Konsep dasar Pengukuran

Terminologi

Berbagai istilah penting yang diberikan disini adalah istilah-istilah yang di ambil dari standar International. Istilah-istilah tersebut kebanyakan mempunyai pengertian dan aplikasi khusus dibandingkan dengan difinisi umum yang terdapat dalam kamus,dengan demikian berbagai difinisi yang diberikan lebih ditekankan untuk memperjelas penggunaan atau memperlancar komunikasi dan kesamaan pengertian.

Metrologi ( Metrology )

Adalah disiplin ilmu yang mempelajari cara-cara pengukuran, kalibrasi dan akurasi di bidang industri, ilmu pengetahuan dan teknologi. Dalam dunia moderen metrologi berperan vital untuk melindungi konsumen dan memastikan barang-barang yang diproduksi memenuhi standar dimensi dan kualitas yang telah ditetapkan. Metrologi industri banyak berhubungan dengan pengukuran massa, volume, panjang, suhu, tegangan listrik, arus, keasaman, kelembapan dan besaran-besaran fisika maupun kimia lainya yang diperlukan dalam pengontrolan proses dan produksi oleh industri.

Instrumentasi

Bidang ilmu dan teknilogi yang mencakup perancangan, pembuatan, penggunaan instrumen/alat fisika atau sistem instrumen untuk keperluan deteksi, penelitian, pengukuran serta pengolahan data.

Pengukuran ( measurement )

Serangkaian kegiatan yang bertujuan untuk menentukan nilai suatu besaran dalam bentuk angka (kwantitatif). Jadi mengukur adalah suatu proses mengaitkan angka secara empirik dan obyektif pada sifat-sifat obyek atau kejadian nyata sehingga angka yang diperoleh tersebut dapat memberikan gambaran yang jelas mengenai obyek atau kejadian yang diukur.

Faktor Pembatas Untuk Pengukuran

Kecermatan (accuracy)

            Besarnya selisih sesuatu piranti menampilkan harga (variabel) yang sedang diukurnya, dibandingkan dengan harga sebenarnya.menunjukan deviasi penyimpangan terhadap masukan yang diketahui.

Akurasi pengukuran atau pembacaan adalah istilah yang sangat relatif. Akurasi didefinisikan sebagai beda atau kedekatan (closeness) antara nilai yang terbaca dari alat ukur dengan nilai sebenarnya. Dalam eksperiman, nilai sebenarnya yang tidak pernah diketahui diganti dengan suatu nilai standar yang diakui secara konvensional.

Secara umum akurasi sebuah alat ukur ditentukan dengan cara kalibrasi pada kondisi operasi tertentu dandapat diekspresikan dalam bentuk plus-minus atau presentasi dalam skala tertentu atau pada titik pengukuran yang spesifik. Semua alat ukur dapat diklasifikasikan dalam tingkat atau kelas yang berbeda-beda, tergantung pada akurasinya. Sedang akurasi dari sebuah sistem tergantung pada akurasi Individual elemen pengindra primer, elemen skunder dan alat manipulasi yang lain.

Setiap unit mempunyai kontribusi terisah dengan batas tertentu. Jika ± a1, = a2 dan ± a3 adalah batas akurasi individual, maka akurasi total dari sistem dapat diekspresikan dalam bentuk bawah akurasi seperti berikut : A = ± ( a1+ a2 + a3 )

Dalam hal tertentu nilai batas bawah akurasi total diatas mempunyai kelemahan, maka dalam praktek orang lebih sering menggunakan nilai akar kuadrat rata-rata untuk mendefinisikan nilai akurasi dari sebuah

sistem, yaitu : A = ± √ ( a1² + a2² + a3² )

 

Ketelitian (precision)

Ukuran mendapatkan hasil pengukuran yang serupa (setelah berulang-ulang) atau tingkat kesamaan (hasil pengukuran dalam sekelompok pengukuran atau sejumlah instrumen).

