Pernah seseorang bertanya kepada seorang rakan sekerja tentang pekerjaannya. Dia menjawab tanpa teragak-agak, "Saya seorang jurutera instrumentasi dan kawalan."

"Dan apakah itu?" tanya orang yang ditemuinya.

"...Oh. Em ..." "Wah, sekarang saya dalam masalah," fikir jurutera itu.

 

Apakah Instrumentasi dan Kawalan?

Agak mudah untuk menerangkan tugas jurutera mekanikal, elektrik, kimia atau elektrik, tetapi lain pula halnya untuk menerangkan secara ringkas kerja yang dilakukan oleh jurutera yang mengkhusus dalam instrumentasi dan kawalan.

Instrumentasi dan kawalan ialah bidang antara disiplin. Bidang ini memerlukan pengetahuan tentang kimia, mekanik, elektrik dan kemagnetan, elektronik, mikropengawal dan mikropemproses, bahasa perisian, kawalan proses dan banyak lagi, seperti prinsip pneumatik dan hidraulik serta komunikasi.

Inilah yang menjadikan instrumentasi dan kawalan begitu menarik dan mendidik.

Dalam artikel ini, saya akan memberikan gambaran keseluruhan yang lengkap tentang prinsip asas instrumentasi dan kawalan (I & C) yang digunakan untuk memastikan fungsi dan operasi loji perindustrian seperti loji minyak dan gas, pulpa dan kertas, gula, produk farmaseutikal, makanan dan bahan kimia.

Pertama sekali, kita perlu membincangkan cara mengukur. Untuk berbuat demikian, kita memerlukan alat pengukuran.

 

Apakah Alat Pengukuran?

Alat pengukuran ialah peranti yang mampu mengesan perubahan, sama ada fizikal atau sebaliknya, dalam proses tertentu. Alat ini kemudiannya menukarkan perubahan fizikal tersebut kepada suatu bentuk maklumat yang boleh difahami oleh pengguna.

Mari kita lihat contoh dalam Rajah 1.

 

Rajah 1. Contoh alat pengukuran.

 

Apabila suis ditutup, perintang menghasilkan haba, lalu meningkatkan suhu cecair di dalam tangki. Peningkatan ini dikesan oleh alat pengukuran dan ditunjukkan pada skala alat tersebut.

Kita boleh mendapatkan maklumat tentang perubahan fizikal dalam sesuatu proses melalui petunjukan langsung atau perakam.

 

Petunjukan

Ini ialah bentuk pengukuran yang paling mudah; ia membolehkan kita mengetahui keadaan semasa pemboleh ubah tersebut.

 

Rajah 2. Memantau pemboleh ubah melalui penunjuk visual ringkas.

 

Perakam

Peranti yang boleh menyimpan data membolehkan kita memerhatikan keadaan semasa pemboleh ubah dan kelakuannya pada masa lalu. Perakam memberikan kita sejarah pemboleh ubah tersebut.

 

Rajah 3. Paparan yang menunjukkan perubahan ukuran dari semasa ke semasa.

 

Komponen Alat Pengukuran

Alat pengukuran terutamanya terdiri daripada bahagian-bahagian berikut:

• Sensor: Elemen ini ialah peranti yang mengalami perubahan pada sifat fizikalnya akibat perubahan dalam proses yang diukurnya.
• Penguat / Pengondisi: Perubahan yang dikesan oleh sensor mungkin sangat kecil, jadi perubahan tersebut perlu dikuatkan dan kemudiannya dikondisikan supaya dapat dipaparkan dengan betul.
• Paparan: Data yang diukur hendaklah dipersembahkan dengan cara yang mudah difahami. Hal ini boleh dilakukan menggunakan instrumen berskala atau paparan elektronik. Kadangkala paparan juga berfungsi sebagai perakam untuk menyampaikan sejarah atau trend pengukuran.

 

Rajah 4. Elemen-elemen instrumen pengukuran.

 

Biasanya, maklumat pengukuran yang dijana oleh instrumen perlu dihantar ke pusat kawalan (atau bilik kawalan) yang terletak jauh secara fizikal daripada instrumen tersebut. Secara umum, maklumat ini mestilah mematuhi spesifikasi yang ditetapkan.

 

Rajah 5. Maklumat pengukuran dihantar dari instrumen ke bilik kawalan.

