PNEUMATIK 2 (Konsep Dasar Pneumatik)

2.1 Prinsip secara fisika

Udara adalah campuran gas dengan komposisi sebagai berikut:

• Kira-kira 78% nitrogen
• Kira-kira 21% oksigen

Udara ini juga mengandung karbon dioksida, argon, hidrogen, neon, helium, kripton dan xenon.

Untuk membantu Anda memahami sifat udara, variabel fisik yang digunakan dalam konteks ini tercantum di bawah ini. Semua spesifikasi dinyatakan dalam "Sistem Internasional (SI)" untuk satuan.

Variabel	Simbol	Satuan
Panjang	l	Meter (m)
Massa	m	Kilogram (kg)
Waktu	t	Detik (s)
Temperatur	T	Kelvin (K, 0°C = 273,15K)

Tabel 2.1 Satuan pokok

Variabel	Simbol	Satuan
Gaya	F	Newton (N)
Luas	A	Meter persegi (m²)
Volume	V	Meter kubik (m³)
Debit	qᵥ	Meter kubik per detik (m³/s)
Tekanan	p	Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m² 1 Bar = 10⁵ Pa

Tabel 2.2 Satuan turunan

2.1.1 Hukum Newton

Hukum Newton menjelaskan hubungan antara gaya, massa dan percepatan:

Gaya = Massa x Percepatan

F = m x a

Dalam kasus gerak jatuh bebas, "a" diganti dengan percepatan gravitasi g = 9,81 m/s².

2.1.2 Tekanan

1 Pa berkaitan dengan tekanan yang diberikan oleh gaya vertikal 1 N pada luas bidang 1 m².

Tekanan terhadap / di permukaan bumi disebut sebagai tekanan atmosfer (p_amb). Tekanan ini disebut juga tekanan referensi. Rentang atas tekanan ini disebut kisaran tekanan lebih (p_e > 0), sementara rentang di bawah tekanan ini disebut kisaran tekanan vakum (p_e < 0). Perbedaan tekanan p_e dihitung dengan rumus:

p_e = p_abs - p_amb 

Tekanan atmosfer tidak konstan. Nilainya berubah dengan letak geografis dan cuaca.

Tekanan absolut p_abs adalah nilai yang mengacu pada tekanan nol (vakum). Tekanan ini sama dengan jumlah dari tekanan atmosfer dan tekanan lebih atau tekanan vakum. Alat ukur tekanan yang sering digunakan dalam praktek adalah alat yang hanya menampilkan nilai tekanan lebih p_e. Nilai tekanan absolut p_abs adalah sekitar 100 kPa (1 bar) lebih tinggi dari nilai tekanan lebih p_e.

Dalam pneumatik, semua spesifikasi yang berkaitan dengan jumlah udara biasanya dirujuk pada apa yang disebut kondisi normal. Kondisi normal menurut DIN 1343 adalah kondisi bahan padat, cair, atau gas yang ditetapkan melalui temperatur dan tekanan standar.

• Temperatur standar T_n = 273,15 K, t_n = 0°C
• Tekanan standar p_n = 101,325 Pa = 1,01325 bar

2.2 Sifat udara 

Udara ditandai dengan kohesi yang sangat rendah, yaitu gaya antara molekul-molekul udara dapat diabaikan dalam kondisi operasi biasa di pneumatik. Oleh karena itu, seperti semua gas lainnya, udara tidak memiliki bentuk tertentu. Udara dapat merubah bentuknya dengan penerapan gaya yang sangat kecil dan menempati ruang maksimum yang tersedia.

2.2.1 Hukum Boyle

Udara dapat dimampatkan dan juga dapat berekspansi. Hukum Boyle menggambarkan sifatnya sebagai berikut: volume dari sejumlah tertentu gas berbanding terbalik dengan tekanan absolut pada temperatur konstan; atau, dengan kata lain, hasil perkalian dari volume dan tekanan absolut adalah konstan untuk sejumlah tertentu dari gas.

p₁ x V₁ = p₂ x V₂ = p₃ x V₃ = konstan

Gambar 2.1 Hukum Boyle

Contoh perhitungan

Udara dimampatkan menjadi 1/7 dari volume awal pada tekanan atmosfer. Berapa tekanannya jika temperatur udara tetap konstan?

Diketahui spesifikasi:
p₁ = p_amb = 100 kPa = 1 bar
V₂/V₁ = 1/7

Ditanyakan:
p₂ = ?