 

Presisi adalah istilah untuk menggambarkan tingkat kebebasan alat ukur dari kesalahan acak. Jika pengukuran individual Dilakukan berulang-ulang, maka sebran hasil pembacaan akan berubah-ubah disekitar nilai rata-ratanya. Bila Xn adalah nilai pengukuran ke n dan Xn adalah nilai rata-ratanya n pengukuran maka secara metematis, presisi dapat dinyatakan sebagai

Presisi tinggi dari alat ukur tidak mempunyai implikasi terhadap akurasi pengukuran. Alat ukur yang mempunyai presisi tinggi belum tentu alat ukur tersebut mempunyai akurasi tinggi. Akurasi rendah dari alat ukur yang mempunyai presisi tinggi pada umumnya disebabkan oleh bias dari pengukuran, yang bisa dihilangkan dengan kalibrasi.

Dua istilah yang mempunyai arti mirip dengan presisi adalah repeatability dan reproducibility. Repeability digunakan untuk menggambarkan kedekatan (closeness) keluaran pembacaan bila dimasukkan yang sama digunakan secara berulang-ulang pada periode waktu yang singkat pada kondisi dan lokasi pengukuran

yang sama, dan dengan alat ukur yang sama. Reproducibility digunakan untuk menggambar kedekatan (closeness) keluaran pembacaan bila masukan yang sama digunakan secara berulangulang.

Persamaan pada keduanya adalah menggambarkan sebaran keluaran pembacaan induvidual untuk masukan yang sama. Sebaran akan mengacu pada repeatability bila kondisi pengukurannya tetap, dan akan mengacu reproducibility kondisi pengukurannya berubah.

Derajat repeatability dan reproducibility dlm. pengukuran hanya merupakan alternatif untuk mengekspresikan presisi dari sebuah alat ukur.

Kekeliruan (error)

Kekeliruan terbagi menjadi dua bagian, yaitu kekeliruan sistematika dan kekeliruan acak.

Kekeliruan sistematika:

                        - Piranti ukur

                        - Metoda pengukuran

                        - Pelaksana (manusia)

Kekeliruan acak:

                        - Gangguan

                        - Kekeliruan baca

Penyimpangan pembacaan dari suatu input yang diketahui, dapat dihindari dengan cara kalibrasi

Istilah Dalam Pengukuran

Peneraan (Kalibrasi)

Memeriksa instrumen (perangkat) yang digunakan dengan suatu perangkat standar (acuan) guna mengurangi kesalahan dalam ketelitiannya.

Kemampubacaan (Readability)

Seberapa teliti skala suatu instrumen dapat dibaca (instrumen dengan skala 100 cm mempunyai readability lebih tinggi dibandingkan dengan instrumen berskala 50 cm).

Cacah Terkecil (Leastcount)

Beda antara terkecil antara dua penunjukan yang dapat dideteksi (dibaca) pada skala instrumen (bergantung jarak pembagian).

Daya Pindah (Resolution)

Perubahan terkecil daripada besaran yang diukur pada instrumen (alat ukur), yang mana instrumen masih memberikan tanggapan pada pengukuran

Kesalahan (Error)

Penyimpangan variabel (besaran) yang diukur dari harga sebenarnya.

Kepekaan (Sensitivity)

Kepekaan adalah perbandingan antara sinyal keluaran atau respon instrumen terhadap perubahan masukan atau variabel yang diukur.

Perbandingan pergerakan linier y dengan pergerakan variabel x            

 

Semakin sensitif alat maka kurva semakin mendatar, sedangkan semakin tidak sensitif alat maka kurva semakin tegak.

Hysteresis

Hysteresis adalah perbedaan pembacaan dikarenakan arah pendekatan pembacaan.

Pembacaan menurun berbeda dengan pembacaan naik.

Uncertainly

Uncertainly adalah besarnya error yang tidak bisa dikoreksi dengan kalibrasi.

