Pengertian Vibrasi Relatif dan Absolut

Sebelum kita lanjutkan pembahasan mengenai vibrasi relatif dan absolut, perlu kita luruskan terlebih dahulu mengenai hal ini. Vibrasi relatif dan absolut bukan termasuk ke dalam salah satu pengklasifikasian vibrasi (baca artikel berikut untuk mengetahui pengklasifikasian vibrasi). Vibrasi relatif dan absolut hanya sebuah metode sudut pandang, untuk mengukur getaran.

Vibrasi Relatif

Sesuai dengan namanya, relatif adalah sebuah teknik ukur yang mengacu terhadap sebuah titik tertentu yang tidak diam. Maka vibrasi relatif adalah sebuah pengukuran getaran (baik amplitudo, kecepatan, ataupun akselerasi) yang diukur relatif terhadap posisi sensor getaran.

Kita ambil contoh misalnya pada pengukuran getaran poros mesin sesuai gambar di atas. Alat ukur getaran poros yang berupa sensor eddy current, dipasang sangat dekat dengan posisi bearing mesin. Sehingga ketika timbul getaran pada poros mesin, sensor akan membaca getaran yang nilainya relatif terhadap posisi transduser.

Jika terjadi getaran yang bersamaan antara poros dengan bearing mesin, maka sensor getaran ini akan membaca nol. Ketika hal ini terjadi, maka kondisi pemasangan landasan mesin terhadap pondasi dasar harus sangat diperhatikan.

Begitu pula sebaliknya, jika terjadi getaran pada poros mesin akibat kegagalan bearing misalnya, maka sensor transduser akan membaca nilai getaran yang tinggi relatif terhadap posisi sensor. Dengan kata lain, jika getaran relatif terjadi maka diperkirakan kerusakan terjadi pada bearing mesin.

Satu sensor eddy current dengan pergeseran 0-peak (S0-peak)
Satu sensor eddy current dengan pergeseran peak-peak (Speak-peak)

Ada dua cara penggunaan sensor eddy current, pertama adalah menggunakan satu saja sensor. Jika ini digunakan, maka sensor ditempatkan tepat di bagian atas tengah bearing. Sedangkan cara kedua adalah dengan menggunakan dua sensor yang dipasangkan pada posisi +45° dan -45° dari garis vertikal poros (sesuai gambar di bawah).

Dua sensor eddy current dengan pergeseran 0-peak (S0-peak)
Dua sensor eddy current dengan pergeseran peak-peak (Speak-peak) serta data orbit poros mesin

Sensor eddy current memerlukan proses konversi sehingga pembacaan tegangan keluaran sensor dapat diubah ke nilai pergeseran (displacement). Jika ingin mengetahui nilai kecepatan maka dibutuhkan proses integrasi dari nilai pergeseran, dan inegrasi dobel jika ingin mengetahui nilai akselerasi relatif getaran.

Vibrasi Absolut

Absolut adalah sebuah teknik ukur yang mengacu terhadap sebuah titik diam di ruang angkasa. Maka vibrasi absolut adalah sebuah pengukuran getaran (baik amplitudo, kecepatan, ataupun akselerasi) yang diukur terhadap titik diam di ruang angkasa.

Umumnya pengukuran getaran absolut hanya menggunakan transduser kecepatan atau akselerasi. Sensor transduser kecepatan dilengkapi dengan lilitan sebagai titik referensi, sedangkan transduser akselerasi menggunakan sebuah massa.

Getaran absolut pada sebuah poros mesin tidak dapat diukur secara langsung. Diperlukan sebuah metode pengukuran dan perhitungan secara real-time.

Mengukur getaran absolut sebuah poros mesin seperti gambar di atas, diperlukan pengukuran pergeseran relatif poros menggunakan sensor eddy current sama seperti pada pengukuran getaran relatif. Diperlukan pula pengukuran getaran absolut pada bearing menggunakan sensor akselerometer atau sensor kecepatan, yang diatur memiliki sumbu yang sama dengan posisi sensor eddy current.

Nilai getaran absolut poros didapatkan dengan menghitung selisih antara getaran relatif poros terhadap bearing, dengan getaran absolut bearing. Nilai getaran absolut poros hasil perhitungan dapat berupa pergeseran 0-peak, atau juga pergeseran peak-peak seperti yang ditunjukkan pada grafik di bawah ini.

Pergeseran absolut poros 0-peak (S0-peak)
Pergeseran absolut poros peak-peak (Speak-peak)

Sedangkan untuk menghitung kecepatan getaran, diperlukan proses integrasi dari nilai pergeseran absolut. Sedangkan nilai akselerasi getaran didapatkan dengan melakukan integrasi ganda.

