1.1
: PROSES PENGUKURAN
1.1.1 : PENGKELASAN
INSTRUMEN
1.1.2 : CIRI-CIRI
INSTRUMEN
1.2
: RALAT
1.2.1 : JENIS-JENIS RALAT
1.2.2 : BAGAIMANA RALAT
DINYATAKAN
1.2.3 : ANALISIS RALAT STATISTIK
1.2.4 : RALAT PENGHAD
1.2.5 : GABUNGAN RALAT PENGUKURAN
1.3
: PIAWAIAN DAN PENENTUKURAN
1.3.1 : PIAWAIAN
1.3.2 : PENENTUKURAN
Pengukuran adalah satu proses di mana parameter fizikal diubah kepada nombor-nombor
bermakna dengan
menggunakan instrument tertentu. Setiap nombor bermakna yang diperolehi
mestilah diikuti dengan unit kerana unit
dapat menunjukkan ciri-ciri parameter fizikal yang diukur,
seperti Meter untuk panjang, Kg untuk berat
dll.
Secara am, proses pengukuran dapat ditunjukkan
seperti di bawah:
Proses pengukuran melibatkan semua maklumat,
kelengkapan, instrument dan operasian yang
berkaitan dengan sesuatu pengukuran, juga
merangkumi semua aspek berkaitan perlakuan, prinsip,
kaedah, tatacara, nilai-nilai kuantiti
pengaruh, mutu dan piawai pengukuran.
Sebelum melakukan proses pengukuran harus
dikenalpasti:
Tatacara/kaedah pengukuran: Kenalpasti apa
parameter yang hendak diukur, bagaimana cara terbaik,
berapa banyak pengukuran perlu dibuat dan
bagaimana untuk merekodkan hasil pengukuran.
Ciri/sifat parameter: harus tahu parameter
yang diukur ac atau dc, frekuensi dll
Kualiti: masa dan kos diperuntukkan, keupayaan
alatan, pengetahuan pengukuran, hasil/keputusan
pengukuran yang sesuai.
Instrument: pilih alat yang sesuai samada
meter analog/digital/osc/counter dll, perlu pengetahuan dan
pengalaman mengendalikan alatan.
Semasa mengendalikan proses pengukuran perlu:
Kualiti: pastikan alatan yang dipilih adalah
yang terbaik, kedudukan pengambilan data sesuai, bilangan
pengukuran yang diambil mencukupi dan adakah
hasil yang diambil boleh dipercayai.
Utamakan keselamatan: kesan kejutan elektrik,
kesan beban berlebihan, had alatan, baca manual alatan.
Pensampelan: lihat perubahan parameter
semasa pengukuran, nilai mana yang perlu dipilih bila parameter
sentiasa berubah, ambil bilangan sampel
yang mencukupi dan pastikan perwakilan sampel boleh diterima
dan diakui.
Kerja-kerja selepas pengukuran:
Proses pengukuran tidak lengkap sepenuhnya
jika hanya data pengukuran diambil. Data mesti dianalisis,
secara matematik/statistik dan keputusan
mesti dilapurkan dengan lengkap dan tepat.
Kuantiti Asas
Kuantiti asas adalah mana-mana kuantiti secara
lazin dianggap tidak bersandar kepada lain-lain kuantiti dalam sistem kuantiti.
nilai sebenar - nilai yang dihasilkan daripada
pengukuran yang dibuat dengan sempurna.
- merupakan konsep unggul
nilai - ungkapan untuk kuantiti dengan sebutan nombor dan unit
nilai ukuran - nilai yang mewakili ukuran yang dibuat
nilai sebenar lazim(conventional true value) - nilai yang boleh menggantikan nilai sebenar
Ciri-ciri Pengukuran
Pengukuran statik - pengukuran kuantiti dengan
inlai kuantiti dianggap tidak berubah semasa pengukuran dibuat
Pengukuran dinamik - pengukuran kuantiti dengan nilai kuantiti berubah dengan masa
Elemen Pengesan - elemen yang berhubung dengan
sistem yang disukat
- keluarannya bergantung kepada parameter yang disukat
Elemen Penyesuaian Isyarat - menukar keluaran elemen pengesan kepada isyarat yang lebih mudah untuk diproses voltan dan arus terus
Elemen Pemprosesan Isyarat - menukar keluaran elemen penyesuaian kepada bentuk isyarat yang lebih sesuai untuk dipaparkan
Elemen Persembahan Data - memaparkan nilai ukuran
dalam bentuk yang mudah
Contoh : pencetak, osiloskop
1.1.1 PENGKELASAN INSTRUMEN
Secara
am, instrument elektronik boleh dikelaskan kepada 2 bahagian:
1. Instrument Analog
Nilai
parameter yang diukur ditunjukkan oleh pergerakan jarum penunjuk. Jarum
penunjuk
akan bergerak secara berterusan dengan
perubahan parameter/isyarat analog yang diukur. Bacaan
mungkin kurang tepat disebabkan ralat parallax
(selarian) yang mungkin berlaku semasa bacaan skil
diambil. Contoh meterampere, metervolt,
meterohm analog dll.