Sebab-Sebab Ketidakpastian (Uncertainly) Adalah :

1.      Adanya NST (Nilai Skala Terkecil) yang ditimbulkan keterbatasan alat ukur.

2.      Adanya ketidakpastian bersistem (systematic error) yang menjadi penyebab pembacaan berulang-ulang mengandung kesalahan yang hampir sama (menjadi lebih kecil atau lebih besar)

3.      Kesalahan kalibrasi, pemberian nilai skala sewaktu alat diproduksi kurang tepat.

4.      Kesalahan titik nol, sebelum digunakan untuk mengukur alat tidak menunjukan pada titik nol.

5.      Kesalahan pegas, setelah lama digunakan pegas berubah kelenturannya .

6.      Gesekan pada bagian-bagian alat yang bergerak.

7.      Paralaks, arah pandang dalam hal membaca skala.

8.      Adanya ketidakpastian acak (random error),biasanya menuruti distribusi statik dan disebabkan oleh fluktuasi.

9.      Ketidakpastian acak diluar kendali pengamat.

10.  Keterbatasan keterampilan operator/pengamat, terutama pada alat yang rumit dan canggih.

Pengukuran yang akurat merupakan bagian penting dari semua jenis cabang ilmu, walaupun demikian tidak ada pengukuran yang benar-benar tepat. Ada ketidakpastian yang berhubungan dengan setiap pengukuran. Ketidakpastian muncul dari sumber yang berbeda. Di antara yang paling penting, selain kesalahan, adalah keterbatasan ketepatan setiap alat pengukur dan ketidakmampuan membaca sebuah alat ukur di luar batas bagian terkecil yang ditunjukkan. Misalnya anda memakai sebuah penggaris centimeter untuk mengukur lebar sebuah papan, hasilnya dapat dipastikan akurat sampai 0,1 cm, yaitu bagian terkecil pada penggaris tersebut. Alasannya, adalah sulit untuk memastikan suatu nilai di antara garis pembagi terkecil tersebut, dan penggaris itu sendiri mungkin tidak dibuat atau dikalibrasi sampai ketepatan yang lebih baik dari ini.

Op-Amp

Berikan contoh fungsi op-amp dalam rangkaian ?

Ø  Fungsi dari Op-amp adalah sebagai pengindra dan penguat sinyal masukan baik DC maupun AC juga sebagai penguat diferensiasi impedansi masukan tinggi, penguat tegangan penguatan tinggi dan penguat keluaran impedansi rendah. OpAmp banyak dimanfaatkan dalam peralatan-peralatan elektronik sebagai penguat, sensor dan masih banyak lagi.

Apa kelebihan dan kekurangan rangkaian penguat op-amp dan rangkaian penguat transistor?

Ø  Kelebihan Op Amp adalah komponen ini memiliki penguatan (A) yang sangat besar, Impedansi input yang besar, (Zin) dan Impedansi Output yang kecil (Zout). Selain dari itu, kemampuan interval frekuensi dari komponen ini sangat lebar.

Ø  Kerugian Op Amp adalah 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 berarti perubahan output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam waktu 1 us. Parameter CMRRAda satu parameter yang dinamakan CMRR (Commom Mode Rejection Ratio). Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut

Apa yang dimaksud dengan impedansi masukan, impedansi keluaran, dan penolakan offset secara eksternal maupun internal?

Ø  Impedansi masukan (input resistance) RI dari opamp adalah besar hambatan diantara kedua masukan op-amp. Secara ideal hambatan masukan op-amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, harga hambatan masukan op-amp adalah antara 5kOhm hingga 20 kOhm tergantung pada tipe op-amp. Harga ini biasanya diukur pada kondisi op-amp tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negative (negative feedback) diterapkan pada op-amp, maka hambatan masukan opamp akan meningkat. Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diterapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.

Ø  Impedansi keluaran (output resistance) RO dari op-amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat op-amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran RO op-amp adalah =0. Apabila hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran op-amp akan timbul pada beban keluaran (RL), sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan. Dalam kondisi praktis harga hambatan keluaran op-amp adalah antara beberapa Ohm hingga ratusan Ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.

Ø  Output offset voltage ( tegangan offset keluaran) adalah harga tegangan keluaran dari op-amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan Vid=0. secara ideal, harga VOO = 0Volt. Op-amp yang dapat memenuhi harga tsb disebut sebagai opamp dengan CMR (common mode Rejection) ideal.

Seberapa besar pengaruh umpan balik bagi op-amp dan apa yang dimaksud dengan umpan balik negative?

