Sensor proses dan transmiter: suhu, tekanan, level, aliran, dan loop 4–20 mA

Di ruang mesin laundry komersial, layar pengendali menampilkan angka −50 °C untuk suhu air cuci yang seharusnya berada di 60 °C. Mesin berhenti. Teknisi memeriksa elemen pemanas dan mendapati semuanya baik. Ternyata masalahnya bukan di pemanas, melainkan di kabel loop sensor yang terputus di dalam klem kabel yang lembap. Loop arus 4–20 mA membawa 0 mA, dan pengendali menerjemahkannya sebagai nilai di bawah skala terendah. Memahami cara kerja sensor, transmiter, dan loop arus analog membuat akar masalah semacam ini ditemukan dengan pengukuran, bukan dengan mengganti komponen satu per satu.

Bab sensor diskret membahas sinyal ya/tidak: sakelar yang berpindah ketika benda atau ambang terdeteksi. Bab kendali pompa, pemanas, dan proses memakai sakelar tekanan, pelampung, dan termostat sebagai kontak di rangkaian kendali. Di sini sinyalnya besaran terus-menerus yang mewakili nilai fisik dalam rentang tertentu. Pengendalian suhu air, level cairan, dan tekanan pada mesin cuci atau pengering memerlukan sensor analog yang mengubah besaran fisik menjadi sinyal listrik, lalu transmiter yang mengondisikan sinyal itu menjadi arus 4–20 mA supaya dapat dikirim melalui kabel panjang ke masukan analog PLC atau pengendali proses. Pemetaan linear dua titik dan pengondisian sinyal sudah dibahas di Bab 2 dan tidak diulang.

Batas pembahasan

Cakupannya sensor dan transmiter untuk tekanan rendah sampai menengah (di bawah 100 bar) dan suhu proses laundry dan industri ringan, sekitar −50 °C sampai 200 °C, serta loop 4–20 mA sebagai sinyal DC analog. Komunikasi digital (HART, fieldbus) tidak dibahas. Kalibrasi dan ketertelusuran dibahas pada bab kalibrasi instrumen, sedangkan konfigurasi modul masukan analog, penskalaan ke satuan teknik di PLC, dan PID dibahas pada bab PLC lanjutan. Simbol dan tanda instrumen di P&ID mengikuti ISA-5.1 (edisi terbaru ANSI/ISA-5.1-2024), dan cara membacanya ada di bab membaca P&ID, wiring, dan diagram teknis. Sensor gas, getaran, dan akustik tidak dibahas. Pemasangan dan pelepasan sensor pada sistem air panas atau bertekanan adalah pekerjaan personel kompeten dengan prosedur isolasi, bukan instruksi kerja di sini.

Sensor suhu: RTD, termokopel, dan termistor

Detektor suhu resistansi (resistance temperature detector, RTD) memanfaatkan perubahan resistansi logam terhadap suhu. Jenis paling umum adalah Pt100, elemen platina dengan resistansi 100 Ω pada 0 °C. IEC 60751:2022 (Ed. 3.0) berlaku untuk rentang −200 °C sampai +850 °C dan menetapkan hubungan resistansi-suhu dengan persamaan Callendar-Van Dusen:

$$R(t) = R_0\left(1 + A\,t + B\,t^2\right) \quad (0 \le t \le 850\ ^\circ\text{C})$$$$R(t) = R_0\left[1 + A\,t + B\,t^2 + C\,(t - 100)\,t^3\right] \quad (-200 \le t < 0\ ^\circ\text{C})$$

dengan $R_0$ resistansi pada 0 °C (Ω), $t$ suhu (°C), $A = 3{,}9083 \times 10^{-3}$ °C⁻¹, $B = -5{,}775 \times 10^{-7}$ °C⁻², dan $C = -4{,}183 \times 10^{-12}$ °C⁻⁴. Untuk Pt100, hitungan memberi 109,73 Ω pada 25 °C, 123,24 Ω pada 60 °C, dan 138,51 Ω pada 100 °C; pada −50 °C suku $C$ ikut dihitung dan hasilnya 80,31 Ω. Kepekaannya sekitar 0,38 Ω per kelvin di sekitar 60 °C. Toleransi kelas B adalah $\pm(0{,}3 + 0{,}005\,|t|)$ °C, yaitu ±0,6 °C pada 60 °C, dan standar yang sama meminta sambungan 3 atau 4 kawat untuk kelas yang lebih baik dari B, dengan 4 kawat dianjurkan.

RTD 2 kawat hanya cocok untuk kabel pendek karena resistansi kabel ikut terukur. RTD 3 kawat mengompensasi resistansi kabel dengan anggapan ketiga kawat sama panjang dan sama resistansinya, sehingga yang tersisa hanya selisihnya. RTD 4 kawat mengalirkan arus ukur melalui sepasang kawat dan mengukur tegangan melalui pasangan lain, sehingga resistansi kawat tidak memengaruhi hasil. Tabel berikut memakai kabel tembaga 0,5 mm² sepanjang 20 m (ilustrasi, $\rho = 0{,}0178$ Ω·mm²/m).

