INSTRUMENT UKUR INSTRUMENT DAN MAESUNRING

TEKNIK

1. INSTRUMENT UKUR


1

1.1. Pendahuluan
Penjelasan tentang instrumentasi dalam buku ajar lebih dititikberatkan pada pemakaian
instrumentasi untuk industri. Menurut pengertiannya instrumentasi industri adalah peralatan
bantu yang digunakan dalam pengukuran dan kontrol pada proses industri. Sedangkan proses
adalah pertukaran/perubahan benda atau konversi energi yang melibatkan peristiwa fisika
maupun kimia; misalnya perubahan tekanan, temperatur, kecepatan dan lainnya.
Lebih spesifik lagi pada buku ajar ini; pembahasan menitikberatkan pada instrumen yang
dipakai dalam pengukuran. Pengukuran adalah suatu cara yang digunakan untuk mengetahui
nilai dari variabel proses dengan cara mengukur atau membandingkan variable tersebut dengan
variable yang telah diketahui atau disepakati nilainya sebagai nilai yang sebenarnya. Variabel
ukur adalah suatu besaran yang ingin diketahui nilainya, nilai ini disebut sebagai hasil ukur.
Contoh variabel ukur adalah temperatur, tekanan, laju alir dan sebagainya.
Pada suatu pengukuran, hasil ukur diharapkan bernilai sama dengan variabel yang sebenarnya
yang ada pada peristiwa proses yang sedang diamati. Tetapi, karena keterbatasan pada
instrumen maka timbul kesalahan (error) dari hasil penukuran. Jadi kesalahan pengukuran
adalah perbedaan antara nilai ideal dengan nilai yang didapat dari hasil pengukuran.
Kesalahan = Hasil pengukuran - nilai ideal.
Nilai ideal adalah suatu nilai yang disepakati bersama sebagai nilai dari suatu besaran dengan
kesalahan sama dengan nol. Tentu saja kesalahan sama-dengan nol tersebut adalah berdasarkan
kesepakatan; sekarang ini kesepakatan tentang instrumen yang mempunyai kesalahan nol telah
secara internasional ada yakni yang disebut sebagai standar internasional tentang besaran dan
satuan (SI Unit). SI unit adalah suatu standar internasional tentang satuan dari suatu besaran
dengan nilai satuan dari besaran tersebut tertentu dan pasti. Satuan dari besaran tersebut
merujuk pada benda atau definisi tertentu dengan menganggap kesalahannya adalah sama
dengan nol. Dengan adanya nilai ideal tersebut maka dapat dibandingkan antara hasil
pengukuran dari instrument ukur terhadap nilai idealnya, dan selisihnya adalah berupa suatu
nilai kesalahan. Jadi dapat dikatakan bahwa mengukur adalah membandingkan antara suatu
variable yang ingin diketahui dengan variable yang telah disepakati bersama sebagai suatu nilai
ideal atau dapat juga dikatakan bahwa mengukur adalah membandingkan besaran yang ingin
diketahui nilainya terhadap besaran standarnya.
Batas kesalahan yang mungkin terjadi antara nilai pengukuran dan nilai idealnya disebut batas
akurasi. Jadi akurasi adalah derajat penerimaan kita pada hasil pengukuran terhadap nilai
idealnya. Sehingga pada akurasi telah terkandung seluruh kesalahan (error) yang mungkin
terjadi pada hasil pengukuran.
Nilai ideal dalam hal ini terletak di antara nilai yang didapat dari pengukuran ditambah
keakurasiannya, atau nilai ideal dari besaran yang diukur adalah nilai yang selalu berada di
dalam hasil pengukuran dengan keakurasiannya. Artinya, nilai sebenarnya dari besaran yang
diukur selalu berada di dalam hasil pengukuran dengan batas kesalahan adalah berupa
keakurasian dari instrument yang dipakai untuk mengukur, atau nilai sebenarnya dari besaran
yang diukur adalah dapat diketahui sebagai nilai hasil pengukuran instrument dengan

