Alat Ukur dan Pengukuran

Secara umum dikatakan bahwa pengukuran adalah membandingkan sesuatu dengan besaran standar. Agar dapat digunakan, maka besaran standar tersebut harus dapat didefinisikan secara fisik, tidak berubah karena waktu, dan harus dapat digunakan sebagai alat pembanding di mana saja, besaran standar tentunya memerlukan satuan-satuan dasar. Sistem metrik digunakan oleh hampir seluruh negara-negara industri dimana satuan dasarnya banyak mengikuti international system of units atau SI Units yang di dalamya dikenalkan bermacam-macam satuan dasar. Untuk dapat melakukan pengukuran dengan bantuan satuan dasar tersebut diperlukan alat ukur.

Mengukur adalah membandingkan sesuatu yang diukur dengan sesuatu yang lain sejenis yang ditetapkan sebagai satuan. Dalam pengukuran, kita dapat menggunakan satu instrument (alat ukur) atau lebih untuk menentukan nilai dari suatu besaran fisis. Hal yang harus diperhatikan ketika melakukan pengukuran adalah memilih dan merangkai instrument secara benar dan dilanjutkan dengan pembacaan nilai secara tepat. Pengukuran adalah penentuan besaran, dimensi, atau kapasitas, Pengukuran tidak hanya terbatas pada kuantitas fisik, tetapi juga dapat diperluas untuk mengukur hampir semua benda yang bisa dibayangkan. Alat ukur adalah perangkat untuk menentukan nilai atau besaran dari suatu kuantitas atau variabel fisis. Pada umumnya alat ukur dasar terbagi menjadi dua, yaitu alat ukur analog dan digital. Ada dua sistem pengukuran yaitu sistem analog dan sistem digital. Alat ukur analog memberikan hasil ukuran yang bernilai kontinyu, misalnya penunjukkan temperatur yang ditunjukkan oleh skala, petunjuk jarum pada skala meter, atau penunjukan skala elektronik. Alat ukur digital memberikan hasil pengukuran yang bernilai diskrit. Hasil pengukuran tegangan atau arus dari meter digital merupakan sebuah nilai dengan jumlah digit terterntu yang ditunjukkan pada panel display-nya.

Konstruksi Umum dan Alat Ukur 
Kita telah mengenal apa yang disebut dengan mistar atau penggaris, mistar ini ada yang terbuat dari kayu, ada yang dari pastik, dan yang paling baik terbuat dari besi stainless. Pada salah satu penampang lebar dari mistar tersebut biasanya dicantumkan angka-angka yang menunjukkan skala dari mistar. Dengan mistar ini kita dapat menentukan ukuran panjang sesuatu yang besarnya dapat dibaca langsung dari penunjukan skala yang ada pada mistar. Dengan mistar ini kita dapat menentukan ukuran panjang sesuatu yang besarnya dapat dibaca langsung dari penunjukan skala yang ada pada mistar. Dengan demikian mistar yang digunakan untuk mengukur panjang tersebut dapat dinamakan sebagai alat ukur. Tidak berlebihan kalau dikatakan bahwa mistar merupakan alat ukur yang paling sederhana bila ditinjau adanya satuan dasar.
Geometri benda ukur biasanya begitu komplek sehingga dalam pengukuran diperlukan kombinasi cara dan bentuk pengukuran yang bermacam-macam. Dengan demikian diperlukan juga bermacam-macam alat ukur yang memiliki karakteristik sendiri-sendiri. Karakteristik dari alat-alat ukur inilah yang menyebabkan adanya perbedaan antara alat ukur yang satu dengan alat ukur lainnya. Karakteristik ini biasanya menyangkut pada konstruksi dan cara kerjanya. Secara garis besar, sebuah alat ukur mempunyai tiga komponen utama yaitu sensor, pengubah dan pencatat/penunjuk.