Solusi:
p₂ = p₁ x (V₁/V₂) = 100 kPa x (7/1) = 700 kPa absolut = 7 bar absolut
Ini berarti p_e = p_abs - p_amb = 700 kPa - 100 kPa = 600 kPa = 6 bar

Sebuah kompresor yang menghasilkan tekanan lebih p_e = 600 kPa memiliki rasio kompresi 7:1

2.2.2 Hukum Gay Lussac

Udara memperluas volumenya sebesar 1/273 pada tekanan konstan, temperatur 273 K dan kenaikan suhu 1 K. Hukum Gay Lussac menyatakan bahwa volume sejumlah tertentu gas berbanding lurus dengan temperatur absolut (dalam K) selama tekanan tidak berubah.

V₁/T₁ = V₂/T₂ = konstan, V₁ = volume pada T₁, V₂ = volume pada T₂

Perubahan volume ΔV adalah: ΔV = V₂ - V₁ = (V₁/T₁) x (T₂ - T₁)

Berikut ini juga berlaku untuk V₂:  V₂ = V₁ + ΔV = V₁ + [(V₁/T₁)  x (T₂ - T₁)]

Persamaan ini berlaku jika temperatur dinyatakan dalam K. Rumus berikut ini harus digunakan untuk mengkonversi ke °C:

V₂ = V₁ + [V₁/(273°C + T₁) x (T₂ - T₁)]

Contoh perhitungan

0,8 m³ udara dengan suhu T₁ = 293 K (20°C) dipanaskan sampai T₂ = 344 K (71°C). Berapa m³ udara berekspansi?

Diketahui:
V₁ = 0,8 m³
T₁ = 293 K (20 °C)
T₂ = 344 K (71 °C)

Ditanyakan:
ΔV = ?

Solusi:
ΔV = (0,8 m³/293 K) x (344 K -293 K) = 0,14 m³

Udara berekspansi sebesar 0,14 m³.

Jika volume dijaga konstan selama proses pemanasan, peningkatan tekanan dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus berikut:

p₁/T₁ = p₂/T₂ = konstan

2.2.3 Persamaan gas umum

Persamaan gas umum memenuhi semua hukum.

(p₁ x V₁)/T₁ = (p₂ x V₂)/T₂ = konstan

Dengan sejumlah tertentu dari gas, hasil kali tekanan dan volume dibagi dengan temperatur absolut adalah konstan. Hukum-hukum yang telah disebutkan di atas dapat diturunkan dari hukum gas umum ini, ketika salah satu dari ketiga faktor p, V atau T dipertahankan konstan.

Tekanan p konstan          → perubahan isobarik
Volume V konstan           → perubahan isokorik
Temperatur T konstan      → perubahan isotermik

PNEUMATIK 1 (Aplikasi Pneumatik Dalam Teknologi Otomasi)

1.1 Ikhtisar

Pneumatik memainkan peranan utama dalam lingkungan kerja otomatis dan banyak sekali proses produksi yang mustahil dilakukan tanpa mereka. Pneumatik merupakan bagian yang melekat dari hampir setiap sistem produksi di sektor industri berikut ini:

• Industri otomotif
• Industri kimia
• Industri petrokimia
• Industri farmasi
• Industri kertas dan percetakan
• Bangunan mesin
• Industri makanan
• Industri air minum dan air limbah
• Industri kemasan

Dalam industri-industri tersebut, pneumatik digunakan untuk melakukan fungsi-fungsi sebagai berikut:

• Mendeteksi keadaan melalui elemen input (sensor)
• Memproses informasi melalui elemen pengolahan (processor)
• Mengalihkan (switching) elemen operasi melalui elemen kendali
• Melakukan pekerjaan dengan dengan menggunakan elemen operasi (drive)

Pengendalian mesin dan sistem memerlukan rangkaian logika yang kompleks dan pengalihan kondisi-kondisi yang akan dibangun. Hal ini dilakukan melalui interaksi sensor, processor, elemen kendali dan drive di pneumatik dan sebagian sistem pneumatik.

Kemajuan teknologi bahan, desain dan metode produksi telah membantu meningkatkan kualitas dan variasi jenis komponen pneumatik, yang memberikan kontribusi untuk digunakan secara luas.

Berikut ini adalah beberapa contoh bidang aplikasi untuk pneumatik:

• Secara umum dalam teknologi penanganan (handling) meliputi: menjepit benda kerja, memindahkan benda kerja, menentukan posisi benda kerja, menentukan arah benda kerja, dan percabangan aliran material.
• Penggunaan umum dalam berbagai bidang meliputi: pengemasan, pengisian, penguncian, pengukuran, trasportasi bahan, pemutaran benda kerja, pemisahan benda kerja, penumpukan benda kerja, embossing dan pressing benda kerja.