 

Apabila sesuatu instrumen mempunyai keupayaan untuk menghantar maklumat, kita memanggilnya pemancar (sering disingkatkan sebagai XMTR).

 

Pengelasan Instrumen

Terdapat pelbagai pengelasan bagi instrumen pengukuran. Sebagai contoh, kita boleh mengelaskannya sebagai instrumen lapangan atau instrumen panel. Instrumen lapangan dipasang berdekatan dengan proses atau titik pengukuran. Instrumen ini mestilah kukuh secara fizikal jika terdedah kepada keadaan persekitaran yang mencabar. Instrumen panel berada di dalam bilik dengan persekitaran terkawal (selalunya ruang bersih dengan penyaman udara dan kelembapan terkawal).

Satu lagi pengelasan ialah instrumen pneumatik berbanding instrumen elektrik/elektronik.

 

Instrumen Pneumatik

Seperti yang ditunjukkan oleh namanya, peranti ini dikuasakan oleh udara.

Salah satu kelebihan instrumen ini ialah ia tidak menggunakan elektrik, jadi ia boleh digunakan di kawasan yang berbahaya atau menyusahkan untuk menggunakan kuasa elektrik. Instrumen ini berfungsi dengan satu pemboleh ubah, kurang tepat, terjejas oleh getaran dan perubahan suhu, serta memerlukan penyelenggaraan yang tinggi. Isyarat output pemancar adalah antara 3 hingga 15 psi, dan jarak penghantaran maksimum adalah kira-kira 200 meter.

 

Rajah 6. Gambar rajah asas instrumen pneumatik.

 

Instrumen Elektrik / Elektronik

Instrumen elektronik boleh dibahagikan kepada tiga kategori umum: analog, analog pintar dan digital.

 

Peranti Analog:

• Isyarat output: 4 - 20 mA
• Jarak penghantaran: 1200 m (biasa)
• Data untuk satu pemboleh ubah dihantar
• Ketepatan yang baik
• Mudah diselenggara

 

Rajah 7. Gambar rajah asas instrumen elektronik (XMTR).

 

Peranti Analog "Pintar":

• Pencirian sensor sebagai pengukur suhu, tekanan statik dan sebagainya
• Ketepatan yang sangat baik
• Diagnosis kendiri (iaitu, sensor boleh menganalisis masalah dalam fungsinya sendiri)
• Satu pemboleh ubah

 

Peranti Digital:

• Pelbagai instrumen boleh menggunakan satu kabel
• Penghantaran pelbagai nilai bagi setiap instrumen (pemboleh ubah proses, penentukuran, diagnostik, julat)
• Jarak: kira-kira 1900 m tanpa pengulang
• Kapasiti data dipengaruhi oleh mod penghantaran (kabel, gentian optik, tanpa wayar)

 

Rajah 8. Pemancar digital.

 

Spesifikasi Umum Sensor

Julat: Kawasan antara had yang merangkumi julat pengukuran sesuatu pemboleh ubah. Julat menunjukkan nilai minimum dan maksimum yang mengehadkan kawasan tersebut. Julat dinyatakan dengan dua nombor, contohnya, 10 hingga 20 °C, 10 hingga 150 V, 0 hingga 100%

Rentang: Dikira sebagai nilai maksimum julat ditolak nilai minimum julat. Rentang dinyatakan dengan satu nombor dalam unit proses, contohnya, 120 °C, 30 V, 150 liter sesaat.

Kenaikan: Jika had bawah julat ialah nilai positif, had bawah ini ialah kenaikan. Contoh: Jika julat ialah 50 °C hingga 200 °C, kita boleh mengatakan bahawa kenaikan ialah 50 °C atau 33.3% daripada rentang.

Penurunan (juga disebut penindasan): Jika had bawah julat adalah negatif, nilai mutlak had bawah ini ialah penurunan. Contoh: Jika julat ialah -10 °C hingga 80 °C, kita boleh mengatakan bahawa penurunan ialah 10 °C atau 11.1% daripada rentang.