A. Sensor atau Peraba

Sensor merupakan bagian dari alat ukur yang menghubungkan alat ukur dengan benda atau objek ukur. Atau dengan kata lain sensor merupakan peraba dari alat ukur. Sebagai peraba dari alat ukur, maka sensor ini akan kontak langsung dengan benda ukur. Contoh dari sensor ini antara lain yaitu: kedua ujung dari mikrometer, kedua lengan jangka sorong, ujung dari jam ukur, jarum dari alat ukur kekasaran. Contoh-contoh sensor ini termasuk dalam kategori sensor mekanis. Pada alat-alat ukur optik juga memiliki sensor yaitu pada sistem lensanya. Ada juga sensor lain yaitu sensor pneumatis yang banyak terdapat dalam alat-alat ukur yang prinsip kerjanya secara pneumatis.

B. Pengubah

Ada satu bagian dari alat ukur yang sangat penting yang berfungsi sebagai penerus, pengubah atau pengolah semua isyarat yang diterima oleh sensor, yaitu yang disebut dengan pengubah. Dengan adanya pengubah inilah semua isyarat dari sensor diteruskan ke bagian lain yaitu penunjuk/pencatat yang terlebih dahulu diubah datanya oleh bagian pengubah. Dengan demikian pengubah ini mempunyai fungsi untuk memperjelas dan memperbesar perbedaan yang kecil dari dimensi benda ukur. Pada bagian pengubah inilah yang diterapkan bermacam-macam cara kerja, mulai dari cara kinematis, optis, pneumatis, sampai pada cara gabungan.

1. Pengubah Mekanis

Cara kerja dari pengubah mekanis ini berdasarkan pada prinsip kinematis yang melakukan perubahan gerakan lurus (translasi) menjadi gerakan berputar (rotasi). Contohnya antara lain yaitu: sistem kerja roda gigi dan poros bergigi dari jam ukur (dial indicator), sistem kerja ulir dari mikrometer.

• Eden-Rolt “Milionth” Comparator

Alat ini sangat cocok sekali untuk mengalibrasi blok ukur (gauge block) karena bisa diperoleh perbesaran yang cukup tinggi. Hal ini terjadi karena adanya kombinasi gerakan mekanis yang didukung dengan sistem pengubah optis.

• Alat ukur pembanding Johanson mikrokator

Alat ini ditemukan oleh seorang insinyur bangsa Swedia yang kemudian dibuat oleh pabrik C.E. Johanson Ltd. Oleh karena itu disebut dengan nama Johanson Mikrokator. Pada bagian pengubah ini terdapat plat tipis dan jarum penunjuk yang diletakkan ditengah-tengahnya. Dari tengah-tengah ini plat tipis tersebut dipuntir dengan arah yang berlawanan sehingga berbentuk spiral kiri dan spiral kanan. Salah satu ujung plat tipis dipasang tetap pada batang pengatur, dan ujung yang lain pada lengan penyiku dimana lengan penyiku ini dihubungkan dengan batang pengukur. Dengan naik turunnya batang pengukur ini maka lengan penyiku akan bergerak ke kiri atau ke kanan. Dengan bergeraknya lengan penyiku ini maka pelat tipis yang berbentuk spiral tadi juga akan menjadi bertambah kuat atau bertambah lemah pilinannya. Bertambah kuat atau lemahnya pilinan ini akan menyebabkan jarum penunjuk bergerak. Perubahan gerak ini dapat dibaca pada skala, yang berarti juga perubahan dimensi dari objek ukur. Perbesaran alat ini mencapai 5000 kali.