Ø  Umpan balik 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 Z_in = 10⁶ Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil.

Ø  Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan padanya seberti yang terlihat pada gambar 2.2. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:

A_VOL = Vo / Vid =  

Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran V_O berbeda fasa dengan tegangan masukan V_id. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran V_O jauh lebih besar daripada tegangan masukan V_id. Dalam kondisi praktis, harga A_VOL adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB). Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran V_O tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil.

Perancangan Sistem Saluran Drainase

Perancangan saluran drainase dilakukan dengan melihat kapasitas tampung maksimum saluran drainase ketika terjadi debit puncak. Perencanaan dapat dilakukan dengan menggunakan perhitungan penampang hidrolik terbaik berdasarkan bentuk saluran drainasenya. Beberapa parameter utama yang perlu dipertimbangan dan diketahui dalam perancangan saluran drainase, antara lain sebagai berikut :

Ø  Debit aliran (discharge rate)

Ø  Gradien hidrolik & tinggi muka air

Ø  Kecepatan aliran yang diperbolehkan (permissible)

Ø  Penampang melintang (cross section)

Ø  Koefisien kekasaran

Ø  Tepian bebas (freeboard)

·         Gradien Hidrolik

Gradien hidrolik tidak boleh terlalu kecil ataupun terlalu besar. Bila gradien kecil, maka cross-section (A) dibutuhkan untuk dapat menyalurkan aliran air (biaya penggalian yang besar). Nilai umumnya harus tidak kurang dari 5 – 10 cm/km, tetapi pada lahan datar nilai yang rendah mungkin harus digunakan sebagai tinggi (head) total yang tersedia diantara lahan dan pembuangan yang kecil dan sebagai aliran akan disalurkan ke bangunan air lainnya dalam sistem saluran yang ada (culvert, bridges).

Nilai yang tinggi untuk I, dilain pihak mengakibatkan terjadinya kecepatan aliran air yang sangat tinggi pada saluran yang akan mengakibatkan bahaya pengerusan pada dasar saluran dan erosi pada bagian dinding (bank) saluran. Bangunan air ”drop” dapat digunakan untuk mengatasi kelebihan head pada saluran yang memiliki slope yang curam.

Dalam praktek, garis grade hidrolik kadang sering mengikuti kemiringan dari lahan sesuai dengan arah aliran air. Juga pada kasus aliran sergam yang steady, maka kemiringan lahan, garis grade hidrolik dan kemiringan dasar salurannya dibuat secara pararel. Tinggi (head) kecepatan (v2/g dengan g = 9.8 m/detik2) pada saluran drainase umumnya dapat diabbaikan, sehingga garis grade hidrolik dan garis permukaan air dapat di asumsikan serupa.

Pada kondisi di atas, kedalaman air di bagian saluran dengan pertimbangan akan konstan dan permukaan air akan berada pada kedalaman konstan dibawah permukaan tanah.

·         Penampang Melintang

Pada kemiringan lahan yang curam, membutuhkan pengmanan pada saat penggalian saluran yang sesuai untuk menghindari kehilangan tanah oleh erosi. Side slope yang tidak dilindungi, umumnya tidak boleh lebih curam dari 1 : 2 untuk menghindarkan penggerusan yang serius pada dasar saluran.

Tabel 2. Batasan Untuk Kecepatan Aliran dan Side Slope pada Saluran Drainase

Maksimum yang diperbolehkan
Jenis Tanah	Rata-rata kecepatan aliran (m/detik)	Side               Slope
Pasir halus	0.15 – 0.30	1 : 2  3
Pasir kasar	0.20 – 0.50	1 : 1.5  3
Lempung	0.30 – 0.60	1 : 1.5  2
Liat berat	0.60 -0.80	1 :1  2
Catatan : Kecepatan tinggi dan side slope yang curam, digunakan saluran dengan                vegetasi yang dipelihara dengan baik

Side slope biasanya akan menjadi lebih stabil setelah ditumbuhi tanaman, tetapi perancangan harus berdasarkan kondisi awal setelah/selesai pekerjaan penggalian saluran. Faktor lain selain jenis tanahharus pula dipertimbangkan terjadinya lubang-lubang pada dinding saluran, kondisi seperti ini biasanya disarankan di terapkan pada side slope yang tidak curam (gentle), selain itu dengan menambah kedalaman saluran, khususnya untuk saluran yang memiliki fluktuasi tinggi permukaan air yang besar.