2. Instrument Digital
Nilai
parameter yang diukur ditunjukkan dalam bentuk digital dimana nilai bacaan
tersebut boleh
dibaca secara terus dalam bentuk nombor-nombor.
Dengan itu ralat parallax dihapuskan. Instrument
digital menggunakan isyarat digital iaitu
kaedah binary logik '0' dan '1'. Contoh digital multimeter,
frequency counter dll.
Fungsi instrument ini adalah untuk menunjuk
(indicating), merakam (recording) atau mengawal (controlling).
1.1.2 CIRI-CIRI INSTRUMEN
Beberapa
ciri perlu dipenuhi oleh setiap instrument/meter semasa proses merekabentuk
bagi
memastikan instrument/meter tersebut dapat
berfungsi dengan baik, cekap dan memuaskan iaitu:
1- Ketepatan (accuracy) : Menerangkan
betapa hampirnya bacaan yang ditunjukkan oleh meter
kepada bacaan nilai sebenar iawai) parameter
yang diukur. Biasanya ketepatan sesebuah instrument
dinyatakan dalam bentuk peratus (%).
2- Kepersisan (precision) : Kepersisan
menerangkan kebolehulangan atau kekerapan sesebuah
instrument memberikan bacaan yang sama
jika pengukuran dilakukan berulangkali. Sekiranya bacaan
yang diambil berulangkali tidak berubah,
instrument tersebut dikatakan mempunyai kepersisan yang tinggi.
Instrument yang tepat, kepersisan mesti
tinggi. Kerpersisan yang tinggi tidak semestinya menunjukkan bacaan
yang tepat.
3- Kepekaan (sensitivity) : Kepekaan
ialah nisbah perubahan bacaan keluaran instrument kepada
perubahan masukan iaitu parameter
yang diukur.
4- Kelinearan (linearity) : Sesebuah
sistem dikatakan bersifat linear jika keluarannya adalah berkadaran
dengan parameter yang sedang diukur.
5- Julat (Range) : Merupakan had
minimum dan maksimum di mana instrument boleh berfungsi dan
biasanya julat sesebuah instrument ditentukan
oleh pengeluar instrument tetsebut.
6- Nilai Namaan (Nominal Value) : Merupakan
suatu nilai (masukan & keluaran) yang telah ditetapkan
oleh pengeluar sebagai panduan penggunaan
sesuatu instrument.
7- Had-Terima (Tolerance) : Menerangkan lencongan maksimum daripada nilai namaan.
8- Pincang (Bias) : Ralat malar yang terjadi pada instrument di mana penunjuk tidak bermula dari sifar.
9- Histerisis (Hysterisis) : Perbezaan keluaran antara bacaan menaik dan menurun sesebuah instrument.
10- Jalur Mati (Dead Zone/Band) : Julat
tertentu di mana instrument tidak memberikan bacaan
walaupun terdapat perubahan pada parameter
yang diukur.
11- Hanyut Sifar (Zero Drift) : Bacaan
sifar instrument telah berubah dari kedudukan sifar yang
telah ditentukan.
12-Rentang(Span) : Perbezaan di antara
had atas dan had bawah julat
Rentang Masukan = Imax - Imin
Rentang Keluaran = Omax - Omin
Ralat
ditakrifkan sebagai perbezaan antara bacaan yang diberikan oleh instrument/meter
dibandingkan dengan nilai sebenar parameter
yang diukur. Ralat terjadi akibat daripada beberapa
sebab dan boleh dikategorikan kepada 3
iaitu ralat pengguna (ralat kasar), ralat sistematik dan ralat rawak.
1.2.1 JENIS-JENIS RALAT
1-Ralat Kasar/Pengguna
Ralat
kasar biasanya disebabkan oleh manusia/pengguna sendiri kerana kesilapan
memilih
instrument yang tidak sesuai, salah mengambil
bacaan, salah mengendalikan instrument, terlupa
set zero, kesan beban dilupakan dll.
Ralat ini
boleh dikurangkan dan dihapuskan dengan memberi perhatian yang sepenuhnya
semasa
membua pemilihan instrument pengukuran,
semasa membuat pengukuran dan kiraan. Berjaga-jaga
dengan had keupayaan instrument, ambil
bacaan sekurang-kurangnya 3 kali untuk mengelakkan
ralat kasar, membaca manual instrument,
baca penunjuk dengan tepat, tiada zero offset dan ralat parallax.