2. INSTRUMENT UKUR

2

memperhatikan batas-batas akurasi instrument, secara matematis dapat dituliskan seperti
berikut.
Nilai sebenarnya = Hasil pengukuran ± akurasi
Dengan kata lain, hasil pengukuran adalah sesuatu nilai yang didalamnya mengandung nilai
sebenarnya dari yang diukur asalkan dicantumkan keakurasian instrument ukurnya.
Pada akurasi telah terkandung kesalahan pengukuran akibat adanya histerisis, dead band, dan
kesalahan ketika dilakukan pengulangan pengukuran. Histerisis adalah peristiwa yang terjadi
pada pemetaan (berupa diagram antara input dan output) pengukuran jika pengukuran
dilakukan dengan cara menaikkan input sampai batas tertentu (maksimum) dan kemudian
menurunkan input pada batas tertentu (minimum). Hal ini terlihat bahwa histerisis sebagai hasil
(output) dari pengukuran yang berbeda jika input dinaikkan dan jika input diturunkan.
Diagram antara input dan output ini juga disebut sebagai diagram karakteristik static instrument
atau disebut karakteristik intrumen. Diagram input-output tersebut dapat dicari dengan cara
membandingkan objek ukur yang dapat diubah nilainya kemudian diukur dengan instrument
ideal atau yang sudah distandarkan terhadap instrument yang diamati. Jika pengukuran
dilakukan dan kemudian dipetakan atau digambarkan dalam diagram, yakni pengukuran
dilakukan dengan cara menaikkan input dan kemudian menurunkan input pada batas ukurnya,
pada saat awal menaikkan input ternyata instrument yang diamati tidak terjadi perubahan hasil
pengukuran sampai kenaikan input tertentu dan pada saat awal menurunkan input ternyata tidak
terjadi perubahan hasil pengukuran sampai perubahan input tertentu; daerah pemetaaan input
dengan output berupa kurva yang berbeda sehingga seolah-olah membentuk pita disebut dead
band.
Jika pengukuran dilakukan berkali-kali pada nilai yang sama dan kondisi yang sama (pada
lingkungan dan cara pengukuran), kemudian didapatkan hasil yang berbeda maka kesalahan
tersebut disebut kesalahan pengulangan (repeatibility). Perbedaan antara rata-rata kesalahan
pengulangan dan nilai terbesar dari hasil pengukuran berulang tersebut disebut kesalahan
random atau deviasi atau kepresisian. Jika akurasi dikurangi dengan presisi disebut bias
(kesalahan sistematik).
Istilah akurasi, presisi dan bias, dapat dibayangkan seperti gambar sasaran tembak yang
berbentuk lingkaran dengan titik tengah adalah nilai sebenarnya atau nilai ideal yang ingin
dikenai dan instrument tembak dengan pelurunya adalah instrument yang digunakan untuk
mengukur. Hasil pengukuran akan bergeser dari nilai idealnya bergantung dari akurasi
instrument ukur yakni makin akurat instrument ukur maka makin dekat hasil pengukuran
dengan nilai idealnya. Demikian pula dengan sebaran hasil pengukuran bergantung kepada
kepresisian instrument ukur, makin presisi instrument ukur maka makin mengumpul hasil ukur
tersebut jika dipakai untuk mengukur nilai yang sama. Jadi makin tidak akurat instrument ukur
maka makin jauh hasil pengukuran terhadap nilai idealnya, dan makin tidak presisi suatu
instrument ukur maka nilai yang dihasilkan untuk mengukur besaran secara berulang akan
didapatkan hasil yang yang makin menyebar secara acak.
Kesalahan hasil ukur dapat di kelompokkan menjadi kesalahan sistematik yang berasal dari
instrument tersebut dan kesalahan acak (kepresisian) karena kepekaan instrument tersebut

3. INSTRUMENT UKUR

3

terhadap gangguan lingkungan. Kesalahan tertinggi atau kesalahan terjauh dari hasil
pengukuran terhadap nilai idealnya disebut akurasi.
Penyebutan nilai tertinggi dan terendah dari nilai variabel ukur disebut range, contoh range
instrument ukur 0 s-d 100
0
C. Sedangkan perbedaan antara nilai tertinggi dan terendah dari nilai
variabel ukur disebut span, contoh span = 100
0
C.



















Gambar Error! No text of specified style in document.-1 Terminologi Akurasi
Telah disebutkan bahwa untuk penentuan variabel ukur perlu adanya kesepakatan bersama
untuk setiap nilai variabel, kesepakatan yang disetujui bersama tersebut disebut Standard.
Standar tertinggi yang disepakati bersama sekarang ini untuk standar satuan adalah satuan
standar internasional (SI unit).
Pembandingan setiap nilai hasil ukur dengan nilai standar dan dicatat hasilnya oleh orang yang
diberi wewenang disebut pengkalibrasian instrument ukur. Proses pengkalibrasian ini akan
menghasilkan akurasi dari instrument ukur dan nilai skala instrument ukur. Skala adalah
pembeda nilai satu dengan nilai lain pada variabel ukur yang dicantumkan pada keluaran
instrument ukur.
Instrumen pada umumnya dan instrument ukur pada khususnya mempunyai waktu pemakaian
tertentu, semua komponen pada instrument ukur tidak terlepas dari pengaruh luar seperti
adanya perubahan temperatur, kelembaban, keasaman lingkungan dan lain-lain. Sehingga
nilai-nilai hasil pencocokan dengan standar (kalibrasi) pada perioda tertentu harus dilakukan
pencocokan ulang. Perioda pencocokan (perioda kalibrasi) tersebut ditentukan dari pengujian-
pengujian dari instrumen ketika keluar dari pembuatan.
Repeatability
Presisi
Bias
Akurasi
Hasil pengukuran
Nilai Ideal

4. INSTRUMENT UKUR

4

Uji awal untuk menentukan hal ini dapat menentukan kehandalan instrumen terhadap pengaruh
luar. Untuk menentukan kehandalan instrumen juga perlu dilakukan pengujian dengan
memberikan masukan-masukan tertentu, misalnya seperti memberi masukan yang jauh lebih
tinggi dari nilai yang tertera dan dilihat apakah istrumen masih dapat beroperasi secara normal
sesudahnya. Uji kehandalan tersebut dapat ditentukan dengan melalui kesepakatan bersama,
kalau di Indonesia prosedur uji kehandalan dikeluarkan oleh Badan Standarisasi Nasional
(BSN) dengan standar bernama SNI (Sandar Nasional Indonesia) dan pengujian yang dilakukan
oleh Badan Metrologi Indonesia. Pada bidang-bidang tertentu, seperti bidang ketenagalistrikan
terdapat bidang yang dapat mengeluarkan sertifikat hasil uji seperti PLN (Persero) Jasa
Sertifikasi. Pada industri-industri besar pengujian-pengujian ini juga dikeluarkan oleh suatu
gugus tugas tertentu seperti Tim Quality Assurance (QA) yang diberi wewenang oleh
industrinya untuk mengeluarkan sertifikat pabrikan tentang instrument hasil dari pabrik
tersebut.
Selanjutnya, dalam mempelajari instrument perlu dilakukan kajian tentang cara kerja dari
instrument tersebut. Pembahasan tentang cara kerja instrument dapat dilakukan dengan cara
membuat blok-blok instrument berdasarkan input-output dan gain dari instrument. Dengan
peninjauan blok-blok instrument tersebut maka dapat diharapkan bahwa kurva kurva
karakteristik dari tiap blok akan dapat diketahui. Dengan demikian kesalahan yang melekat
pada instrument dapat diidentifikasi, misal dari blok tertentu.
Pada sub-bab dibawah ini akan dibahas tentang blok instrument, kemudian diperlihatkan
terjadinya kesalahan sistematis dan cara koreksinya, terjadinya efek dari pembebanan objek
yang diukur yang disebabkan oleh instrument ukur, efek penurunan ketelitian karena
sambungan antar blok instrument, dan juga diperlihatkan aspek-aspek sensor terhadap
instrument ukur secara keseluruhan.