Tabel 3 Ratio B/D yang Direkomendasikan Untuk Saluran Trapezontal

Jenis saluran	Wter depth (d) dalam m	Ratio b/d
Saluran kecil	< 0.75	1 (liat) – 2 (pasir)
Saluran sedang	0.75 -1.50	2 -3
Saluran besar	> 1.50	>3 - 4

·         Km atau Kekasaran Manning

Koefisien kekasaran km harus dipahami sebagai proposionalkonstanta diantara rata-rata kecepatan aliran (v) dan kombinasi R2/3 I1/2. bila dilihat dari persamaan Manning C = Km R1/6 menunjukkan bahwa Km tidak hanya tergantung pada kekasaran dasar saluran, tetapi juga terhadap bentuk (shape) saluran yang ditunjukkan oleh parameter R. Walaupun begitu kekasran dasar saluran merupakan faktor yang paling penting dalam pengaruhnya, sehingga Km terutama tergantung pada jenis dari material dasar (bed) saluran dan tanaman yang tumbuh pada bed.

Tabel 1. Menentukan Nilai Km pada Perancangan Saluran Drainase

Deskripsi saluran	Nilai Km	(Nilai n)
a. Saluran kecil (d < 0.75 m) - Tanah berpasir - Tana berliat	20 15	(0.050) (0.065)
b. Saluran sedang (d0.75 – 1.50 m) - Tanah berpasir - Tanah berliat	30 20	(0.035) (0.050)
c. Saluran besar (d > 1.50 m)	40 – 50	(0.020 – 0.025)
D. Saluran semen lurus	60 - 80	(0.0125 – 0.017)

·         Kecepatan Aliran yang Diperbolehkan

Untuk aliran turbulen yang biasanya dikemukakan pada saluran drainase, terjadi daya tarik yang mendesak oleh adanya aliran air pada material dasar saluran yang proporsional dengan kuadrat dari rata-rata kecepatan aliran (V2). Ketika daya tarik bertambah, maka daya tersebut mulai mempengaruhi material dasar saluran partikel tanah mulai bergerak, sehingga gerakan air akan menyebabkan erosi (penggerusan) pada bagian dasar saluran.

Gerakan dari material dasar saluran yang berupa butiran non-kohesif, akan tertahan oleh gesakan, lama kelamaan meningkat bersamaan dengan berat dari partikel. Untuk keamanan, maka batas kecepatan aliran yang tidak menimbulkan erosi harus ditetapkan dengan dasar dari distribusi ukuran partikel dari material dasar saluran. Untuk material yang kohesif, yang ditemukan pada banyak saluran, tidak dijumpai hubungan yang langsung terhadap erosivity dan ukuran dari material dasr saluran, sehingga batas didasarkan pada pengalaman praktek di lapangan.

·         Desain dari Saluran Drainase

Didasarkan pada Steady Uniform Flow à discharge/debit dianggap kontan sepanjang waktu dan konstan sepanjang bagian/section panjang dari saluran yang dipilih. Dapat digunakan rumus Chezy & Manning :

v = C  R^1/2 I^1/2 Chezy, 1769.........................(1)

C = Km R^1/6 Manning, 1889.........................(2)

v = Km R^2/3 I ^½.........................(3)

Q = vA = Km R^2/3 I^½ A.........................(4)

Dimana :

v = kecepatan aliran (m/detik)

Q = Debit (m3/detik)

R = Radius Hidrolik (m)

I  = Gradient Hidrolik (m/m)

A = Area Pembasahan            (m2)

C = Koefisien Kekasaran Chezy (m^1/2/det)

Km= Koefisien Kekasaran Manning  (m^1/2/det)

Persamaan 3 dan 4 mengacu pada persamaan Chezy-Manning, sampai saat ini lebih dikenal sebagai Rumus Manning.