terkecil" (Least square linearity) ialah garis lurus yang mempunyai jumlah kuadrat-kuadrat dari residu minimum. Residu adalah deviasi pembacaan-pernbacaan output terhadap titik-titik yang bersangkutan pada garis lurus best-fit (kecocokan terbaik). "Scatter" adalah sejenisnya, didefinisikan sebagai deviasi dari nilai rata-rata dari pengukuran berulang terhadap garis best-fit. Gambar 1.2.a. menunjukkan grafik linieritas terminal, gambar 1.2.b. menunjukkan grafik linieritas independed dan gambar 1.2.c  menunjukkan grafik  linieritas kesesuaian kwadrat terkecil
 4.1..5. Histerisis
Bila alat digunakan untuk mengukur parameter, pengukuran dengan arah naik dan kemudian dengan arah turun, output dari kedua pembacaan umumnya berbeda, hal ini disebabkan karena adanya gesekan di dalam atau di luar pada saat elemen sensor menerima input parameter yang diukur. Perbedaan maksimum pada output pembacaan selama kalibrasi adalah histerisis dari alat itu. Gambar 1.3. menunjukkan lengkung histerisis tersebut. Histerisis terjadi pada maknit dan pula pada alat mekanik umumnya, hal ini tergantung pada histeri (kejadian) yang lalu pada pembalikan input, waktu yang dihabiskan pada langkah sebelumnya blaeklash (longgar) pada roda-roda gigi, gesekan coloumb, kemacetan, tumpuan yang seret, dan bahan yang elastis. Kesalahan terjadi pada detektor pertama, indikator analog dan alat perekam.
Kesalahan direduksi dengan perencanaan alat yang lebih sesuai, pemilihan komponen mekanik, sifat fleksibel besar, dan memakai bahan yang menggunakan pengerjaan panas (heat treatment) yang tepat. Harga histerisis biasanya dinyatakan sebagai prosentase output skala penuh yang diukur pada daerah 50% dari skala penuh, gambar1.3. menunjukkan  Histerisis yang didapat bila jangkauan (range) lebih kecil dari skala penuh biasanya lebih kecil daripada skala histerisis total (dalam skala penuh).
4.1.6. Resolusi dan kemudahan pembacaan skala
 Resolusi adalah kemampuan sistem pengukur termasuk pengamatannya, untuk membedakan harga-harga yang hampir sama. Dapat didefinisikan sebagai perbedaan antara dua besaran input yang menghasilkan perubahan terkecil informasi output, perubahan input dilakukan secara searah. BiIa input diubah perlahan-lahan dari sembarang harga yang bukan nol, maka pada output terlihat tidak berubah sampai harga perubahan input tertentu dilampaui. Perubahan ini disebut resolusi. Resolusi dapat didefinisikan sebagai perubahan input yang dapat memberikan perubahan output terkecil yang dapat diukur. Selanjutnya pembacaan skala adalah sifat yang tergantung pada instrumen dan pengamatannya. Ini menyatakan angka yang signifikan (mudah diamati) dan dapat direkam/dicatat sebagai data. Pada meter analog, ini tergantung pada ketebalan tanda skala dan jarum penunjuknya. Pada meter digital, digit terakhir (least significant bit) dapat dipakai sebagai ukuran kemudahan pembacaan skala.
4.1.7. Ambang (threshold)
Bila input instrumen dinaikkan secara bertahap dari nol, terdapat harga minimum dibawah harga tersebut dan  pada output tidak ada perubahan yang dapat terbaca. Harga minimum ini didefinisikan sebagai ambang instrumen. Gejala pada saat besaran ambang dapat diamati yaitu bila output mulai menunjukkan perubahan. Sering diperlukan harga yang kuantitatif yaitu untuk menentukan ambang data yang reproduktif. Jadi definisi yang lebih sesuai, ambang adalah besaran numerik pada output yang berhubungan dengan perubahan input. "Dead band", "dead space" dan "dead zone" merupakan pernyataan lain dari ambang/treshold instrumen. Ambang dapat memberikan pengaruh pada kisterisis total.
4.1.8. Kemampuan ulang (repeatability)
Kemampuan ulang didefinsikan sebagai ukuran deviasi dari hasil-hasil test terhadap harga rata-ratanya (mean value).
4.1.9. Bentangan (Span)
Jangkauan (range) variabeI pengukuran pada instrumen yang direncanakan dapat mengukur secara linier, disebut bentangan (span). Kadang-kadang ini menyatakan yang kanan operasi linier pada skala total. Istilah yang berhubungan dengan mutu (fidelity) dinamis dari peralatan disebut “jangkauan dinamis” Ini merupakan perbandingan input dinamis terbesar terhadap yang terkecil di mana instrumen mengukur dengan benar. Biasanya harganya dinyatakan dalam desibeI.
4.1.10 Ketelitian dinamis
Bila sistem pengukuran mendapat input yang berubah dengan cepat, hubungan antara input dengan output menjadi berbeda dengan keadaan statik atau muasistatik (Quasistatic). Tanggapan (response) dinarnis sistem dapat dinyatakan dengan persamaan diferensial. Bila ini berbentuk persamaan diferensial linier, maka sistem disebut linier dinamis. Karakteristik dinamik dasar tergantung pada orde dari persamaan diferensial sistem itu. Instrumen orde pertama (misalnya sensor temperatur) dapat dikarakteristikan dengan satu parameter yang dikenal sebagai konstanta waktu t (thau) (dalam detik) sistem itu.
Persamaan diferensialnya sebagai berikut :
ty+ y = x (t)
dimana x (t) merupakan fungsi waktu dan y adalah output sistem.
Dua parameter yang mengkarakterisasi orde kedua sebuah transduser adalah frekuensi natural n dan ratio peredaman dari sistem. Dengan parameter itu persamaan diferensial dapat ditulis sebagai berikut :
 