1.2 Karakteristik pneumatik

Parameter	Keterangan
Kuantitas	Udara tersedia dimana-mana dalam jumlah yang tidak terbatas.
Transportasi	Udara dapat diangkut dengan mudah untuk jarak yang jauh di dalam saluran.
Kemampuan menyimpan	Udara bertekanan dapat disimpan dalam penampung (reservoir) dan dipasok dari sana. Penampung / botol juga dapat diangkut.
Temperatur / suhu	Udara bertekanan hampir tidak sensitif terhadap fluktuasi suhu. Hal ini menjamin operasi yang handal bahkan pada kondisi ekstrim.
Keselamatan	Udara bertekanan tidak mewakili bahaya dalam hal kebakaran atau ledakan.
Kebersihan	Kebocoran udara bertekanan yang tidak dilumasi tidak menyebabkan pencemaran lingkungan.
Desain	Elemen-elemen yang beroperasi memiliki setup yang sederhana oleh karena itu murah.
Kecepatan	Udara bertekanan adalah media yang bekerja dengan cepat. Hal ini memfasilitasi kecepatan torak (piston) yang tinggi dan waktu perpindahan yang singkat.
Perlindungan kelebihan beban	Peralatan pneumatik dan elemen operasi dapat dimuati sampai mereka memberikan tanda kelebihan beban.

Tabel 1.1 Fitur dan kelebihan pneumatik

Parameter	Keterangan
Persiapan	Udara bertekanan harus dipersiapkan karena kalau tidak, ada resiko peningkatan keausan komponen pneumatik oleh partikel kotoran air kondensasi
Kompresi	Mustahil mencapai kecepatan torak yang seragam dan konstan dengan udara bertekanan
Gaya	Udara bertekanan hanya ekonomis (berbiaya murah) hingga pada gaya tertentu yang disyaratkan. Dengan tekanan kerja normal 600 sampai 700 kPa (6 sampai 7 bar) dan tergantung pada stroke dan kecepatan, batas ini adalah antara 40.000 sampai 50.000N
Pembuangan udara	Mengeluarkan udara dapat menyebabkan kebisingan. Masalah ini dapat diatasi untuk sebagian besar dengan cara menggunakan bahan peredam suara

Tabel 1.2 Kekurangan pneumatik

Perbandingan dengan bentuk energi lainnya merupakan prasyarat penting dalam menggunakan pneumatik sebagai alat kendali atau kerja menengah. Penilaian ini mencakup keseluruhan sistem dari sinyal masukan (sensor) dan bagian pengolahan (processor) ke elemen kendali dan penggerak (drive). Selain itu faktor-faktor berikut harus dipertimbangkan:

• Media kendali yang dipilih
• Peralatan yang tersedia
• Pengetahuan yang tersedia
• Sistem yang sudah ada

1.2.1 Kriteria media kerja

Media kerja adalah:

• Arus listrik (listrik)
• Fluida (hidrolik)
• Udara bertekanan (pneumatik)
• Kombinasi dari media-media diatas

Pemilihan kriteria dan sifat sistem yang harus dipertimbangkan untuk media kerja:

• Gaya
• Langkah (Stroke)
• Jenis gerakan (lurus, berputar, melingkar)
• Kecepatan
• Umur layanan
• Keandalan dan presisi
• Biaya energi
• Pengoperasian
• Kemampuan menyimpan

1.2.2 Kriteria media kendali

Media kendali adalah:

• Koneksi mekanik (mekanik)
• Arus listrik (listrik, elektronik)
• Fluida (hidrolik)
• Udara bertekanan (pneumatik)

Pemilihan kriteria dan sifat sistem yang harus dipertimbangkan untuk media kendali:

• Keandalan komponen
• Sensitifitas terhadap pengaruh lingkungan
• Kemudahan pemeliharaan dan perbaikan
• Waktu peralihan komponen
• Kecepatan sinyal
• Kebutuhan ruang
• Umur layanan
• Kebutuhan pelatihan

1.3 Pengembangan sistem kontrol pneumatik

Kelompok ini tersedia dalam pneumatik:

• Penggerak (Drive)
• Sensor dan perangkat input
• Pengolah (Processor)
• Asesoris
• Sistem kontrol lengkap

Pertimbangan berikut ini harus diperhitungkan ketika mengembangkan sistem kendali pneumatik:

• Keandalan
• Kemudahan perawatan
• Biaya suku cadang
• Perakitan dan koneksi
• Biaya perawatan
• Dapat ditukar dan serbaguna
• Desain yang ringkas
• Ekonomi
• Dokumentasi