1.2. Blok Instrumen Ukur
Instrument bantu untuk mengetahui nilai dari sautu variabel proses disebut instrumen ukur.
Instrument ini berfungsi untuk mendeteksi sinyal dari plant yang diinginkan dengan memakai
elemen peraba yang sensitif terhadap sinyal besaran tertentu, kemudian sinyal diubah oleh
sensing menjadi sinyal yang lebih mudah diolah, dan seterusnya dilakukan pengolahan sinyal
agar dapat diterima oleh indera manusia.
Berdasarkan fungsinya sebagai pengubah dan penyalur sinyal yang berasal dari variabel proses
ke indra manusia, instrument ukur dapat digambarkan menurut blok-blok komponen
instrument. Setiap blok mewakili fungsi tertentu sehingga blok-blok tersebut tersusun dalam
deretan dengan masukan blok adalah merupakan keluaran dari blok sebelumnya.
Blok komponen ini tidak distandarkan, tetapi seringkali dengan memahami fungsi dari tiap
blok maka dapat membantu dalam mempelajari fungsi setiap instrument ukur yang ingin kita
telaah, kita gunakan ataupun yang ingin kita rancang. Setiap fungsi dari blok adalah
mempunyai karakteristik tertentu, karakteristik ini dapat dikelompokkan menjadi dua yakni
karakteristik statik dan karakteristik dinamik. Dengan memahami karakteristik tiap blok maka
karakterisitik gabungan dari blok tersebut diharapkan dapat dipahami pula. Sehingga secara

5. INSTRUMENT UKUR

5

keseluruhan, instrument akan dapat tergambarkan karakteristiknya. Gambaran karakteristik ini
dapat didekati dengan matematis sebagai rangkaian dari model komponen fisik dari instrument.
Blok fungsional instrument ukur tersebut terdiri atas komponen fungsional seperti elemen
peraba dan elemen pengubah sinyal, elemen pemanipulasi sinyal, elemen transmisi data sinyal,
elemen penyimpan data (jika diperlukan penyimpan data) dan elemen peraga data. Gambar
blok fungsi tersebut adalah sebagai berikut.






Gambar Error! No text of specified style in document.-1 Blok elemen fungsional instrumen ukur
Elemen peraba atau sensor berfungsi untuk mensensing atau mengetahui nilai dari besaran
variabel yang diukur dari plant atau proses, dan mengubahnya menjadi besaran variabel baru
yang mudah untuk dimanipulasi dan bila perlu mudah ditransmisikan. Kemudian jika perlu
besaran variabel dapat disimpan di dalam penyimpan data dan atau ditampilkan oleh elemen
peraga data sehingga dapat dibaca oleh manusia.
Biasanya besaran dari plant atau proses tersebut adalah berupa energi dalam ujud suatu nilai
besaran tertentu, yang diterima oleh elemen peraba dan disalurkan dalam ujud besaran lain
yang mudah diolah. Energi yang diterima oleh elemen peraba diusahakan nilainya adalah
sekecil-kecilnya, hal ini untuk menjaga agar proses tidak terganggu karena terserapnya
sebagian energi oleh instrumen ukur. Variabel baru tersebut harus dibuat sedemikian sehingga
mempunyai penyerapan energi dari proses dengan nilai energi yang terkecil, kemudian nilai
variabel tersebut dimanipulasi oleh elemen manipulator menjadi variabel yang mudah
ditransimisikan.
Setiap komponen yang dipakai untuk dijadikan elemen fungsional, akan dapat dipandang
sebagai suatu perangkat proses yang mempunyai masukan dan keluaran. Masukan dan keluaran
tersebut dapat didekati dengan fungsi matematik tertentu, biasanya dipilih yang linear, atau
kuadratis, atau eksponensial. Fungsi matematis tersebut disebut pula karakteristik dari
instrument, dalam bentuk kurva yang menghubungkan antara input dan output. Berikut ini
adalah gambar komponen yang dapat mewakili elemen fungsional.



Gambar Error! No text of specified style in document.-2 Input output komponen fungsional
Setiap proses akan selalu mengandung kesalahan. Berdasarkan fungsinya dan kekurangan yang
melekat pada komponen dan instrument, maka konfigurasi input/output instrumen dapat
dikelompokkan menjadi tiga macam yakni berdasarkan pada informasi yang ikut serta masuk
Komponen
instrument
Input Output
Besaran fisik yang
ingin diketahui
Elemen
peraba
(sensor)
Elemen
manipulasi
variabel
Elemen
transmisi
data
Elemen
penyimpan
data
Elemen
peraga
data
Proses
Indera
Manusia

6. INSTRUMENT UKUR

6

ke instrumen. Yakni informasi yang di kehendaki dari masukan (input, ditulis: ID), masukan
yang ikut serta (II) dan masukan yang ubahan (IM).