Dimana n dinyatakan dalam rad/detik, dan merupakan besaran tanpa dimensi. Sistem dengan orde yang lebih tinggi dapat diperoleh. Bila lebih dari satu sistem orde rendah diberikan, seperti misalnya bila output transduser orde kedua diberikan ke filter orde kedua lagi, maka sistem seluruhnya menjadi sistem orde keempat. Parameter yang disebutkan di atas untuk orde kesatu dan sistem orde kedua, sangat berguna untuk menganalisa tanggapan output fungsi input-waktu sederhana dan juga untuk evaluasi kesalahan dinamis yang timbul. Dalam hal sistem orde pertama/kesatu, harga konstanta waktu yang rendah berarti ketanggapannya cepat (fast response) maka menghasilkan kesalahan dinamis yang rendah. Dalam hal system orde kedua, frekuensi natural adalah index dari tangapan cepat. Rasio redaman (damping ratio) menunjukkan stabilitas relatif dari sistem orde kedua. Sistem dengan redaman rendah menghasilkan osiIasi pada outputnya bila diberi input transien, sedangkan sistem dengan redaman tinggi menunjukkan tanggapan lamban (sluggish), maka memerlukan waktu panjang untuk menuju ke harga seimbang (steady state).
4.2. Kalibrasi
Kalibrasi merupakan hal yang penting pada pengukuran industri dan pengaturan/kontrol.
Dapat didefinisikan sebagai pembandingan harga spesifik input dan output instrumen terhadap standar referensi yang bersangkutan. Kalibrasi ini memberikan garansi pada alat atau instrumen bahwa ia akan bekerja dengan ketelitian yang dibutuhkan dan jangkauan yang dispesifikasikan dalam lingkungan yang tertentu pula. Dengan alat yang telah dikalibrasi pembuat atau pemroses dapat memproduksi barang dengan kualitas sesuai dengan spesifikasi. Kalibrasi harus dilakukan secara periodik untuk menguji kebenaran unjuk kerja alat atau sistem, untuk itu diperlukan standar sebagai pembanding kerja. Pembanding ini memerlukan opeator yang telah ahli/ terlatih, dan perlu adanya referensi standar yang baik, dan juga lingkungan yang standar (standard)/baku pula. Kalibrasi tidak menjamin unjuk kerja istrumen tetapi sebagai indikator baik apakah unjuk kerja instrumen memenuhi keteIitian dan spesifikasi jangkauan (range) pada pemakaian alat itu. Kalibrasi kembali selalu diperlukan karena instrumen telah diubah penyetelannya, karena berubah dengan waktu/tua, baru direparasi, pemakaian berlebihan. Sertifikat kalibrasi yang telah didapatkan dapat digunakan sebagai tanda verifikasi oleh pembuatnya dan memberikan kepercayaan kepada pemakai alat sebagai jaminan. Standar yang diterima dapat dikatagorikan sebagai standar primer, sekunder dan standar kerja. Standar primer sangat teliti dan harga satuan absolutnya telah diberi sertifikat oleh National Standard Institution yang harus berada dalam toleransi yang diizinkan. Standar ini sangat mahal untuk membeli dan memeliharanya. Absolut memberi arti tidak bergantung/bebas, tidak relatif tetapi pasti. Standar referensi terkalibrasi yang diturunkan dari standar absolut disebut standar sekunder. Standar ini dapat dimiliki oleh banyak instansi yang dapat ditera dengan standar primer kembali. Jarak waktu kalibrasi standar sekunder bergantungan pada ketelitian dan tipe standar yang dipelihara. Standar normal yang diperlukan di industri dan laboratorium, mempunyai ketelitian setingkat lebih rendah dari standar sekunder,disebut standar kerja (working standard). Pada fasilitas kalibrasi industri yang dilengkapi baik harus memiliki standar primer/sekunder, beserta alat kalibrasi untuk simpangan (displacement) kecepatan, percepatan, gaya, tekanan, aliran, temperature, tegangan listrik, arus listrik, waktu dan frekuensi yang banyak dibutuhkan industri.
Standar sedikitnya mempunyai ketelitian setingkat lebih tinggi daripada instrumen yang akan dikalibrasi. Dalam semua prosedur kalibrasi dianjurkan untuk melakukan pembacaan naik dan menurun.  Pada transduser mekanik atau elektro-mekanik, prosedur ini memperlihatkan adanya kerugian karena gesekan, histerisis atau semacamnya, sedangkan dalam alat listrik murni menunjukkan nonlinier dan relaktansi maknit.

 

STATISTIK BLOG

FOLLOW VIA FB

Google+ Followers

Pengikut