The Power of Measurement; A Nostalgia

The first of the fundamental laws of process control reads as follows: “All process control starts with measurement, and the quality of control obtained can never be better than the quality of the measurement on which it is based”. Bob Connel; Process Instrumentation and Applications Manual.

Saya ingin menulis tentang pengukuran hanya sebagai nostalgia saja tentang satu mata kuliah yang sangat kesohor di departemen tempat saya belajar dulu. Dengan jujur saya mengakui bahwa dulu sewaktu kuliah sama sekali tidak mengetahui relevansi ilmu di kuliah tersebut dengan dunia industri. Tetapi setelah lulus ketika bertemu dengan buku-buku professional, saya melihat Liptak pun membahas tentang pengukuran pada handbooknya, Bob Connel juga membahas pada buku yang saya quote di atas, dan banyak buka lainnya, maka sampailah pada suatu kesimpulan bahwa “there is no control without measuerement” and “there is no oil & gas platform running without control and mesurement”. Kesimpulannya measurement atau pengukuran adalah aspek mendasar dalam dunia instrumentasi.

Dalam dunia proses, pengukuran dilakukan pada material padat, cairan, dan gas yang sedang mengalami suatu proses pada suatu equipment. Equipment bisa berupa pipa, vessel, tanki, heat exchanger, ducting, dan lain sebagainya. Secara konseptual pengukuran dalam industri proses dibagi menjadi 3 kategori:

1. Pengukuran kondisi material yang sedang mengalami proses; yang termasuk golongan ini contohnya adalah level cairan di dalam vessel, tekanan di dalam pipa atau vessel, flowrate cairan di dalam pipa, dan temperature material tersebut di dalam suatu equipment.

2. Pengukuran properti fisik material yang sedang mengalami process; yang termasuk golongan ini contohnya adalah pengukuran density, viscosity, pH, dan atau pengukuran prosentase komponen di dalam suatu campuran.

3. Pengukuran equipment (Non-Material) yang menunjang proses; yang termasuk golongan ini contohnya adalah pengukuran vibrasi, pengukuran kecepatan putar, dan yang lain saya tidak inget.

Teknologi pengukuran sudah dikenal sejak lama terutama untuk alat-alat laboratorium. Akan tetapi tantangan untuk menciptakan pengukuran yang riil time, continuous (terus-menerus), remote dan selalu up to date menyebabkan bidang ilmu pengukuran harus beririsan dengan disiplin ilmu lain; diantaranya adalah transmisi signal, pengolahan signal, electronic, dan IT untuk menampilkan dan menyimpan data secara computerized. Bahkan pengukuran harus beririsan dengan dunia telekomunikasi, jika misalnya Direktur Utama Pertamina ingin mendapatkan data online produksi gas dari kilang pertamina di Handphone-nya saat itu juga secara online dan riil time ketika beliau sedang rapat dengan DPR. Maka proses transmisi data pengukuran langsung dapat dilakukan melalui jaringan telekomunikasi. Bahkan di ruang komisi DPR yang menangani masalah energi kalau perlu ditayangkan display produksi minyak dan gas dari seluruh PSC (Production Sharing Company) yang ada di Indonesia secara langsung, online dan riil time dari metering penjualan yang dimiliki PSC-PSC tersebut. Jangan kuatir untuk dimanipulasi, karena salah satu keunggulan flow computer (pengukuran flow untuk penjualan),menurut teman-teman di id-instrumentation@googlegroups.com, adalah tidak bisa di reset dan tidak bisa diintervensi.

Terminologi yang sering muncul dalam dunia pengukuran adalah Range, Span, Accuracy, Sensitivity, Readability, dan Linearity. Diskripsi yang ingin saya tampilkan di bawah ini adalah mengacu kepada Process Instrumentation Applications Manual; Bob Connel dengan kalimat yang saya susun sendiri.

Range adalah rentang batas bawah sampai dengan batas atas yang mampu diukur oleh suatu instrument. Basically yang disebut range adalah batas bawah sampai batas atas yang mampu disense oleh suaru alat ukur. Nah diantara rentang batas bawah dan batas tersebut diambil suatu rentang baru yang dikalibrasi yang disebut sebagai calibrated range. Dan calibrated range inilah yang lebih sering disebut sebagai Range oleh pasar, bukan melihat kepada kemampuan sensor alat ukur tersebut. Contoh Range adalah -100 degC to 100 degC.