Gambar Error! No text of specified style in document.-3 Konfigurasi I/O umum
Gambar di atas, menceritakan bahwa keluaran instrumen, karena keterbatasan kemampuan
komponen, maka dapat dimasuki oleh tiga jenis variabel masukan, yakni masukan yang
diinginkan, masukan yang ikut serta, dan masukan ubahan. Masukan yang diinginkan
dipengaruhi oleh masukan ubahan, dan demikian juga masukan gangguan akan dipengaruhi
oleh masukan ubahan. Masukan yang diinginkan dan masukan gangguan yang masing masing
di pengaruhi oleh masukan ubahan, maka akan menghasilkan keluaran yang selalu
mengandung kesalahan.
Contoh terjadinya masukan ubahan adalah: jika kita meninjau manometer pipa U yang dibawa
oleh kereta api. Pada keadaan kereta diam, maka tekanan yang diukur (P1) akan sama dengan
berat jenis (ρ) zat ukur di kalikan dengan ketinggian (h) yang dihasilkan proses pengukuran
dan tekanan diukur hasilnya ditambah dengan tekanan udara tertutup (P2). Tetapi jika kerata
api berjalan dan manometer diletakkan sedemikian rupa sehingga kecepatan (v) kereta sejajar
dengan bidang U, maka kecepatan kereta akan mengubah hasil ukur yang sebelumnya. Ada
masukan ubahan sehingga mengubah keluaran.













Gambar Error! No text of specified style in document.-4 Ilustrasi adanya masukan gangguan
Untuk menghilangkan masukan gangguan dan masukan ubahan yang seringkali muncul, maka
dibuat berbagai metoda koreksi untuk kesalahan input.
P1
P2
h
a). v = 0, P1 = P2 + ρg h
P1
P2
h’
b). v > 0, P1 = P2 + ρ g h’ + K dv/dt

v>0
v>0
HI
HMI
HMD
HD
II
IM
ID
Output

7. INSTRUMENT UKUR

7

1.3. Koreksi terhadap Masukan Tak Diinginkan
Telah dikenal adanya masukan yang tidak diinginkan pada instrumen sehingga pada keluaran
timbul kesalahan. Telah dikembangkan orang berbagai metoda koreksi kesalahan input yang
dapat mengkompensasi kesalahan yang tidak diinginkan, diantaranya adalah prinsip inherent
insensitivity, feedback, dan filtering/penyaringan. Penjelasan beberapa prinsip dapat dikuti
seperti berikut.
1. Prinsip “inheren insensitivity”, metoda ini berdasarkan pada pemikiran bahwa jika
komponen yang dipakai dipilih untuk instrument mempunyai sifat yang secara
matematis sebagai fungsi HI dan HM mempunyai atenuasi tinggi atau tidak peka terhadap
masukan gangguan dan ubahan sehingga hanya masukan yang diinginkan saja yang
dapat masuk dengan leluasa maka akan didapat bahwa hanya masukan yang diinginkan
saja yang ditanggapi. Dengan demikian pemilihan komponen atau pembuatan rangkaian
yang sesuai yakni komponen atau rangkaian instrument dipilih yang hanya peka pada
yang diinginkan atau dibuat agar gain atau penguatan HI dan HM nilainya mendekati nol.
Jadi untuk menerapkan konsep ini, harus di cari komponen atau rangkaian yang tepat
sehingga komponen atau rangkain komponen hanya akan menganggapi masukan yang
diingin kan saja.
2. Prinsip “ high gain feedback” yakni metoda ynag menggunakan umpan balik dengan
faktor penguatan umpan balik tinggi yang diumpankan pada masukan diinginkan
sedemikian sehingga keluaran akan sama dengan masukan yang diinginkan dikalikan
dengan faktor penguatnya. Dengan cara demikian maka masukan gangguan dan ubahan
akan jauh lebih kecil nilainya daripada masukan yang diinginkan.


















Gambar Error! No text of specified style in document.-5 Prinsip High Gain Feedback
3. Prinsip koreksi langsung pada output adalah metoda yang menggunakan prinsip bahwa
masukan gangguan maupun ubahan jika dapat dicari gain-nya (besarnya hubungan
output-input) maka gain dapat dipakai untuk melakukan koreksi langsung. Pada output
dikurangi dengan input gangguan dengan gain gangguannya, maka didapat output yang
telah terkoreksi. Secara matematis dapat dibuat persamaan koreksi tersebut, seperti
berikut.
IM
ID X0
HM
KM
a) Blok Pengukuran tanpa umpan balik:
X0 = KM0 ID dengan KM0 adalah KM
yang di pengaruhi HM IM
b) Blok Pengukuran dengan umpan balik:
X0 = (KM0 ID ) / (1 + KM0 KF)
jika KM0 KF >> 1, maka X0 = (1/KF) ID
IM
ID X0
HM
KM
KF

8. INSTRUMENT UKUR

8

X0 = KM ID + HM IM dan X0’ = KM ID














Gambar Error! No text of specified style in document.-6 Metoda koreksi langsung output
4. Metoda filtering pada output, yakni menggunakan filter yang hanya dapat meloloskan
variabel yang dikehendaki saja, yakni dilakukan pemfilteran terhadap nilai besaran
ikutan maupun besaran ubahan. Biasanya filter ini dibuat dengan cara melemahkan nilai
dari besaran ikutan maupun ubahannya.