Termokopel bekerja berdasarkan efek Seebeck: dua logam berbeda yang disambung menghasilkan tegangan termoelektrik yang bergantung pada beda suhu kedua ujungnya. IEC 60584-1:2013 (Ed. 3.0) menetapkan fungsi acuan dan toleransi tipe huruf, termasuk J (besi/tembaga-nikel) dan K (nikel-kromium/nikel-aluminium) yang paling umum di industri ringan. Antara 0 dan 100 °C, tipe K menghasilkan sekitar 41 µV/°C dan tipe J sekitar 53 µV/°C, sehingga sinyalnya harus diperkuat dan dikompensasi. Kabel perpanjangan atau kabel kompensasi harus sesuai tipenya; kabel tembaga biasa membentuk sambungan baru di terminal.

Kompensasi sambungan dingin (cold junction compensation) diperlukan karena tegangan termokopel mewakili selisih suhu ujung panas (di proses) dan ujung dingin (di terminal pengukur). Transmiter mengukur suhu terminal dengan sensor internal lalu menambahkan koreksi secara elektronik. Tanpa kompensasi, termokopel K di air 60 °C dengan terminal bersuhu 30 °C memberi $2{,}436 - 1{,}203 = 1{,}233$ mV, yang terbaca sekitar 31 °C, bukan 60 °C, dan pembacaannya bergeser setiap kali suhu ruang panel berubah.

Termistor adalah resistor semikonduktor dengan koefisien suhu besar. Termistor NTC (negative temperature coefficient) resistansinya turun tajam ketika suhu naik; rentangnya lebih sempit dari RTD, biasanya −50 °C sampai 150 °C, tetapi kepekaannya jauh lebih tinggi, sehingga banyak dipakai sebagai sensor suhu air dan udara pada peralatan. Perlindungan termal belitan motor memakai termistor PTC yang resistansinya naik tajam di suhu tanggapnya, seperti dibahas di bab proteksi motor. Kurva NTC tidak distandarkan seperti Pt100 dan bergantung pada pabrikan, sehingga penggantinya harus berspesifikasi sama persis.

Tekanan: sensor, transmiter, dan pipa impuls

Sensor tekanan mengubah defleksi membran menjadi sinyal listrik, umumnya dengan pengukur regangan (strain gauge) yang terpasang pada membran. Resistansi pengukur regangan berubah sebanding dengan regangan, dan perubahannya dideteksi rangkaian jembatan Wheatstone di dalam sensor. Transmiter tekanan mengondisikan sinyal jembatan, mengompensasi suhu, dan menghasilkan arus 4–20 mA yang sebanding dengan tekanan dalam rentang yang dikonfigurasi. Silabus instrumentasi korpus melatih uji transmiter tekanan dengan catu daya, miliampermeter, dan sumber tekanan.

Pipa impuls menghubungkan titik ukur pada pipa proses ke transmiter. Pada media panas, pipa impuls mendinginkan media sebelum mencapai membran; pada uap, pengukur dipasang dengan sifon supaya membran bertemu kondensat, bukan uap. Pipa impuls dipasang dengan kemiringan yang benar supaya tidak terjadi kantong udara pada media cair atau kantong cairan pada media gas, yang menggeser pembacaan. Pemasangan dan pelepasan pipa impuls pada sistem bertekanan hanya dilakukan setelah tekanan dilepaskan dan suhu turun ke keadaan aman.

Level: hidrostatik, pelampung, konduktif, dan ultrasonik

Metode hidrostatik mengukur tekanan kolom cairan di atas sensor dengan rumus yang sama seperti sakelar tekanan level di bab kendali proses:

$$p = \rho\,g\,h$$

dengan $p$ tekanan di atas atmosfer (Pa), $\rho$ massa jenis cairan (kg/m³), $g = 9{,}81$ m/s², dan $h$ tinggi kolom (m). Level air 1,2 m memberi 11,77 kPa (117,7 mbar). Tinggi cairan dapat dihitung dari tekanan bila massa jenis diketahui dan tetap; larutan kimia yang lebih pekat membaca level lebih tinggi dari sebenarnya. Metode ini sederhana untuk tangki terbuka; pada tangki tertutup bertekanan diperlukan pengukuran tekanan diferensial.

Pelampung mengikuti permukaan cairan secara mekanis dan dapat menggerakkan potensiometer atau sensor posisi yang memberi sinyal sebanding. Metode ini andal tetapi rentan tersangkut serat atau endapan. Elektrode konduktif memakai konduktivitas cairan untuk mendeteksi ada tidaknya cairan pada titik tertentu; keluarannya diskret, dan relai level elektrode sudah dibahas di bab relai waktu, dan arah kegagalannya di bab kendali proses.