Span adalah selisih antara batas atas dengan batas bawah suatu alat ukur. Jika range suatu alat ukur -100 degC to 100 degC maka Span dari alat ukur tersebut adalah 200 degC. Jika batas bawah adalah nol, maka Span akan bernilai sama dengan nilai batas atas dari range.

Accuracy adalah nilai kedekatan suatu pembacaan alat ukur dengan nilai sebenarnya dari proses yang sedang diukur pada kondisi static atau steady state. Lawan dari akurasi adalah error. Jika suatu alat ukur dinyatakan memiliki akurasi 1% of span apa artinya? Akurasinya 1% kah dengan error 99%? Bukan itu maksudnya. Jika alat ukur anda memiliki range 0 – 100 Psi dan accuracy 1% of Span, maksudnya adalah potensial error dari alat tersebut maksimum adalah 1% dari 100 Psi (Span) atau sama dengan 1 Psi. Jadi yang dimaksud sebagai accuracy pada datasheet manufacture sebenarnya adalah potensial error yang mungkin diberikan oleh alat ukur. Potensial error adalah bukan kenyataan error. Karena bisa saja dengan kalibrasi yang bagus errornya sama dengan 0. Statement accuracy lebih kepada jaminan dari manufacture bahwa kalaupun terjadi error maka maksimum akan mencapai 1% of span.

Sensitivity adalah nilai perubahan minimum yang dapat direspon oleh output display suatu alat ukur. Jika alat ukur memiliki sensitivity 1% of span artinya alat ukur hanya memberikan respon terhadap perubahan sebesar 1% of span dan selebihnya. Jika alat ukur anda memiliki range 0-100 Psi dan sensitivity sebesar 1% of Span atau 1% dari 100 Psi atau 1 Psi artinya hanya perubahan sebesar 1 Psi dan kelipatannya yang direspon oleh alat ukur. Perubahan sebesar 0.5 Psi tidak akan direspon oleh output alat ukur. Perubahan 1.5 Psi akan direspon sebesar 1 Psi oleh output alat ukur. Oleh karenanya sensitivity perlu untuk dicari sekecil mungkin. Agar perubahan sekecil mungkin bisa dideteksi oleh alat ukur.

Readability adalah nilai interval diantara dua skala dari suatu alat ukur analog seperti pressure gauge dan temperature gauge. Suatu alat ukur dengan range 0 – 1000 Psi maka let say setiap skala akan merepresentasikan nilai 10 Psi. Dengan kata lain intervalnya adalah 10 Psi, dengan kata lain pointer atau penunjuk skala akan dengan jelas menunjuk suatu nilai dengan perubahan 10 Psi. Jika proses value berada pada 17 Psi atau 13 Psi maka pointer tidak akan memberikan perbedaan yang yang jelas karena intervalnya adalah 0,10,20,30,dst. Kalau ada yang bisa ‘mengarang’ suatu nilai yang tidak ada skalanya dengan kira-kira maka pernyataannya harus difailkan. Semakin tinggi suatu range maka readabilitynya semakin rendah. Semakin sempit range maka readabilitynya semakin tinggi.

Linearity adalah kemampuan alat ukur untuk menampilkan data pengukuran secara linear dalam percentage pada saat increasing dan decreasing. Alat ukur dengan accuracy yang kecil dibawah 1% of span akan menghasilkan linearity yang baik pula. Linearity juga diperlukan dalam transmisi data. Jika suatu sensor menghasilkan nilai data yang tidak exactly linear maka transmitter yang harus melakukan linearisasi. Nilai pembacaan temperature dengan thermocouple dengan mV yang dihasilkannya tidak exactly linear. Maka transmisi data 4-20 mA harus dilakukan linearisasi. Apakah bimetal pada temperature gauge menghasilkan lengkungan yang linear terhadap perubahan suhu dari 0 – 100 degC? Bagaimana kalo sifat materialnya lambat melengkung pada suhu 0-50 degC dan terlalu cepat perubahan lengkungannya pada suhu 50-100 degC? maka itu tidak linear. Tugas manufacture untuk melakukan linearisasi dengan menambahkan komponen mekanik berupa pegas dan lain sebagainya. Sehingga perubahan suhu yang linear dari 0-100 degC harus ditampilkan secara linear pula dalam penskalaan.