Gambar Error! No text of specified style in document.-7 Metoda filter output
Jika kesalahan terjadi karena adanya masukan ikutan dan masukan ubahan sehingga
mempengaruhi instrument, maka koreksi-koreksi di atas dapat digunakan untuk memperkecil
kesalahan sehingga akurasi dapat diperbaiki. Selain itu, hasil pemakaian instrument juga
dipengaruhi oleh cara penggunaan dan atau cara menyambungan antar blok instrument. Efek
ini lebih dikenal sebagai efek pembebanan pada instrument. Efek pembebanan instrument akan
dapat mempengaruhi akurasi dari instrument karena energi dari sinyal menjadi susut. Berikut
adalah penjelasan dari timbulnya efek pembebanan pada instrument.
1.4. Efek Pembebanan
Pada setiap cara untuk merangkai suatu sistem instrumen terhadap sistem yang lain, kemudian
rangkaian tersebut diberikan sinyal maka selalu akan ada energi yang akan hilang. Hal tersebut
di atas disebabkan oleh karena perambatan sinyal memerlukan energi untuk menyalurkannya.
Artinya, sinyal yang disalurkan memerlukan sejumlah energi untuk sampai ke tujuan. Hal ini
memunculkan timbulnya fenomena “efek pembebanan” yang mengakibatkan hilangnya
KM
HM
HM
ID
IM
X0’
X0
Filter gangguan
Filter ubahan
HI(s)
HMI(s)
HMD(s)
HD(s)
II
IM
ID
Output
0
0

9. INSTRUMENT UKUR

9

sebagian informasi yang diteruskan oleh instrument ke pengamat, yakni karena komponen
tersebut menyerap sebagian energi sehingga kemungkinan penurunan amplitudo sinyal
menjadi mungkin dapat terjadi. Jika sinyal ditinjau dari besarnya amplitude maka efek
pembebanan tersebut akan menyebabkan membesarnya kesalahan pengukuran.

Secara matematis konsep ‘kehilangan’ energi dari sinyal ini dapat diuraikan seperti berikut.
Yakni bahwa pada input instrumen terdapat sejumlah variabel yang kombinasinya
menghasilkan energi, atau informasi yang diambil oleh instrument adalah merupakan ujud lain
dari energi yang terjabarkan sebagai kombinasi dari suatu besaran tertentu dengan besaran lain.
Besaran tersebut salah satunya adalah merupakan besaran informasi yang kita inginkan dan
besaran lain adalah besaran yang melekat pada komponen atau besaran langsung-nya. Misalkan
besaran atau kita sebut sebagai variabel tersebut adalah qi1 dan qi2, maka energi yang di peroleh
adalah merupakan kombinasi dari kedua variable tersebut, yang secara matematis dapat
dituliskan seperti berikut.
??????=??????
??????1??????
??????2
Komponen yang menyebabkan terjadinya ‘kehilangan’ energi adalah komponen impedansi,
selanjutnya dapat didefinisikan bahwa variabel impedansi input instrument menurut persamaan
matematik berdasarkan uraian energi di atas menjadi sebagai berikut. 2
1
i
i
i
q
q
z=

dengan qi1 adalah variabel silang atau variabel informasi,
qi2 adalah variabel langsung.
Selanjutnya dengan menggunakan kedua persamaan tentang energi dan impedansi di atas maka
dapat dituliskan bahwa energi yang hilang adalah sebagai berikut. i
2
1i
z
q
P=

Terlihat bahwa untuk mencegah supaya energi yang hilang kecil, maka perlu dibuat sedemikian
sehingga zi >>; karena qi1 adalah informasi yang ingin diperoleh jadi tidak bisa di buat kecil
sekali atau sinyal harus utuh agar informasi yang diambil dari pengukuran dan disalurkan oleh
instrument sampai secara ‘sempurna’ pada pemakai.
Selain kehilangan energi karena adanya instrument yang membebani system atau blok
instrument yang dipasang di depan sebelum instrument tersebut, juga perlu diperhatikan hal-
hal yang menyebabkan membesarnya kesalahan pengukuran atau penyaluran informasi seperti
tatacara atau berbagai teknik pengukuran jika menggunakan instrument. Subbab berikut adalah
penjelasan tentang hal-hal yang berkaitan dengan pemakaian instrument, yakni berbagai hal