2- Ralat Sistematik
Ralat
sistematik akan berulang jika beberapa pengukuran dilakukan dalam keadaan
dan
menggunakan instrument yang sama. Ralat
sistematik boleh disebabkan oleh 2 punca utama iaitu
ralat instrument dan ralat sekitaran.
Ralat instrument:
Ralat instrument terjadi akibat ketidak
sempurnaan instrument itu sendiri seperti kesan dari geseran
penunjuk, komponen tidak linear, ralat
tentukuran alat, alat rosak. Ralat boleh ditentukan dengan
membandingkan bacaan yang diberikan dengan
nilai piawai dan boleh tentukan samada ralat adalah
tetap atau berkadaran.
Ralat instrument boleh dikurangkan dengan
melakukan penentukuran alat, dapatkan faktor pembetulan
daripada ralat yang didapati, lakukan lebih
dari satu cara pengukuran. Seelok-eloknya selalu lakukan
pemeriksaan alatan untuk memastikan bacaan
adalah tepat seperti yang dikehendaki.
Ralat Sekitaran:
Ralat sekitaran adalah akibat dari pengaruh
keadaan sekitaran seperti suhu, kelembapan, medan magnet,
elektrik/elektrostatik. Untuk mengelakkan
berlakunya ralat jenis ini lakukan eksperimen/tempatkan
instrument pada suhu/kelembapan sekitaran
yang dibenarkan, hindarkan dari kesan medan magnet
dll. Seeloknya gunakan instrument yang
tahan terhadap perubahan keadaan sekitaran/tahan lasak.
3- Ralat Rawak
Ralat
yang selain dari ralat kasar/pengguna dan sistematik yang telah dipertimbangkan
dalam
pengukuran. Ralat rawak boleh dikenalpasti
jika bacaan berubah dengan tidak menentu, walaupun
pengukuran dilakukan berulangkali. Ralat
jenis ini tidak diketahui puncanya dan selalunya kurang
diambil kira melainkan pengukuran memerlukan
kejituan yang tinggi.
1.2.2 BAGAIMANA RALAT DINYATAKAN
Ralat boleh dinyatakan dalam bentuk Ralat
Mutlak atau % Ralat,.
i- Ralat Mutlak
e = | Yn - Xn | di mana;
e : Ralat Mutlak
Yn : Nilai sebenar
Xn : Nilai ukuran
ii- % Ralat (ralat nisbi)
Yn - Xn
% e = ------------ X 100%
Yn
iii- Ketepatan Relatif (A)
Yn - Xn
A = 1 - -------------
Yn
iv- % Ketepatan Relatif (a)
a = 100% - %e
Contoh :
Nilai sebenar voltan merentasi sebuah perintang
10k ialah 10v.Daripada pengukuran,bacaan yang
diperolehi ialah 9.8v.Kirakan ralat mutlak,ralat
nisbi,ketepatan relatif dan %ketepatan relatif.
Jawapan : 1.Ralat mutlak : e =
| Yn - Xn |
= | 10v-9.8v | = 0.2v #
2.Ralat nisbi : [ (10-9.8)/10v ]/10v x 100% = 2% #
3.Ketepatan relatif : A = 1- (10-9.8)/10v = 0.98 #
4.%Ketepatan relatif : a = 100%-2%
= 98% #
1.2.3 ANALISIS RALAT STATISTIK
Salah
satu cara menganalisis ralat ialah dengan menggunakan kaedah statistik.
Kaedah ini
memerlukan bilangan sampel data yang banyak
untuk dianalisis dan ditentukan nilai min/purata,
sisihan min dan sisihan piawai data-data
tersebut.
i- Nilai min/purata (Xa)
n: bilangan bacaan
X: bacaan diambil
ii- Sisihan min (dn)
dn = Xn - Xa
iii- Min Sisihan (D)
Dapat menunjukkan kepersisan instrument
yang digunakan. D yang rendah menunjukkan
kepersisan instrument yang tinggi.
iv Sisihan Piawai (d
)
.
1.2.4 RALAT PENGHAD
Ketepatan
sesebuah instrument dijamin oleh pengeluar untuk suatu had tertentu sahaja.
Biasanya ketepatan dinyatakan dalam bentuk
peratus (%) skil penuh instrument (contoh meter)
tersebut. Komponen-komponen litar elektronik
seperti perintang, kapasitor dll juga dijamin berada
dalam lingkungan nilai tertentu berdasarkan
peratusan dari nilai namaan yang diberikan. Sisihan dari
spesifikasi yang telah ditetapkan tadi
dinamakan Ralat Penghad.