Sensor ultrasonik memancarkan pulsa suara ke permukaan cairan dan mengukur waktu tempuh pantulannya:

$$d = \frac{v\,t}{2}, \qquad v \approx 331{,}3 + 0{,}606\,T_\text{u}$$

dengan $d$ jarak ke permukaan (m), $v$ kecepatan suara di udara (m/s), $t$ waktu pulang-pergi (s), dan $T_\text{u}$ suhu udara (°C). Pada 20 °C, $v \approx 343$ m/s. Sensor tidak bersentuhan dengan cairan sehingga cocok untuk cairan korosif. Kelemahannya kecepatan suara yang berubah dengan suhu udara di atas tangki: sensor yang menganggap 20 °C padahal udara di atas tangki air panas 45 °C (358,6 m/s) membaca jarak sekitar 4 % terlalu pendek, sehingga sensor memerlukan kompensasi suhu.

Aliran: meter mekanis, elektromagnetik, dan pulsa ke penghitung

Meter air mekanis jenis turbin atau baling-baling (impeller) mengubah kecepatan aliran menjadi putaran rotor. Sakelar buluh (reed switch) atau sensor Hall menghasilkan satu pulsa setiap volume tertentu, dan penghitung (counter) PLC menjumlahkan pulsa itu:

$$Q = \frac{n\,k}{\Delta t}$$

dengan $Q$ laju aliran (L/s), $n$ jumlah pulsa dalam selang $\Delta t$ (s), dan $k$ volume per pulsa (L). Meter elektromagnetik (electromagnetic flowmeter) mengukur tegangan yang diinduksikan pada cairan konduktif yang bergerak dalam medan magnet menurut hukum Faraday. Tegangan itu sebanding dengan kecepatan aliran dan tidak bergantung pada viskositas atau massa jenis, tetapi cairannya harus melampaui konduktivitas minimum dari pabrikan; air demineral atau kondensat dapat berada di bawah batas itu.

Loop 4–20 mA: prinsip, konfigurasi kawat, dan catu daya

Loop arus 4–20 mA adalah cara baku industri untuk mengirim sinyal analog proses jarak jauh; IEC 60381-1:1982 (Ed. 2.0) mengatur sinyal arus searah analog untuk sistem kendali proses. Arus, bukan tegangan, yang membawa informasi. Arus dalam lingkar seri sama di setiap titik, sehingga susut tegangan pada kabel ratusan meter tidak mengubah pembacaan selama tegangan catu masih cukup. Titik nol yang hidup (live zero) 4 mA memberi daya kepada transmiter 2 kawat pada ujung bawah skala dan membuat kabel putus (0 mA) berbeda dari nilai proses terendah.

Catu loop umumnya 24 V DC. Transmiter 2 kawat memerlukan tegangan minimum di terminalnya. Beban loop (loop burden) adalah jumlah resistansi yang dilalui arus: resistor masukan modul PLC, resistansi kabel pergi-pulang, dan alat lain yang disisipkan seri. Syarat operasinya:

$$V_\text{catu} - I_\text{maks}\,R_\text{beban} \ge V_\text{tx,min} \quad\Rightarrow\quad R_\text{beban,maks} = \frac{V_\text{catu} - V_\text{tx,min}}{I_\text{maks}}$$

dengan $V_\text{catu}$ tegangan catu (V), $V_\text{tx,min}$ tegangan minimum transmiter (V), $R_\text{beban}$ beban loop (Ω), dan $I_\text{maks}$ arus terbesar yang harus dapat dialirkan (A). $I_\text{maks}$ bukan 20 mA: transmiter yang memberi sinyal kegagalan atas harus dapat mengalirkan sekurangnya 21 mA, dan lembar datanya menyebut arus untuk hitungan ini. Dengan catu 24 V, tegangan minimum 12 V, dan 21 mA, beban maksimum $(24 - 12)/0{,}021 = 571$ Ω. Kabel 50 Ω dan resistor modul 250 Ω memberi 300 Ω, masih di bawah batas. Sebagian transmiter memakai arus alarm atas lebih tinggi, misalnya 22,5 mA menurut contoh pada ringkasan sekunder yang sama, sehingga batas beban turun menjadi $(24 - 12)/0{,}0225 = 533$ Ω.