10. INSTRUMENT UKUR

10

yang harus diperhatikan ketika instrument akan atau sedang digunakan untuk pengukuran
maupun untuk penyaluran informasi.
1.5. Aspek yang terkait dengan instrument
Jika kita melakukan pengukuran, diketahui bahwa lingkungan dari plant proses juga dapat
mempengaruhi hasil dari pengukuran, sehingga dapat dikatakan bahwa hasil ukur tergantung
pada besarnya pengaruh lingkungan. Besarnya pengaruh lingkungan akan mempengaruhi
akurasi instrument, sehingga perlu diperhatikan kemampuan instrument dalam mengatasi
pengaruh lingkungan. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa pemilihan jenis instrument
ukur untuk berbagai kondisi lingkungan akan menentukan hasil yang didapatkan dari
pengukuran yang dilakukan.
Hal-hal yang mempengaruhi output instrument ukur tersebut disebut aspek yang terkait dengan
instrument. Aspek terkait pada pengukuran yang harus diperhatikan adalah
1. Tujuan harus ditentukan. Tujuan ini mementukan jenis instrumen yang mana yang cocok
dipakai untuk pengidentifikasian besaran proses.
2. Dimana letak pengukuran. Dengan memepertanyakan ini diharapkan dapat diketahui
bahwa peletakan tempat instrument ukur yang tidak benar menyebabkan hasil
pengukuran menjadi tidak benar atau kesalahan pengukuran dapat pembesar jika
peletakan instrument ukur tidak sesuai dengan criteria yang diharuskan oleh instrument.
3. Bagaimana cara memasangnya. Pemasangan instrument ukur yang tidak sesuai dengan
yang disarankan oleh pembuat instrumen menyebabkan adanya kekeliruan hasil.
4. Bagaimana instrumen itu bekerja. Dengan mempertanyakan ini diharapkan dapat
diketahui bahwa instrument itu bekerja dengan cara tertentu. Sehingga dapat diketahui
juga hal apa saja yang kemungkinan dapat mengganggu jalannya sinyal sehingga
masukan yang dinginkan menjadi terganggu, dengan demikian hasilnya juga menjadi
tidak sesuai lagi atau kesalahan menjadi membesar karena ketidaksesuaian itu.
Kita harus memperhatikan bahwa energi yang boleh diambil oleh insrumen harus sekecil
kecilnya, sehingga proses tidak terganggu oleh kehadiran instrument. Untuk itu maka perlu
dilakukan perhitungan tentang impedansi masukan atau perhitungan akan nilai komponen
penghambat masuknya energi ke tempat yang baru, yakni impedansi masukan pada instrument
harus dibuat bernilai sebesar-besarnya, sehingga energi yang diambil dari plant/proses oleh
instrument adalah bernilai sekecil-kecilnya. Dengan demikian jika impedansi masukan adalah
sangat besar maka secara keenergian dapat diharapkan bahwa adanya instrument tidak
mengganggu proses yang dipantau informasinya.
Contoh ilustrasi berikut adalah suatu instrument ukur sederhana untuk mengetahui besaran
tegangan dengan menggunakan galvanometer. Galvanometer ini selanjutnya dirangkai dengan
komponen resistif untuk dapat digunakan sebagai voltmeter, atau sebagai instrument pengukur
tegangan listrik.
Galvanometer yang dirangkai menjadi sebuah voltmeter analog dapat dibuat seperti Gambar
Error! No text of specified style in document.-8 di bawah ini. Karena arus yang melalui
galvanometer nilainya terbatas, maka pada galvanometer tersebut harus dipasang pembatas
arus. Pembatas arus tersebut pada Gambar Error! No text of specified style in document.-8

11. INSTRUMENT UKUR

11

berupa resistor yang dipasang sebelum galvanometer sehingga arus yang masuk ke
galvanometer adalah seusai dengan criteria batasan arus pada galvanometer. Selanjutnya
penyesuaian nilai maksimum skala penunjukan ukur pada galvanometer akan disesuaikan
dengan keinginan kita untuk mengukur tegangan, hal ini dilakukan dengan cara mengubah
nilai-nilai resistansi sehingga batas maksimum input pengukuran sesuai dengan maksimum
skala. Secara blok, voltmeter dari penunjuk galvanometer diperlihatkan seperti berikut.











a) Ilustrasi komponen voltmeter




b) Gambar blok voltmeter analog
Gambar Error! No text of specified style in document.-8 Volmeter analog dengan display galvanometer
Jalannya informasi yang berasal dari sinyal tegangan yang akan diidentifikasi menuju ke hasil
akhir adalah jarum penunjuk skala tegangan secara blok diperlihatkan seperti Gambar Error!
No text of specified style in document.-8 point b). Kemudian persamaan matematis dari blok
di atas, dapat dituliskan sebagai berikut.
??????
??????=??????
????????????
?????? dan ??????=??????
????????????
??????
Yakni menurut hukum Ohm maka dapat dikatakan bahwa arus listrik yang dihasilkan (IG) oleh
karena perbedaan potensial (VI) adalah sebanding dengan VI dikalikan dengan suatu konstanta.
Sedangkan pada suatu instrument dengan jarum yang berputar dalam sudut putar jika diberi
arus listrik, diketahui bahwa besarnya perubahan sudut θ adalah sebanding dengan arus listrik
(IG) dengan pengali adalah suatu konstanta KG.
Sehingga secara keseluruhan dapat dikatakan bahwa perubahan sudut instrument jarum
berputar tersebut adalah sebanding dengan sinyal tegangan masukan atau ??????=??????
????????????
????????????
??????.
Dengan demikian, maka perubahan pada sudut jarum adalah merupakan representasi dari
perubahan sinyal masukan. Dengan kata lain, besarnya sinyal masukan akan dapat
diindikasikan sebagai penunjukan jarum pada voltmeter dengan karakteristik dalam keadaan
setimbang sesuai dengan persamaan matematis di atas nilainya adalah sama dengan perkalian
antara ??????
?????? dengan ??????
?????? atau sama dengan ??????
????????????
??????.
Selanjutnya dapat dikatakan bahwa besarnya nilai tegangan dalam keadaan sudah tunak adalah
sebanding dengan penyimpangan dari sudut jarum dengan konstanta pengali yang nilainya
Vi
R1
R2
RG
Galvano
Skala, θ
KI KG
Vi IG
θ

12. INSTRUMENT UKUR

12

sebesar ??????
????????????
??????. Kesebandingan tersebut dengan konstanta pengali adalah bergantung pada nilai
dari impedansi masukan, karena impedansi masukannya adalah R1 series terhadap (R2//RG).
Dan dari Gambar Error! No text of specified style in document.-8 a) dapat dicari bahwa nilai
arus yang melewati galvanometer besarnya adalah seperti persamaan berikut. I
GG
GRRRI
G
G
RR V
RRRRR
R
IVVV
RRR
RR
V
GG
221
2
//
21
2
//
)(
⇒dan
)//(
//
222
++
==
+
=

Kemudian jika dimisalkan bahwa RG << R2 maka persamaan untuk nilai arus yang melewati
galvanometer adalah seperti persamaan dibawah ini. I
G1
G V
RR
1
I
+
=

Sehingga dapat dikatan bahwa jika RG<< R2 maka rangkaian listrik untuk impedansi masukan
adalah berupa rangkaian series antara R1 dan RG, gambar rangkaian pengganti dapat di
ilustrasikan seperti Gambar Error! No text of specified style in document.-9 sebagai berikut.