Nova Kurniawan

Advertisements

InH2O Liquid Level; Diff Pressure Method

This is just for my own reminder to understand what InH2O is. InH2O is one of pressure unit we always find as an engineering unit on Differensial Pressure type Level Instrument. Why it is not Psi or Bar?. How to understand InH2O in easy way for level reading purpose? I was inspired to write down this posting from the discussion source in id-instrumentation@yahoogroups.com mailing list. This is a very-very basic and fundamental understanding.

Saya memahami arti dari 1 InH2O adalah tekanan yang diberikan oleh H2O (air) pada suatu titik dengan jarak dari titik tersebut ke permukaan air adalah 1 Inchi. Kalau kita memiliki tangki berapapun diameter atau luas alasnya jika diisi oleh air setinggi 1 inchi maka tekanan di dasar tangki adalah 1 InH2O + Tekanan Atmospher (atau Tekanan Permukaan). Konsep tekanan 1 InH2O memang tidak secara langsung menunjukkan berapa gaya yang harus diderita oleh permukaan tangki per satuan luas. Karena yang pernah bersekolah di SMA akan mengatakan bahwa tekanan adalah Gaya per Luas. Keberadaan satuan InH2O seakan-akan tidak sejalan dengan konsep satuan tekanan seperti N/m2 atau Pound Square Inch yang memang gamblang menghubungkan gaya dengan luas. Padahal InH2O pasti bisa dihubungkan dengan konsep gaya per luas N/m2 dan Psi.

Tanki dengan air di dalamnya setinggi 1 Inch tanpa ada tekanan awal Po dari atmospher maka dasarnya menderita tekanan 1 InH2O. Berapa equivalent Psi-nya? Tentu saja adalah gaya yang diderita oleh permukaan dasar seluas 1 square inch akibat air di atas-nya setinggi 1 inchi. Kita timbang  air dengan volume 1 qubic-Inch (luas 1 square-inch x tinggi  1 inch) berapa pound (lbs) beratnya maka itulah beban yang diterima per square-inch. Kalau tidak mau menimbang kita bisa menghitung pound-nya dengan menggunakan konsep density atau berat jenis yang menghubungkan volume 1 qubic-inch ke berat dalam pound. Maka InH2O akan mendapatkan equivalent PSI sebagaimana konsep tekanan adalah gaya per luasan. Jadi ada satu faktor penting untuk menghubungkan keduanya yaitu Density. Ketika berbicara tekanan dalam InH2O siap-siap berfikir sesuatu yang namanya density yang bisa dirubah ke bentuk lain yaitu Specific Gravity.

Specific Gravity dari liquid / cairan adalah didefinisikan sebagai perbandingan density suatu liquid dengan air murni pada suhu 60 degF. Kalau liquidnya adalah air murni, maka Specific Gravity air murni adalah  density air murni dibagi density air murni, artinya SG air = 1. Specific Gravity adalah besaran tidak bersatuan karena density dibagi density maka satuannya akan hilang. Kalau liquidnya berupa minyak (hydrocarbon) maka densitynya lebih ringan, katakanlah 800 kg/m3, sedangakan density air adalah 1000 kg/m3. Maka specific gravity dari liquid hydrocarbon tersebut adalah 800 kg/m3 dibagi 1000 kg/m3, hasilnya adalah SG = 0.8.