Arti sinyal batas: NAMUR NE 43. Rekomendasi NAMUR NE 43, revisi 26 Juli 2021, membakukan tingkat sinyal kegagalan pada keluaran arus transmiter digital. Menurut ringkasan sekunder, informasi pengukuran berada di 3,8–20,5 mA: di luar 4–20 mA sinyal hanya jenuh sampai batas itu ketika nilai proses melewati rentang. Sinyal kegagalan adalah 3,6 mA atau kurang, atau 21 mA atau lebih, dan celah 3,6–3,8 mA serta 20,5–21 mA memisahkan keduanya. Arus 3,6 mA atau kurang dapat berarti transmiter melaporkan kegagalan sensor dengan arah bawah, atau loop putus atau catu hilang bila arusnya 0 mA. Arus 21 mA atau lebih dapat berarti transmiter melaporkan kegagalan dengan arah atas, atau kabel loop terhubung singkat sehingga arus hanya dibatasi resistor beban. Pengendali yang dikonfigurasi mengenali NE 43 menampilkan alarm alat ukur, bukan nilai proses palsu.

Mengukur arus loop

Tanpa memutus loop. Tang miliampere DC memungkinkan pengukuran arus loop tanpa memutus rangkaian, sehingga sinyal proses tidak terganggu. Rahang tang mengelilingi satu konduktor loop saja, karena tang membaca jumlah aljabar arus di dalam rahang, seperti dijelaskan di bab tang ampere; tang efek Hall dinolkan dulu dengan rahang tertutup tanpa konduktor. Akurasi ±0,1 mA (ilustrasi) sudah cukup untuk membedakan rentang normal dari zona gangguan NE 43.

Dengan memutus loop. Bila tang mA tidak tersedia, arus diukur dengan multimeter pada fungsi mA DC yang disisipkan seri setelah loop dibuka di terminal panel. Memutus loop membuat pengendali menerima sinyal tidak sah, sehingga sebelum membuka loop pengendali dipindah ke mode manual supaya katup atau pemanas tidak merespons. Resistansi shunt terminal mA ikut menambah beban loop. Setelah pengukuran, loop disambung kembali dan pengendali dikembalikan ke mode otomatis.

Walaupun loop 24 V DC termasuk tegangan ekstra rendah, panel tempat terminalnya berada umumnya juga berisi sirkit 230/400 V. Pengukuran pada panel yang bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD. Urutannya:

1. Pastikan proses dan peralatan dalam keadaan aman untuk diukur dan pengendali di mode manual bila loop akan dibuka.
2. Pilih tang mA bila sinyal tidak boleh terputus, atau multimeter seri bila tang tidak tersedia.
3. Jepit satu konduktor saja, atau sisipkan meter seri pada terminal yang benar.
4. Bandingkan hasil dengan arus yang diharapkan dan dengan batas NE 43.

Kabel sinyal: pelindung, pembumian, dan pemisahan

Kabel sinyal analog rentan terhadap gangguan elektromagnetik yang menggeser arus loop, sehingga pemasangannya dinilai dari sisi kompatibilitas elektromagnetik (EMC). Kabel berpelindung memakai foil atau anyaman logam yang menyelubungi konduktor sinyal, sehingga medan listrik gangguan berakhir di pelindung dan arus gangguannya mengalir ke pembumian, bukan ke konduktor sinyal. Untuk loop 4–20 mA dan sinyal milivolt, pelindung lazim dibumikan di satu sisi saja, biasanya di panel pengendali, dan ujung di sisi sensor diinsulasi. Alasannya: bila kedua ujung dibumikan di titik yang potensialnya berbeda, arus 50 Hz mengalir di pelindung dan mengganggu sinyal. PUIL 2020 444.4.2 memberi arah yang tampak berlawanan: selubung logam kabel sebaiknya diikat ke jaringan ikatan bersama, arus gangguan dari sistem daya yang mengalir di skrin sebaiknya dibatasi, misalnya dengan konduktor ikatan pintas di sepanjang kabel, dan kabel sinyal dipakai menurut persyaratan EMC pabrikan. Pembumian kedua ujung lebih efektif untuk gangguan frekuensi tinggi dan hanya aman bila ikatan ekuipotensialnya baik; kabel VFD berpelindung dengan terminasi 360° di kedua ujung dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin dan bab instalasi VFD. Jadi aturan satu sisi adalah titik awal untuk sinyal frekuensi rendah, dan pilihan akhirnya mengikuti petunjuk pabrikan transmiter dan modul masukan.