Gambar Error! No text of specified style in document.-9 Ilustrasi masukan voltmeter jika di ketahui RG <<
R2
Jadi masukan instrument terhadap impedansi masukannya, dapat digambarkan ulang seperti
Gambar Error! No text of specified style in document.-10 berikut.







Gambar Error! No text of specified style in document.-10 Ilustrasi masukan dengan impedansi masukan ZI
Dengan demikian dapat dikatakan bahwa supaya energi yang dipakai instrument bernilai
sekecil-kecilnya tetapi sinyal masukan tidak sama dengan nol, maka harus dibuat impedansi
Vi
R1
RG
Galvano
Skala, θ
ZI
VI
II
Instrument

13. INSTRUMENT UKUR

13

masukan bernilai sebesar-besarnya. Dalam persamaan matematis maka pernyataan di atas
dapat dituliskan seperti berikut ini. 0inpu Energi ⇒
2
= tZ
Z
V
P
I
I
I
I

Sebagai contoh persoalan dimisalkan bahwa kita mempunyai galvanometer dengan RG = 10
ohm dan IG yang dapat dilalui arus listrik dengan range adalah mulai dari 0 s-d 10
-3
A,
instrument ini ingin dipakai untuk mengukur tegangan dengan range mulai dari nilai 0 s-d 100
volt, maka R1 yang harus dipasangkan yakni agar nilai IG dapat mewakili nilai tegangan yang
akan diukur, perhitungannya adalah seperti berikut.
R1 + RG = (100.0 / 0,001) ohm
R1 + RG = 10
5
ohm; R1 = 10
5
ohm.
Dapat dikatakan bahwa agar sesuai antara nilai arus pada galvanometer yang besarnya adalah
maksimum 10
-3
A yang merupakan representasi dari nilai tegangan sebesar 100 volt, maka
dapat dilakukan dengan cara memasang impedansi masukan yang besarnya sama dengan 10
5

ohm atau 100 kΩ. Dengan demikian impedansi masukan pada voltmeter adalah senilai dengan
nilai resistansi masukan yang dipasang series galvanometer sebesar 100 kΩ tersebut.
Selanjutnya jika galvanometer dipakai untuk mengukur tegangan dengan frekuensi tertentu
maka model impedansi masukan yang dipakai biasanya perlu diperhitungkan terhadap nilai
dari kapasitansi yang dapat timbul karena adanya gap antara jalur sinyal, maupun dipasangnya
kapasitor pada instrument karena keperluan pengolahan sinyal. Secara ilustratif impedansi
masukan instrument pengukur tegangan untuk sinyal dengan input yang berfrekuensi dapat
digambarkan lebih lanjut menjadi seperti berikut.









Gambar Error! No text of specified style in document.-11 Model impedansi instrument secara umum
Dengan memakai model impedansi seperti Gambar Error! No text of specified style in
document.-11 di atas, dapat dituliskan bahwa persamaan impedansi inputnya adalah

ZM
VI
II
Instrumen


CI

14. INSTRUMENT UKUR

14
I
I
MC
MC
I
CRj
R
Z
ZZ
ZZ
Z
I
I
1
1
1
)( ⇒


+
=
+
=

Persamaan di atas dapat memperlihatkan bahwa impedansi instrument ukur nilainya
bergantung pada frekuensi dari masukan sinyal yang akan diukur, dengan demikian akan terjadi
perubahan akurasi jika frekuensi yang diukur berubah.
1.6. Efek instrument terhadap ketelitian
Supaya instrument mampu menyalurkan semua energi yang telah diterima menuju ke keluaran,
hal ini dimaksudkan agar, semua informasi yang terkandung dalam sinyal yang sudah masuk
ke intrumen dapat disampaikan secara keseluruhan di perjalanan, maka harus dibuat agar
impedansi keluaran sekecil-kecilnya.







Gambar Error! No text of specified style in document.-12 Sambungan dua blok instrument
Dari Gambar Error! No text of specified style in document.-12 , dapat dicari bahwa V0 adalah
informasi yang sampai pada instrument 2. Agar V0 sebanding dengan VI (informasi yang
dikeluarkan oleh instrumen 1), maka harus dicari agar R0<< RI. I
I
i
I
I
V
R
R
VV
RR
R
V
)1(
1
⇒
0
0
0
0
+
=
+
=

maka pada dikatakan bahwa V0 = VI jika R0 << RI. Dengan demikian dapat diharapkan bahwa
tegangan keluaran instrument tidak terbebani oleh instrument 2 jika pada instrument 2
resistansinya jauh lebih besar nilainya.