Referensi:

Macam-macam Alat Ukur Getaran

Gambar di bawah ini menunjukkan bagaimana skema mengukur getaran suatu benda. Ditunjukan bahwa gerakan ( atau gerakan dinamik) dari getaran dikonversikan menjadi sinyal elektrik oleh transduser vibrasi. Secara umum, transduser adalah alat untuk mengonversikan suatu perubahan nilai mekanik (seperti pergeseran, kecepatan, akselerasi, atau gaya) menjadi perubahan nilai elektrik (tegangan atau arus). Tegangan ataupun arus yang dikeluarkan oleh transduser, masih terlalu lemah jika langsung direkam. Oleh karena itulah, diperlukan sistem penguat sinyal sehingga dapat ditampilkan secara visual pada layar komputer atau disimpan untuk analisis lebih lanjut. Analisis data vibrasi digunakan untuk menentukan apakah karakteristik getaran yang terjadi masih aman pada mesin terkait.

Berdasarkan parameter getaran yang diukur, alat ukur getaran dapat dinamakan vibrometer, velocity meter, accelerometer, phase meter, atau frequency meter. Namun pada beberapa penggunaan, perlu diketahui juga bagaimana karakteristik resonansi sebuah mesin. Untuk tujuan tersebut, digunakanlah electrodynamic vibrator, electrohydraulic vibrator, dan signal generator (oscillator).

Transduser

Transduser adalah sebuah alat untuk mengonversikan nilai variabel fisik menjadi sinyal listrik yang ekuivalen. Berikut adalah tipe-tipe alat ukur getaran menggunakan prinsip transduser.

  1. Transduser Variabel Resistansi (Variable Resistance Transducers)
  2. Transduser ini mengubah gerakan mekanis menjadi perubahan tahanan listrik (rheostat, strain gage, atau semikonductor), sehingga terjadi perubahan tegangan atau arus listrik. Selanjutnya, tegangan atau arus listrik keluaran dari transduser diterjemahkan menjadi nilai gerakan mekanis (getaran) secara proporsional.

    Gambar di atas adalah ilustrasi dari sistem strain gage. Satu komponen utama dari strain gage adalah sebuah kabel sangat tipis yang akan berubah nilai tahanannya jika subjek mengalami deformasi (lendutan). Kabel ini diapit oleh sepasang lembar kertas tipis. Rangkaian strain gage tersebut dipasang ke struktur yang ingin diukur getarannya. Ketika strain gage terpasang pada struktur tersebut, ia akan mengalami gerakan (strain) yang sama persis dengan yang dialami oleh struktur, sehingga nilai resistansi keluaran strain gage akan berubah seiring perubahan gerakan.

    Material paling umum yang digunakan sebagai bahan strain gage adalah logam paduan tembaga-nikel.

  3. Transduser Piezoelectric
  4. Bahan alami maupun buatan tertentu seperti kuarsa, turmalin, litium sulfat, dan garam Rochelle menghasilkan muatan listrik ketika mengalami deformasi atau tekanan mekanis (lihat gambar (a) di bawah). Muatan listrik akan hilang ketika gaya mekanik dilepas. Bahan-bahan tersebut disebut sebagai bahan piezoelektrik. Sedangkan transduser yang memanfaatkan efek piezoelektrik, dikenal sebagai transduser piezoelektrik.

    Sebuah transduser piezoelektrik khas (akselerometer) ditunjukkan pada gambar (b). Pada gambar tersebut, massa kecil berpegas dibebankan ke sebuah kristal piezoelektrik. Ketika basis bergetar, beban yang diberikan oleh massa kepada kristal berubah dengan percepatan, maka tegangan output yang dihasilkan oleh kristal akan sebanding dengan percepatan. Keuntungan utama dari penggunaan accelerometer piezoelektrik antara lain adalah kekompakan, kekasaran, sensitivitas tinggi, dan rentang frekuensi tinggi.

  5. Transduser Elektrodinamik
  6. Ketika sebuah konduktor listrik, yang berbentuk lilitan, bergerak di dalam sebuah medan magnet seperti yang ditunjukkan di gambar di bawah ini, maka akan timbul tegangan listrik (E) pada konduktor.

    E = Dlv

    dimana D adalah kerapatan flux magnet (tesla), l adalah panjang konduktor (meter), dan v adalah kecepatan relatif konduktor terhadap medan magnet (m/s).

    Medan magnet dapat dihasilkan dari magnet permanen atau elektromagnet. Terkadang, kumparan dibuat diam dan magnetlah yang bergerak. Karena output tegangan dari transduser elektromagnetik sebanding dengan kecepatan relatif kumparan, maka alat ini lebih sering digunakan dalam untuk mengukur kecepatan getaran.