Kita kembali ke konsep tekanan dalam InH2O untuk mengetahui ketinggian dari suatu liquid dengan tanpa keraguan adanya pemahaman SMA kita tentang tekanan adalah gaya dan luas karena InH2O dan Psi adalah sami mawon. Untungnya dengan menggunakan InH2O kita akan sangat mudah untuk menentukan ketinggian suatu liquid dengan instrument berupa sensor tekanan. Ketinggian air 1 Inch diatas sensor artinya sensor menerima pressure sebesar 1 InH2O dengan asumsi tidak ada tekanan di atas permukaan air, Po=0. Dengan demikian ketika sensor kita menerima tekanan sebesar 100 InH2O, maka dengan serta merta diketahui ketinggian air di atas sensor adalah 100″. Konsep ini memudahkan untuk mengetahui ketinggian suatu liquid di dalam tangki atau vessel. Akan tetapi Po tidak mungkin sama dengan 0, setidak-tidaknya akan ada tekanan atmospher atau bisa jadi tekanan permukaan dari gas, maka instrument/sensor harus mencari selisih tekanannya untuk menghilangkan Po (tekanan permukaan). Oleh karenanya konsep-nya untuk level bukan menghitung pressure tapi differensial pressure. Sehingga tekanan yang dihitung benar-benar tekanan liquid saja.

Nah, kalau liquidnya berupa air murni maka dengan tau differensial pressure-nya N InH2O maka dengan mudah ketinggian level di atas sensor diketahui sebagai N inch. Kalau liquidnya bukan air sedangkan pressure bekerja dengan InH2O maka diperlukan sedikit konversi. Katakanlah liquid kita memiliki SG= 0.5, artinya liquid tersebut lebih ringan setengahnya dibandingkan air. Karena berat berbanding lurus dan linear dengan tekanan maka ketika suatu liquid lebih ringan 50% dari air maka pada ketinggian yang sama dengan air, sensor akan menerima pressure lebih kecil 50% dibanding air. Ketika level liquid dengan SG=0.5 setinggi N inch maka diff pressure yang diterima oleh sensor adalah 0.5N inH2O. Ketika sensor mendapatkan diff tekanan dari liquid sebesar N InH2O maka levelnya pasti lebih tinggi dua kali dibanding ketinggian air yaitu 2N Inch. Jadi kalau anda memiliki range actual di lapangan sebesar 14″ dengan liquid ber SG=0.5, maka berapa range transmitter anda yang bekerja dalam InH2O? Maka range anda adalah 0.5 x 14 InH2O = 7 InH2O. Maksimum tekanan yang bisa diberikan oleh liquid tersebut pada ketinggian 14″ adalah 7 InH2O. Kalau liquid tersebut adalah air, SG=1, maka pada level 14″ diff tekanannya adalah 14 InH2O.

Akan ada sedikit perbedaan ketika pipa kapilar ikut digunakan untuk meneruskan tekanan. Pada kondisi tanpa tekanan dari process, sensor sudah mendapat tekanan dari liquid di dalam pipa kapilar dan tekanan awal Po (atmospher atau gas). Sehingga tekanan tersebut harus diperhatikan. Dengan tau SG-nya dan ketinggian dari tapping point kapilari sampai dengan ketinggian sensor/instrument maka akan diketahui pressure yang diakibatkan oleh kapilari liquid. Kalau instrumentnya dipasang direct mounted pada level 0% maka itu adalah sisi Hi-nya, sedangkan kapilari yang dipasang diatas tepat pada tapping pointnya adalah level 100% maka dihubungkan ke Lo side. Jika jarak dari level 0% – 100% adalah 14″ dan SG=0.8, maka pada saat level proses masih 0% maka instrument akan menderita pressure dari liquid kapilari sebesar 11.2 InH2O + Po pada sisi Lo sidenya. Maka pada level 0% transmitter akan menunjukkan diff pressure sebesar sama dengan Po (dr Hi side) -(11.2 InH2O + Po) = -11.2 InH2O dan ini memberikan sinyal 4 mA. Ketika process liquid dengan SG=0.5 mencapai level 100% (pada 14″) artinya tekanan yang diakibatkan oleh process adalah 7 InH2O + Po dan dihubungkan sisi Hi side-nya. Maka pada level 100% diff pressurenya adalah (7 InH2O + Po) – (11.2 InH2O + Po) = -4.2 InH2O dan memberikan sinyal 20 mA. Jadi range transmitter-nya adalah -11.2 InH2O sampai -4.2 InH2O. Jadi hindari penggunaan rumus yang dihafal.

Nova Kurniawan