• Alat ukur pembanding Sigma Comparator

Alat ukur ini dibuat oleh Sigma Instrument Company. Bagian pengubah alat ini menggunakan sistem engsel yang bebas gesekan. Sistem engsel ini ditunjukkan oleh dua buah blok, blok tetap F dan blok bergerak M, yang kedua-duanya dihubungkan oleh tiga plat tipis secara menyilang. Apabila batang pengukur yang ada sensor pada ujungnya menyentuh objek ukur maka batang ukur akan bergerak dan akan menggerakkan bagian penekan. Bergeraknya bagian penekan ini akan menggerakkan blok M yang dihubungkan oleh lengan Y ke bagian silinder penunjuk r yang pada bagian penunjuk ini ada perantara pita tipis dari fosfor perunggu. Pada silinder penunjuk juga ada jarum penunjuk R yang menunjukkan skala pengukuran. Karena lengan Y bergerak akibat perubahan blok M maka silinder penunjuk juga bergerak yang akibatnya jarum R juga bergerak. Jika panjang jarum penunjuk R adalah H dan diameter dari silinder penunjuk adalah ha maka perbesaran pada tahap ini adalah H/h. Seandainya panjang lengan Y adalah L dan bergeraknya blok M adalah x maka perbesaran totalnya adalah L/X x H/1/2h.

Perlu ditambahkan di sini bahwa penekan yang ujungnya runcing dapat diatur jaraknya terhadap sumbu engsel dari blok M dan blok F dengan mengubah-ubah ikatan baut pengatur yang terikat pada poros pengukur. Pemasangan poros pengukur pada rumah ukur hanya menggunakan diafragma saja, sehingga kerugian gesekan dapat diatasi.

2. Pengubah Mekanis Optis

Dalam alat ukur pembanding ini digunakan sistem pengubah gabungan yaitu pengubah mekanis dan pengubah optis. Pengubah mekanis berfungsi untuk menghasilkan perubahan jarak karena persentuhan sensor dengan objek ukur. Perubahan ini akan diperjelas melalui perbesaran optis. Pengubah optis di sini bekerja menurut prinsip optik, yaitu dengan menggunakan beberapa cermin atau lensa. Perubahan batang pengukur akan mengubah posisi kemiringan dari cermin. Kemiringan posisi pemantul cahaya ini mengakibatkan perubahan bayangan yang terjadi yang diproyeksikan ke layar kaca yang berskala.

3. Pengubah Elektris

Kini sudah banyak alat-alat ukur yang cara kerjanya menggunakan sistem elektronik, di samping alat-alat ukur yang dioperasikan secara manual. Prinsip kelistrikan yang digunakan dalam pengubah elektris ini mempunyai fungsi untuk mengubah semua isyarat yang diterima oleh alat ukur (besaran yang tidak bersifat elektris) menjadi suatu besaran yang bersifat elektris. Dengan adanya prinsip kelistrikan maka besaran yang bersifat kelistrikan tersebut diolah dan diubah menjadi lebih jelas sehingga perubahan ini dapat dibaca pada skala alat ukur. Salah satu contoh dari pengubah elektris ini adalah pengubah yang bekerjanya dengan prinsip kapasitor.Timbulnya kapasitor karena adanya dua buah pelat metal yang berpenampang sama diletakkan berdekatan dengan jarak l. Besarnya kapasitas tergantung pada jarak l. Makin jauh jarak pelat maka kapasitasnya akan menjadi turun, sebaliknya makin dekat jarak pelat kapasitasnya makin naik. Bila silinder sensor menyentuh objek ukur tentu terjadi perubahan jarak antara pelat metal karena diubah oleh silinder tadi. Prinsip perubahan inilah yang digunakan oleh alat-alat ukur yang mempunyai pengubah mengikuti sistem elektris.

4. Pengubah Optis

Dalam ilmu fisika dipelajari masalah optis dengan hukum-hukumnya. Prinsip-prinsip dalam optis inilah yang digunakan oleh alat-alat ukur yang mempunyai pengubah optis. Sebetulnya sistem optis di sini hanya berfungsi untuk membelokkan berkas cahaya dari objek ukur sehingga terjadi bayangan maya atau nyata yang ukurannya bisa menjadi lebih besar dari pada objek ukurnya. Dalam sistem optis kebanyakan menggunakan bermacam-macam lensa seperti cermin datar, lensa cekung dan cembung, lensa prisma, dan sebagainya. Contoh dari alat-alat ukur yang menggunakan pengubah sistem optis ini adalah: kaca pembesar, mikroskop, proyektor, teleskop, autokolimator, dan teleskop posisi.