Ralat penghad boleh juga dikatakan sebagai
ralat maksimum yang mungkin berlaku semasa
menggunakan instrument dan komponen, bacaan
adalah dijamin tidak melebihi nilai yang telah ditetapkan.
Contoh:
Sebuah meter voltan berjulat 300V dan disspesifikasikan
sebagai tepat dalam jangka ±
2% daripada skala penuh. Kirakan ralat
penghad apabila peralatan tersebut digunakan untuk
mengukur bekalan 120V.
Jawapan : magnitud ralat penghad
= 0.02 x 300
= 6v
oleh itu ralat penghad bagi 120v = (6/120) x 100%
= 5% #
Contoh:
Satu meter volt berjulat 150V dan satu
meter ampere berjulat 100mA dengan ketepatan 1%
dari pesongan skala penuh digunakan untuk
mengukur kuasa yang dilesapkan oleh suatu perintang.
Jika bacaan meter volt 80V dan meter ampere
70mA, kirakan kuasa lesapan dan ralat penghadnya.
Jawapan : ralat penghad bagi meter
volt : 0.01 x 150v = 150v
ralat penghad pada 80v : (1.5/80) x 100% = 1.86% #
ralat penghad bagi meter ampere : 0.01 x 100 mA = 1mA
ralat penghad pada 70mA : (1mA/70) x 100% = 1.43% #
ralat penghad bagi pengiraan kuasa : P = VI
= 1.86% + 1.43% = 3.29% #
1.2.5 GABUNGAN RALAT PENGUKURAN
Katakan A dan B ialah nilai namaan bagi
A dan B.
At dan Bt pula ialah
had terima/ralat mutlak bagi A dan B.
Maka; A = A + At
= A + %A
B = B + Bt = B + %B
Oleh itu : (i) C = (A+B) ; Ct
= (At + Bt)
(ii) C = (A-B) ; Ct = (At + Bt)
(iii) C = (A x B) ; %C = (%A + %B)
(iv) C = (A/B) ; %C = (%A + %B)
1.3.1 Piawaian
Piawai
pengukuran adalah suatu bahan ukuran, instrument ukuran atau sistem ukuran
yang digunakan untuk mentakrif, mewujud
dan memelihara nilai sesuatu kuantiti untuk
dibandingkan dengan lain-lain instrument
mengukur. Piawai pengukuran terdiri dari beberapa
kategori seperti berikut:
1. Piawai Antarabangsa :
Suatu piawai yang diterima secara persetujuan
antarabangsa untuk digunakan sebagai asas
untuk menetapkan nilai-nilai lain
piawai kuantiti berkenaan.
-BSI- British Standard Institution
-IEC- International Electrotechnical Commission
-ISO- International Organisation for Standardization
2. Piawai Utama :
Piawai ini adalah di peringkat kebangsaan
yang telah diterima secara rasmi oleh sesebuah negara
untuk digunakan sebagai asas bagi menetapkan
nilai-nilai lain kuantiti berkenaan di negara tersebut.
- Makmal Metrologi Kebangsaan M'sia SIRIM
3. Piawai Kedua :
Dikenali juga sebagai piawai rujukan dan
digunakan di makmal-makmal industri.
Contoh:
- SIRIM
- Pusat Penyelidikan Pertahanan, Kem. Pertahanan
- Timbang & Sukat Kem. Perdagangan
& Perindustrian
- Universiti tempatan
- Indistri
4. Piawai Kerja :
Suatu piawai yang ditentukur dengan menggunakan
piawai kedua. Piawai ini digunakan untuk
menentukur atau memeriksa bahan ukuran
atau instrument-instrument mengukur sesebuah makmal
misalnya ketepatan sesuatu alat.
- SIRIM
- Universiti tempatan
- Industri
1.3.2 Penentukuran
Penentukuran
adalah proses membandingkan dan membetulkan keluaran sesuatu instrument
dengan nilai piawai. Instrument perlu ditentukur
apabila keluarannya telah terkeluar dari spesifikasi
yang telah ditetapkan/ditentukan. Kekerapan
penentukuran perlu dilakukan bergantung kepada
keperluan dan penggunaannya.
Sesuatu
pengukuran dikatakan sah hanya jika wujud kebolehkesanan(traceability).
Kebolehkesanan : sifat keputusan
pengukuran yang menunjukkan ia boleh dihubungkan
dengan piawai yang berkaitan, biasanya
piawai antarabangsa/kebangsaan melalui rantai perbandingan
yang tidak putus.