  7. Linear Variable Differential Transformer Transducer (Transduser LVDT)
  8. Skema diagram transduser LVDT ditunjukkan oleh gambar di bawah ini. Tranduser ini tersusun atas lilitan primer di bagian tengah, lalu dua lilitan sekunder di masing-masing ujungnya, serta sebuah inti magnet yang dapat bergerak bebas di dalam lilitan dengan arah aksial.

    Ketika tegangan AC mengaliri lilitan primer, maka tegangan output akan sama dengan perubahan induksi tegangan pada lilitan sekunder. Tegangan keluaran ini tergantung atas kopling magnetik antara lilitan dengan inti magnet, yang artinya tergantung atas pergerakan aksial inti magnet.

    Lilitan sekunder tersambung secara terbalik, sehingga ketika inti magnet tepat berada di tengah-tengah, maka tegangan dari dua lilitan adalah sama, namun saling berkebalikan 180° berbeda fase. Hal ini akan menghasilkan tegangan keluaran LVDT sama dengan nol. Ketika inti bergerak ke kanan maupun ke kiri, gaya magnet pada salah satu kumparan sekunder akan naik dan turun di kumparan sekunder lainnya. Dengan demikian, arah output tergantung dari arah gerakan inti magnet.

    Rentang gerakan dari LVDT pada umumnya adalah berkisar pada angka 0,0002 cm hingga 40 cm. Keuntungan dari penggunaan transduser ini dibandingkan dengan tipe lain adalah ketidaksensitifitasnya terhadap perubahan temperatur dan output tinggi. Namun demikian, massa dari inti magnet membuat transduser LVDT tidak cocok digunakan untuk mengukur getaran frekuensi tinggi.

Vibration Pickup

Ketika transduser digunakan bersamaan dengan alat lain untuk mengukur getaran, maka alat tersebut dinamakan vibration pickup (pikap getaran). Alat pikap getaran yang umum digunakan dikenal dengan instrumen seismik. Seismik tersusun atas sistem massa-pegas-peredam yang terpasang pada sumber getaran (sesuai dengan gambar di bawah). Lalu gerakan getaran diukur dengan menggunakan perpindahan massa relatif terhadap basis alat.

  1. Vibrometer
  2. Vibrometer atau dikenal juga dengan seismometer adalah alat untuk mengukur pergeseran (amplitudo) getaran benda. Tetap dengan menggunakan rangkaian seismik, alat ini mengukur pergeseran yang timbul antara massa relatif terhadap basis, yang secara prinsip nilainya sama dengan pergeseran getaran pada basis.

  3. Akselerometer
  4. Akselerometer menjadi instrumen ukur getaran yang paling banyak digunakan. Tak hanya getaran biasa, akselerometer juga populer digunakan untuk mengukur kekuatan gempa bumi.

    Akselerometer bekerja dengan mengukur nilai akselerasi/percepatan getaran yang terjadi. Dengan rumus integrasi biasa, kita juga bisa mendapatkan data amplitudo getaran dari alat ini.

  5. Velometer
  6. Sesuai namanya, velometer adalah alat seismik yang mengukur kecepatan getaran. Alat ini digunakan untuk kebutuhan umum pengukuran getaran dengan biaya murah. Velometer dibutuhkan terutama pada industri yang membutuhkan pengukuran kecepatan getaran.

Alat Ukur Frekuensi

Alat untuk mengukur frekuensi getaran umumnya bekerja secara mekanis dan menggunakan prinsip resonansi. ADa dua tipe alat ukur ini yaitu:

  1. Fullarton Tachometer
  2. Instrumen ini terdiri dari strip kantilever variabel-panjang dengan massa yang melekat pada salah satu ujungnya. Ujung lain dari strip dijepit, dan panjangnya dapat diubah dengan menggunakan mekanisme sekrup (lihat gambar di bawah (a)). Karena setiap panjang strip sesuai dengan frekuensi alami yang berbeda, buluh ditandai sesuai dengan frekuensi alaminya. Dalam prakteknya, ujung yang dijepit ditekan pada tubuh yang bergetar, dan mekanisme sekrup dimanipulasi untuk mengubah panjang bebasnya sampai ujung bebas menunjukkan amplitudo getaran terbesar. Pada saat itu, frekuensi eksitasi sama dengan frekuensi alami kantilever; hal tersebut bisa dibaca langsung dari strip.

  3. Frahm Tachometer
  4. Instrumen ini terdiri dari sejumlah buluh kantilever yang membawa massa kecil di ujungnya (lihat gambar (b) di bawah). Setiap buluh memiliki frekuensi alami yang berbeda dan diberi tanda yang sesuai. Menggunakan sejumlah buluh memungkinkan untuk mencakup rentang frekuensi yang lebih banyak. Ketika instrumen dipasang pada benda yang bergetar, buluh dengan frekuensi alami terdekat dengan sumber getaran akan bergetar dengan amplitudo terbesar. Nilai frekuensi dari sumber getaran dapat ditentukan dari frekuensi yang diketahui dari buluh yang bergetar tersebut.