• Kaca Pembesar

Dengan alat ini seseorang dapat melihat langsung suatu objek yang diletakkan tepat pada fokusnya di mana yang dilihat mempunyai ukuran yang lebih besar dari pada objek sesungguhnya.

• Mikroskop

Penggabungan dua buah lensa pembesar menjadi satu sistem optis biasa disebut dengan mikroskop. Dengan demikian terdapat dua lensa yang berbeda, namanya, ada yang disebut dengan okuler (dekat dengan mata) dan ada yang disebut dengan objektif (dekat objek ukur).

• Proyektor

Seperti halnya pada mikroskop, pada proyektor pun terdapat kombinasi sistem lensa yaitu lensa kondensor dan proyeksi. Tidak semua objek ukur mempunyai sifat tembus cahaya. Dengan bantuan sinar yang lewat melalui kondensor maka berkas cahayanya akan menyinari benda ukur yang diletakkan di antara kondensor dan proyeksi. Benda ukur yang tidak tembus cahaya ini akan menimbulkan bayangan yang gelap tapi latar belakangnya terang. Pemeriksaan bayangan dari benda ukur dilakukan di balik layar yang terbuat dari kaca buram.

• Teleskop

Salah satu alat ukur optis yang dapat digunakan untuk melihat objek ukur yang relatif jauh letaknya yaitu yang biasa disebut dengan teleskop. Pada alat ini juga digunakan dua lensa yaitu okuler dan objektif. Bayangan atau berkas cahaya yang jauh difokuskan oleh objektif tepat pada fokusnya okuler. Dengan adanya lensa okuler maka bayangan sebagai hasil pembiasan objektif akan dibiaskan menjadi bayangan atau berkas yang sejajar. Hal ini menyebabkan bayangan dari objek ukur menjadi lebih jelas dilihat oleh mata.

• Autokolimator

Autokolimator merupakan alat ukur optis yang menggunakan prinsip dasar dari teleskop. Kondensor di sini membuat berkas cahaya menjadi searah menuju ke suatu target yang berbentuk garis. Sebuah cermin semi reflektor yang kemiringannya 45 terhadap sumbu optis akan membuat target terletak pada sumbu optis dan tepat pada fokus objektif. Objektif di sini sering juga disebut dengan kolimator. Lensa objektif ini menyebabkan berkas yang keluar menjadi sejajar. Berkas yang sejajar ini dipantulkan kembali oleh cermin yang terletak pada jarak tertentu di depan autokolimator. Bila posisi cermin dimiringkan sedikit maka berkas cahaya diterima kembali oleh objektif, lalu difokuskan pada bidang fokus namun letaknya tidak tepat pada sumbu optis.Pada bagian okuler dilengkapi pula dengan mikrometer yang gunanya untuk mengetahui besarnya perubahan posisi. Dengan alat autokolimator ini bisa diperoleh hasil pengukuran dengan kemiringan maksimum 10 menit. Sedangkan kecermatan dari skala alat ukur optis ini adalah 0,1 detik. Perubahan posisi cermin terjadi karena ada perubahan posisi dari benda ukur.

5. Pengubah Pneumatis

Kondisi aliran udara yang tertentu akan berubah bila area di mana udara itu lalu juga berubah (menjadi lebih sempit atau lebih luas). Prinsip inilah yang digunakan dalam alat ukur yang memakai pengubah sistem pneumatis. Jadi, pada sistem pneumatis kondisi aliran udara akan berubah bila celah antara objek ukur dengan sensor alat ukur di mana udara lalu juga mengalami perubahan. Untuk mengetahui perubahan ini digunakan cara yaitu pengukur perubahan tekanan dan kecepatan aliran udara. Dalam pengubah sistem pneumatis paling tidak terdapat tiga komponen yaitu:

1.      sumber udara tekan

2.      sensor sekaligus sebagai pengubah

3.      pengukur perubahan aliran udara

Ada dua macam sistem pengubah pneumatis yang biasa digunakan yaitu:

4.      sistem tekanan balik (back pressure system)

5.      sistem kecepatan aliran (flow velocity system)