Pemisahan dari kabel daya punya dua dasar. Dasar keselamatan: PUIL 2020 528.1 melarang sirkit rentang tegangan I, termasuk kabel sensor 24 V, berada dalam sistem perkawatan yang sama dengan sirkit rentang II (230/400 V), kecuali memakai salah satu cara yang disebut klausul itu, misalnya partisi pemisah atau konduit dan talang terpisah. Dasar EMC: 444.4.2 d) menganjurkan kabel daya dan sinyal dijaga terpisah dan, bila dapat, bersilangan tegak lurus. Jarak pisah 200/150/100/0 mm di Tabel 444.1 ditujukan untuk kabel teknologi informasi dan komunikasi dan tidak berlaku langsung untuk kabel sensor analog, seperti dicatat di bab pemasangan sistem perkawatan. PUIL 2020 tidak memberi angka jarak untuk kabel sensor analog; angka diambil dari petunjuk pabrikan transmiter atau modul masukan, dan wadah logam memberi proteksi EMI tambahan bila dipasang dengan benar (444.7.1). Kabel sinyal dijauhkan terutama dari kabel motor, kabel VFD, dan kabel pemanas yang disakelar, atau dipasang dalam konduit logam yang tersambung ke ikatan ekuipotensial. Kode referensinya mengikuti IEC 81346-2: misalnya -W1 kabel daya, -W2 kabel sinyal analog, dengan label di kedua ujung pada terminal -X1, -X2, dan seterusnya.

Contoh kerja: layar membaca −50 °C

Data (ilustrasi). Mesin cuci komersial menampilkan suhu air −50 °C, padahal air di bak panas. Sensor Pt100 3 kawat tersambung ke transmiter suhu 2 kawat -B1 di kepala sensor, yang dikonfigurasi untuk −50 °C sampai 150 °C pada 4–20 mA dan disetel melaporkan kegagalan sensor dengan arah bawah. PLC -K1 membaca arus melalui modul masukan analog dengan resistor 250 Ω dan menampilkan nilai yang dipotong pada batas skala. Catu loop -T1 24 V DC. Kabel loop -W2 menghubungkan terminal panel -X2 ke kepala sensor.

Langkah 1: arus yang diharapkan. Dengan pemetaan linear dua titik dari Bab 2,

$$I = I_\text{min} + \frac{T - T_\text{min}}{T_\text{maks} - T_\text{min}}\,(I_\text{maks} - I_\text{min})$$

Kepekaan $16/200 = 0{,}08$ mA/°C. Untuk air 60 °C, $I = 4 + (110/200) \times 16 = 12{,}8$ mA, dan tegangan di resistor 250 Ω $= 0{,}0128 \times 250 = 3{,}2$ V. Elemen Pt100 pada 60 °C seharusnya 123,24 Ω.

Langkah 2: apa arti −50 °C. Nilai −50 °C adalah ujung bawah skala, yang bersesuaian dengan tepat 4 mA. Karena PLC memotong tampilan, setiap arus di bawah 4 mA juga tampil −50 °C. Tanpa pemotongan, 3,6 mA akan terbaca $-50 + (3{,}6 - 4)/0{,}08 = -55$ °C dan 0 mA terbaca −100 °C. Layar hanya mengatakan arus ≤ 4 mA; arus sebenarnya harus diukur.

Langkah 3: ukur, lalu pisahkan kemungkinannya. Oleh personel kompeten, dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, arus diukur dengan tang mA pada satu konduktor -W2 di panel.

Celah 3,6–3,8 mA hanya 0,2 mA. Bila bacaan tang berada di celah itu, arus dipastikan dengan tegangan pada resistor 250 Ω (3,6 mA = 0,90 V; 3,8 mA = 0,95 V) atau dengan meter seri.

Langkah 4: temuan. Arus terbaca 0 mA dan tegangan -T1 di panel 24 V, sehingga catu sehat dan lingkarnya terbuka. Setelah sirkit diisolasi menurut prosedur Bab 2 · Keselamatan dan loop dilepas di -X2, resistansi tiap inti -W2 diukur dari panel ke kepala sensor: satu inti terbuka. Kabel ternyata putus di dalam klem yang terkena uap air berbulan-bulan. Pt100 terukur 123,2 Ω, sesuai air sekitar 60 °C (123,24 Ω), sehingga sensor sehat. Segmen kabel diganti dan klem dipasang dengan benar; arus kembali 12,8 mA dan layar 60 °C. Bila transmiter perlu diuji terpisah, uji dilakukan di meja dengan catu, resistor beban, dan miliampermeter seri, seperti latihan uji transmiter di silabus korpus.

Kesimpulan. Angka di layar tidak membedakan kabel putus, catu hilang, sensor rusak, dan konfigurasi salah. Arus loop membedakannya dalam satu pengukuran, dan NE 43 membuat perbedaan antara 0 mA dan 3,6 mA bermakna.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Pengukuran di panel dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: level tangki kimia di laundry hotel. Transmiter hidrostatik di dasar tangki terbuka dikonfigurasi 0 sampai 200 mbar untuk 4 sampai 20 mA (angka latihan), dan tang mA membaca 13,6 mA. Pemetaan linear dua titik dibalik:

$$p = \frac{13{,}6 - 4}{16} \times 200 = 120\ \text{mbar}, \qquad h = \frac{p}{\rho\,g} = \frac{12\,000}{1\,000 \times 9{,}81} = 1{,}22\ \text{m}$$

Bila tangki berisi larutan kimia dengan massa jenis 1.100 kg/m³ (angka latihan), tinggi sebenarnya $12\,000/(1\,100 \times 9{,}81) = 1{,}11$ m. Skala PLC untuk air membaca 10 % terlalu tinggi, sehingga tangki habis lebih cepat dari yang ditampilkan. Penskalaan memakai massa jenis cairan yang benar-benar diisi.