  5. Stroboscope
  6. Stroboscope adalah instrumen yang menghasilkan cahaya berkedip sebentar-sebentar. Frekuensi di mana kedipan cahaya dihasilkan, dapat diubah dan dibaca dari instrumen. Ketika titik tertentu pada objek yang berputar (bergetar) dilihat dengan stroboscope, akan tampak stasioner hanya ketika frekuensi cahaya pulsasi sama dengan kecepatan objek berputar (bergetar). Keuntungan utama dari stroboscope adalah bahwa ia tidak melakukan kontak dengan tubuh yang berputar (bergetar). Karena keterbatasan penglihatan, frekuensi terendah yang dapat diukur dengan stroboscope adalah sekitar 15 Hz.

Macam-Macam Getaran

Macam-Macam Getaran - Secara umum getaran dapat diklasifikasikan menjadi beberapa yakni:

  1. Getaran Bebas dan Paksa
    Getaran Bebas. Jika sebuah sistem diberi inisial gangguan, sehingga ia bergetar dengan sendirinya, maka getaran tersebut dinamakan dengan getaran bebas. Tidak ada gaya eksternal bekerja pada sistem. Gerakan bolak-balik sebuah pendulum adalah contoh dari getaran bebas.

    Getaran Paksa. Jika sebuah sistem diberi gaya dari luar (lebih tepatnya gaya yang berulang-ulang), maka getaran yang timbul pada sistem tersebut disebut sebagai getaran paksa. Getaran yang timbul pada mesin diesel yang sedang bekerja misalnya, adalah salah satu contoh dari getaran paksa.

    Jika frekuensi sebuah gaya eksternal tepat sama dengan frekuensi getaran sistem, maka akan menimbulkan resonansi. Resonansi inilah yang sangat membahayakan sistem. Kerusakan dari struktur bangunan, jembatan, turbin, hingga sayap pesawat terbang sering kali dikaitkan dengan timbulya resonansi getaran tersebut.

  2. Getaran Teredam dan Tidak Teredam
    Jika tidak ada energi dalam sebuah getaran yang hilang atau terdisipasi akibat adanya gesekan atau hambatan lainnya, maka getaran tersebut dikenal dengan Getaran Tidak Teredam. Sedangkan jika sebuah getaran mengalami pengurangan energi secara bertahap, maka dinamakan Getaran Teredam. Pada berbagai sistem, nilai dari peredaman sangat kecil sehingga sering kali diabaikan. Namun juga sebaliknya, ada sistem-sistem lain yang justru peredaman menjadi komponen penting, sistem shock absorber pada kendaraan bermotor misalnya.
  3. Getaran Linier dan Non-Linier
    Jika semua komponen dasar dari sistem getaran yaitu pegas, massa, dan peredam berperilaku linier, getaran yang dihasilkan dikenal sebagai Getaran Linier. Namun, jika salah satu atau lebih dari komponen dasar tersebut berperilaku tidak linier, maka getaran disebut sebagai Getaran Non-Linier. Persamaan diferensial dibuat untuk menggambarkan perilaku sistem getaran linier dan nonlinier. Jika getarannya linear, prinsip superposisi berlaku, dan teknik analisis matematis dikembangkan dengan baik. Untuk getaran nonlinier, prinsip superposisi menjadi tidak valid, dan teknik analisis menjadi lebih sulit. Karena semua sistem getaran cenderung berperilaku nonlinier seiring dengan meningkatnya amplitudo osilasi, pengetahuan tentang getaran nonlinier lebih dikembangkan dalam menangani sistem getaran praktis.
  4. Getaran Deterministik dan Acak
    Jika nilai atau besarnya eksitasi (gaya atau gerakan) yang bekerja pada sistem getaran diketahui pada waktu tertentu, eksitasi tersebut disebut sebagai deterministik, dan getaran yang dihasilkan dikenal sebagai Getaran Deterministik.

    Dalam beberapa kasus, eksitasi bersifat nondeterministik atau acak; nilai eksitasi pada waktu tertentu tidak dapat diprediksi. Dalam kasus ini, data eksitasi yang luas mungkin menunjukkan beberapa keteraturan statistik. Pada kondisi ini, adalah mungkin untuk memperkirakan nilai rata-rata dan nilai rata-rata kuadrat dari eksitasi. Contoh eksitasi acak adalah kecepatan angin, kekasaran jalan, dan gerakan tanah selama gempa bumi. Jika eksitasi bersifat acak, getaran yang dihasilkan disebut Getaran Acak. Dalam hal ini respons vibrasi dari sistem juga acak; dan kondisi itu hanya dapat dijelaskan melalui perhitungan statistik.