Lebihan julat: Apabila peranti ditentukur untuk beroperasi dalam julat tertentu tetapi mungkin terdedah kepada nilai yang melebihi atau kurang daripada julat tersebut, peranti itu memerlukan mekanisme perlindungan untuk mencegah kerosakan pada instrumen atau menghalang penunjuk daripada melebihi had atas atau bawahnya. Apabila nilai yang diukur melebihi nilai maksimum, kita mempunyai lebihan julat positif. Apabila nilai yang diukur kurang daripada nilai minimum, kita mempunyai lebihan julat negatif.

 

Rajah 9. Contoh julat, rentang, kenaikan dan penurunan.

 

Ralat: Perbezaan antara nilai yang diukur dengan nilai sebenar (atau dijangka atau dikehendaki) bagi pemboleh ubah fizikal. Ralat boleh positif atau negatif. Apabila nilai yang diukur lebih besar daripada nilai sebenar, ralat adalah positif. Apabila nilai yang diukur lebih kecil daripada nilai sebenar, ralat adalah negatif.

                        Jika nilai diukur > nilai sebenar, ralat > 0

                        Jika nilai diukur < nilai sebenar, ralat < 0

Ralat boleh dinyatakan

• dalam unit kejuruteraan (contohnya, °C, psi)
• sebagai peratusan daripada span (contohnya, +/- 3% daripada span)
• sebagai peratusan daripada pengukuran (contohnya, +/- 5% daripada pengukuran)

Nilai rujukan: Secara umum, ini merujuk kepada nilai sebenar, yang dijangka atau yang dikehendaki bagi sesuatu pemboleh ubah. Dalam konteks sistem kawalan maklum balas, nilai yang diukur dihantar semula dan ditolak daripada nilai rujukan untuk menjana isyarat ralat.

Ketepatan: Nombor yang mentakrifkan had ralat. Apabila kita mengatakan bahawa sesebuah instrumen mempunyai ketepatan sebanyak 0.1% daripada span, ini bermaksud bahawa di mana-mana sahaja dalam julat tersebut, bacaan tidak berbeza daripada nilai sebenar melebihi 0.1% daripada span.

 

Contoh Pengukuran Proses

Untuk memahami konsep yang dinyatakan di atas dengan lebih baik, pertimbangkan contoh berikut.

Kita mempunyai tangki minyak yang suhunya perlu diukur secara berterusan. Keadaan operasi bagi proses ini adalah seperti berikut:

• Suhu minimum: -10 °C
• Suhu maksimum: 90 °C
• Ketepatan pengukuran mestilah 1% daripada span atau lebih baik
• Pengukuran suhu mesti dipaparkan secara setempat dan dari jauh

 

Rajah 10. Sistem contoh kita.

 

Pertama, kita mesti memilih instrumen pengukuran yang membolehkan kita mengukur suhu cecair di dalam tangki. Oleh sebab maklumat tersebut perlu tersedia secara setempat dan dari jauh, kita akan memilih pemancar suhu.

Pemancar ini mesti mempunyai ciri-ciri berikut:

• Julat: -10 °C hingga 90 °C
• Span: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Penurunan: 10 °C atau 10% daripada span
• Ketepatan: 1% daripada span = 1% × 100 °C = 1 °C
  • Ketepatan sebanyak 1% ini memastikan bahawa, bagi setiap pengukuran atau bacaan suhu, variasi atau ralat tidak akan melebihi +/- 1 °C

Sebagai tambahan, kita mesti memastikan hubungan yang betul antara julat dan output pemancar piawai. Untuk menentukur instrumen, kita mesti mengaitkan nilai minimum julat (-10 °C) dengan nilai minimum output (4 mA), dan nilai maksimum julat (90 °C) dengan nilai maksimum output (20 mA).

 

Kesimpulan

Dalam artikel ini, kita telah membincangkan peranti pengukuran dan konsep asas pengukuran dalam konteks sistem instrumentasi dan kawalan. Kita juga melihat contoh sistem mudah yang melibatkan elemen pemanas dan instrumen yang boleh mengumpul serta menghantar data suhu. Dalam artikel seterusnya, kita akan membincangkan empat pemboleh ubah asas yang digunakan dalam aplikasi industri: aliran, aras, suhu dan tekanan. Selain itu, kita akan membincangkan pelbagai sensor seperti plat orifis, termokopel dan RTD, serta mengulas instrumen dan pemancar yang digunakan untuk mengukur empat pemboleh ubah fizikal ini.