V0
II
Instrumen 2
R0 RI
VI
Instrumen 1

15. INSTRUMENT UKUR

15

1.7. Persoalan Instrumen yang terkait dengan sensor
Sensor sebagai elemen yang berhubungan langsung dengan proses mempunyai beberapa
kriteria yang harus di perhatikan agar instrumen berkelakuan baik. Seperti:
1. Perambatan sinyal dari plant proses ke sensor seringkali memerlukan waktu tertentu.
Seperti contohnya adalah sensor temperatur yang harus dilapisi dengan bahan sehingga
sensor tidak mudah terkontaminasi bahan proses. Adanya bahan pelapis ini
menyebabkan adanya keterlambatan waktu. Ini menjadikan sensor tersebut perlu
diperhitungkan adanya pengaruh keterlambatan waktu.
2. Sensor juga mempunyai daerah kerja tertentu. Setiap bahan sensitif terhadap pengauruh
besaran fisika pada daerah tertentu. Daerah kerja sensor perlu di perhitungkan.
3. Jika ingin mempelajari sensor, perlu memperhatikan hukum fisika yang berkaitan
dengan sensor tersebut, sehingga sensor dapat dilihat dengan cara lebih baik.
4. Perancangan sensor terhadap aspek geometri juga perlu di perhitungkan. Seperti sensor
harus diletakkan terpisah dengan komponen lain, seberapa jauh terpisahnya dan
seterusnya; hal tersebut perlu juga diperhatikan.
5. Bentuk sensor juga perlu diperhatikan. Seperti sensor kapasitor berbeda dengan sensor
resistor, atau yang lainnya. Hal ini seringkali berkaitan dengan komponen yang harus
disambungkan pada sensor tersebut.

16. INSTRUMENT UKUR

16

1.8. Penutup
Instrumen untuk instrument ukur dapat ditinjau dengan menggunakan blok diagram yang
terdiri dari input-output blok dan gain dari blok. Input tersebut berupa sinyal dari blok
sebelumnya ataupun dari plant yang ingin diketahui nilai besarannya. Dalam mengambil sinyal
input dan selama pengolahan sehingga didapat gain blok instrument dapat terjadi adanya error
yang berupa kesalahan ikutan maupun ubahan. Selama proses dalam blok instrument dapat
terjadi ‘kesalahan’ yang melekat pada instrument. Dengan demikian cara kerja instrument
dapat dipelajari secara matematis berdasarkan pengolahan rangkaian instrument dengan cara
meninjau blok instrument tersebut.
Instrument sebagai instrument ukur, agar dapat dipakai sebagai instrument pembanding dari
besaran yang belum diketahui maka harus diketahui nilai-nilainya dan juga kemampuannya
seperti kesesuaianya terhadap nilai sebenarnya atau nilai standar, ketepatnya dari nilai standard,
ketelitiannya dan seterusnya sehingga perlu didefinisikan tentang standar atau kesepakatan
bersama akan suatu nilai dari suatu besaran.
Selain itu, instrument jika dibuat sebagai instrument ukur perlu memperhatikan ketentuan
bahwa instrument tidak boleh membebani atau mengambil energi dari yang akan di ukur tetapi
jika sinyal dari yang diukur telah didapat maka harus disalurkan ‘sempurna’ sampai tujuan,
dengan demikian instrument harus dibuat agar impedansi inputnya sangat besar tetapi
impedansi outputnya sangat kecil. Pemakaian instrument sebagai perangkat pengukur ternyata
dipengaruhi oleh jenis besaran yang diukur dan jenis sinyal yang akan diolah, hal ini terlihat
pada contoh kasus instrument dengan sinyal yang dipantau adalah yang mempunyai frekuensi
tertentu ternyata nilai impendansi dari instrument akan berubah bergantung pada nilai frekuensi
sinyalnya.
Pada perjalanan sinyal dari plant yang dipantau sampai ke mata pengamat dengan melalui
instrument, karena instrument terbuat dari komponen-komponen pengolah sinyal maka
ternyata sinyal tersebut akan mungkin terbebani sehingga akurasi dari instrument sebagai
instrument pendeteksi sinyal menjadi berkurang. Hal tersebut bergantung dari nilai dan jenis
komponen yang digunakan dan juga besaran sinyal yang diamati, atau dengan kata lain akurasi
instrument dipengaruhi oleh komponen-komponen pembentuknya.

17. INSTRUMENT UKUR

17

1.9. Latihan soal:
1. Jelaskan yang dimaksud dengan presisi, akurasi dan bias sesuai dengan terminology
‘sasaran tembak’ di atas!
2. Sebutkan 3 macam masukan instremen, kemudian beri penjelasan istilah-istilah tersebut
dan beri contoh!
3. Gambarkan blok instrument dan terangkan kegunaan/fungsi masing masing blok
tersebut?
4. Jelaskan teknik-teknik menghilangkan masukan yang tak diinginkan, dan beri
ilustrasinya!
5. Jelaskan mengapa energi untuk sinyal yang masuk ke instrument harus sekecil-kecilnya
dan semua energi sinyal yang sudah masuk tersebut sebaiknya disalurkan keluar.
6. Terangkan teknik mengecilkan energi masukan instrumen dan energi sinyal keluar agar
tersalur semua. Beri contoh ilustrasi untuk masalah ini.

18. INSTRUMENT UKUR

18


1.10. Daftar Pustaka
1. Bela G. Liptak & Kriszta Venczel, Proses Measurement INSTRUMENT ENGINEERS
Handbook, Chilton Book Company, Pennsylvania, 1969
2. J.P Holman, Metoda Pengukuran Teknik, (terjemahan: Ir.E.Jasjfi M.Sc), Erlangga,
Jakarta, 1984