Contoh 2: sensor ultrasonik di tangki air panas hotel. Sensor di atap tangki berjarak 2,5 m dari dasar dan menganggap udara 20 °C, padahal udara di atas air 50 °C (angka latihan). Waktu pulang-pergi 10 ms (angka latihan):

$$d_{20} = \frac{343{,}4 \times 0{,}010}{2} = 1{,}717\ \text{m}, \qquad d_{50} = \frac{361{,}6 \times 0{,}010}{2} = 1{,}808\ \text{m}$$

Layar menampilkan level 0,78 m, padahal level sebenarnya 0,69 m, sekitar 13 % lebih tinggi. Selisih 9 cm itu luput pada pemeriksaan sekilas. Teknisi mengaktifkan kompensasi suhu sensor atau memakai sensor yang memilikinya, lalu mencocokkan bacaannya dengan level yang diukur langsung.

Contoh 3: indikator lokal di loop tekanan rumah sakit. Loop 2 kawat transmiter tekanan di ruang pompa memakai catu 24 V, tegangan minimum transmiter 12 V, dan arus alarm atas 22,5 mA seperti contoh ringkasan sekunder. Bebannya modul 250 Ω dan kabel 30 Ω, lalu ditambah indikator lokal 250 Ω (angka latihan):

$$R_\text{beban,maks} = \frac{24 - 12}{0{,}0225} = 533\ \Omega, \qquad R_\text{beban} = 250 + 30 + 250 = 530\ \Omega$$

Sisanya hanya 3 Ω. Multimeter seri dengan shunt 10 Ω (angka latihan) menaikkan beban menjadi 540 Ω, sehingga tegangan transmiter pada 22,5 mA tinggal 11,85 V, di bawah 12 V, dan sinyal kegagalan atas dapat tertahan di bawah nilainya. Arus diukur dengan tang mA, atau dipilih indikator berresistansi lebih kecil menurut lembar datanya.

Contoh 4: Pt100 dua kawat di dapur hotel. Sensor tangki air panas dapur diganti Pt100 2 kawat dengan kabel tembaga 0,5 mm² sepanjang 10 m (angka latihan). Air bekerja sekitar 60 °C:

$$R_\text{kabel} = \frac{2 \times 0{,}0178 \times 10}{0{,}5} = 0{,}712\ \Omega, \qquad \Delta t \approx \frac{0{,}712}{0{,}38} = 1{,}9\ ^\circ\text{C}$$

Galat kabel itu sekitar tiga kali toleransi kelas B pada 60 °C (±0,6 °C), dan bacaan selalu terlalu tinggi. Pilihan yang benar adalah Pt100 3 atau 4 kawat, atau transmiter di kepala sensor; kelas yang lebih baik dari B memang meminta 3 atau 4 kawat.

Contoh 5: laju air suplai dari meter pulsa. Meter air suplai mesin cuci di laundry rumah sakit memberi satu pulsa tiap 10 L, dan penghitung PLC mencatat 18 pulsa dalam 300 s (angka latihan):

$$Q = \frac{n\,k}{\Delta t} = \frac{18 \times 10}{300} = 0{,}6\ \text{L/s} = 36\ \text{L/min}$$

Bila selangnya diperpendek menjadi 60 s, selisih satu pulsa sudah mengubah hasil 10 L/min. Ambang alarm aliran rendah karena itu dihitung dengan selang yang cukup panjang supaya alarm palsu tidak muncul.

Kondisi berhenti

Pekerjaan dihentikan dan keadaan diamankan dulu bila:

1. Sensor, pipa impuls, atau thermowell akan dilepas dari tangki, pipa air panas, atau saluran uap sebelum tekanan dilepas, cairan dikuras atau diisolasi, dan suhunya turun ke keadaan aman.
2. Loop akan dibuka atau transmiter dilepas sementara pengendali masih di mode otomatis dan sinyal itu dipakai untuk menyalakan pemanas, membuka katup uap, atau menjalankan pompa.
3. Sinyal suhu, level, atau tekanan yang dipakai untuk interlock atau pemutus keselamatan terbaca tidak sah (0 mA, ≤ 3,6 mA, atau ≥ 21 mA) dan mesin tetap dijalankan dengan menyimulasikan sinyal atau menjembatani masukan supaya alarm hilang.
4. Pengukuran di panel yang juga berisi sirkit 230/400 V akan dilakukan tanpa personel kompeten, alat berkategori ukur sesuai, atau APD.
5. Rumah transmiter 4 kawat atau meter aliran bercatu 230 V AC akan dibuka di lapangan sebelum catunya diisolasi dan diverifikasi bebas tegangan menurut bab keselamatan alat ukur dan prosedur Bab 2 · Keselamatan.

Fungsi pelindung yang bersandar pada sinyal analog tetap tunduk pada kaidah bab kendali proses: kegagalan sensor harus berakhir di keadaan aman, dan pembatas suhu independen tidak digantikan oleh transmiter.

Salah tafsir yang sering terjadi

"0 mA berarti suhu 0 °C." Keliru. Nilai 0 mA berada di luar rentang kerja loop 4–20 mA dan berarti loop terbuka atau catu hilang. Suhu 0 °C pada rentang −50 sampai 150 °C memberi $4 + (50/200) \times 16 = 8$ mA. Kebingungan ini muncul bila 4 mA dianggap nol, padahal 4 mA adalah nilai minimum normal.

"Tang mA boleh menjepit kedua kabel loop sekaligus." Arus pergi dan pulang sama besar dan berlawanan arah, sehingga tang membaca 0 mA walaupun loop bekerja normal. Jepit satu konduktor saja.

"Pelindung dibumikan di kedua ujung supaya lebih aman." Pembumian pelindung adalah soal EMC, bukan proteksi kejut. Pada loop frekuensi rendah dengan ikatan ekuipotensial yang lemah, dua titik pembumian mengalirkan arus 50 Hz di pelindung dan pembacaan berayun. Pembumian dua ujung hanya tepat bila jaringan ikatannya baik dan pabrikan memintanya, seperti pada kabel VFD.

"RTD dan termokopel bisa dipertukarkan bila rentangnya sama." RTD adalah resistansi yang dibaca dengan arus eksitasi, sedangkan termokopel sumber tegangan milivolt yang memerlukan kompensasi sambungan dingin dan kabel yang sesuai tipenya. Kanal masukan PLC atau transmiter dikonfigurasi untuk satu jenis, dan kurvanya berbeda.

"21 mA berarti transmiter rusak dan harus diganti." Menurut NE 43, nilai proses yang melampaui rentang hanya menjenuhkan sinyal sampai sekitar 20,5 mA; 21 mA atau lebih adalah sinyal kegagalan. Sinyal itu berarti diagnosis transmiter mendeteksi kegagalan, paling sering pada sensor atau kawat sensor, kadang pada elektronik transmiter sendiri. Penyebab lain adalah kabel loop yang terhubung singkat. Karena itu sensor dan kabel diperiksa lebih dulu, dan pesan diagnosis transmiter dibaca, sebelum transmiter diganti.

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 memberi dasar sensor, pengondisian sinyal, dan pemetaan linear. Bab sensor diskret membahas sensor ya/tidak dan pengawatannya ke masukan PLC, dan bab kendali pompa, pemanas, dan proses membahas sakelar proses serta arah kegagalannya. Termistor PTC motor ada di bab proteksi motor. Pemisahan kabel menurut 528.1 dan Tabel 444.1 ada di bab pemasangan sistem perkawatan. Pemeriksaan kebenaran pembacaan, as-found dan as-left, serta penyetelan nol dan rentang dibahas pada bab kalibrasi instrumen. Pemakaian sinyal 4–20 mA sebagai masukan PID dan keluaran ke katup dibahas pada bab elemen kendali akhir dan loop kendali, sedangkan modul masukan analog, penskalaan, dan HMI dibahas pada bab PLC lanjutan. Kabel VFD dan EMC-nya dibahas pada bab instalasi VFD. Diagnosis bertahap dari gejala ke uji pembeda dibahas pada bab metode diagnosis gangguan listrik.

Latihan dan pembahasan

1. [Hitung] Transmiter tekanan dikonfigurasi 0 sampai 10 bar untuk 4–20 mA. Hitung arus keluaran pada 6,5 bar dan nyatakan asumsinya.
2. [Hitung] Loop 2 kawat memakai catu 24 V DC. Transmiter mensyaratkan tegangan minimum 10 V dan menurut lembar datanya harus dapat mengalirkan 21 mA untuk sinyal kegagalan atas. Resistansi kabel pergi-pulang 80 Ω. Hitung beban loop maksimum dan tentukan apakah modul PLC dengan resistor 250 Ω dapat dipakai.
3. [Hitung] Pt100 terukur 119,4 Ω. Perkirakan suhunya dengan pendekatan linear $R = R_0(1 + A\,t)$, lalu dengan persamaan Callendar-Van Dusen lengkap untuk $t \ge 0$. Berapa selisihnya, dan apakah selisih itu berarti dibanding toleransi kelas B?
4. [Tafsir] Layar menampilkan level tangki 100 % terus-menerus, padahal operator melaporkan tangki kosong. Sensornya transmiter hidrostatik 4–20 mA dan PLC memotong tampilan pada 100 %. Sebutkan dua kemungkinan penyebab yang berbeda menurut arus loop-nya dan jelaskan dengan NE 43.
5. [Tafsir] Arus loop yang diukur dengan tang mA pada kabel berpelindung berayun antara 11 dan 13 mA walaupun proses stabil. Sebutkan dua kemungkinan penyebab dan tindakan perbaikan masing-masing.
6. [Hitung dan tafsir] Meter air memberi satu pulsa setiap 0,5 L. Penghitung PLC mencatat 240 pulsa dalam 60 s. Hitung laju aliran dalam L/min dan m³/jam, lalu jelaskan bagaimana PLC memakai data ini untuk mendeteksi keadaan tidak normal pada suplai air mesin.

Kunci jawaban beralasan

1. Asumsi: skala linear, rentang tekanan 0–10 bar, rentang arus 4–20 mA. Kepekaan $(20 - 4)/(10 - 0) = 1{,}6$ mA/bar. Arus $= 4 + 6{,}5 \times 1{,}6 = 4 + 10{,}4 = 14{,}4$ mA.
2. $R_\text{beban,maks} = (24 - 10)/0{,}021 = 667$ Ω. Beban terpasang $80 + 250 = 330$ Ω, di bawah 667 Ω, sehingga modul 250 Ω dapat dipakai. Tegangan transmiter pada 21 mA $= 24 - 0{,}021 \times 330 = 17{,}1$ V, di atas 10 V. Menghitung dengan 20 mA memberi 700 Ω; selisihnya kecil di sini, tetapi pada loop yang mepet, beban yang hanya cukup untuk 20 mA membuat sinyal kegagalan atas tertahan di bawah 21 mA sehingga tidak terbaca sebagai kegagalan.
3. Linear: $t = (119{,}4/100 - 1)/(3{,}9083 \times 10^{-3}) = 49{,}6$ °C. Lengkap: $B\,t^2 + A\,t - 0{,}194 = 0$ memberi $t = 50{,}0$ °C, dan $R(50) = 119{,}40$ Ω memeriksanya. Selisih 0,4 °C timbul karena suku $B$ diabaikan; toleransi kelas B pada 50 °C adalah $0{,}3 + 0{,}005 \times 50 = 0{,}55$ °C, sehingga pendekatan linear sudah memakan sebagian besar anggaran toleransi dan tidak dipakai untuk pemeriksaan atau kalibrasi.
4. Kemungkinan pertama, arus ≥ 21 mA: transmiter melaporkan kegagalan dengan arah atas, atau kabel loop terhubung singkat. PLC yang tidak dikonfigurasi mengenali NE 43 menampilkannya sebagai 100 %, bukan alarm. Kemungkinan kedua, arus sekitar 20 mA dan sah menurut transmiter: transmiter benar-benar merasakan tekanan tinggi, misalnya lubang ukur atau pipa impuls tersumbat endapan sehingga tekanan terkurung, atau membran sensor rusak atau bergeser titik nolnya setelah terkena tekanan lebih. Mengukur arus membedakan keduanya: ≥ 21 mA mengarah ke kegagalan alat atau kabel, sekitar 20 mA mengarah ke jalur tekanan atau kerusakan membran.
5. Pertama, pelindung dibumikan di dua titik yang potensialnya berbeda sehingga arus 50 Hz mengalir di pelindung; tindakan: ikuti petunjuk pabrikan, umumnya bumikan hanya di panel dan insulasi ujung sensor, atau perbaiki ikatan ekuipotensial bila dua ujung memang diminta. Kedua, kabel sinyal sejajar dan berdekatan dengan kabel motor, VFD, atau pemanas; tindakan: pindahkan ke konduit atau talang terpisah atau pasang partisi menurut 528.1, dan silangkan tegak lurus menurut 444.4.2 d). Sebelum menyalahkan kabel, pastikan ayunan itu bukan dari tang mA sendiri yang terpengaruh medan kabel daya di dekatnya; bandingkan dengan tegangan di resistor 250 Ω atau dengan meter seri. Pengukuran di panel dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.
6. $Q = (240 \times 0{,}5)/60 = 2$ L/s $= 120$ L/min; $120 \times 60 = 7\,200$ L/jam $= 7{,}2$ m³/jam. PLC membandingkan laju terukur dengan laju yang diharapkan untuk tahap pengisian. Bila laju di bawah ambang, misalnya 50 L/min (ilustrasi), selama selang yang ditetapkan, PLC memberi alarm aliran rendah yang dapat mengarah ke saringan tersumbat, pompa suplai melemah, atau kebocoran pada pipa suplai.

Referensi