BAB IV PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM

BAB IV PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM


IV.1 Deskripsi Perangkat Perangkat yang dirancang dalam tugas akhir ini merupakan sistem instrumentasi pengukuran yang bertujuan untuk merekam data sinyal dari accelerometer dan sinyal dari strain gauge pada paku bumi saat dipancang ke dalam tanah. Hammer Impact Strain Gage Accelerometer Pengolah Sinyal ADC

Gambar IV.1 Akuisisi data sinyal strain gauge dan accelerometer

18


Secara umum alat terdiri dari sensor, pengolah sinyal, ADC, dan komputer. Alat penerima stimulus ini adalah sensor accelerometer dan strain gauge. Stimulus mekanik yang diterima, diubah menjadi sinyal elektronik oleh kedua sensor dan masuk ke rangkaian-rangkaian pengolah sinyal yang kemudian masuk ke ADC lalu dihubungkan ke komputer.

IV.2 Diagram Blok Alat PERANGKAT KERAS PENERIMA SINYAL ACCELEROMETER

STRAIN GAUGE

PENGOLAH SINYAL

TRIGGER

JEMBATAN WHEATSTONE BUFFER PENGUAT INSTRUMENTASI

ANALOG TO DIGITAL CONVERTER

KOMUNIKASI UNIVERSAL SERIAL BUS USB

PERANGKAT LUNAK PENGOLAH SINYAL

LABVIEW 8

Gambar IV.2 Diagram Blok Perangkat

19


Pada gambar IV.2, Bagian penerima sinyal percepatan yaitu accelerometer dipasang di sisi bagian atas dari paku bumi. Sensor accelerometer berfungsi untuk menangkap stimulus mekanik berupa getaran akibat pemancangan tiang ke dalam tanah dan mengubahnya menjadi sinyal elektronik. Selanjutnya sinyal elektronik ini diolah pada bagian pengolah sinyal. Pengolahan sinyal meliputi penguatan dan penapisan. Sinyal yang telah diolah melalui perangkat keras diubah ke dalam bentuk digital dengan ADC dan diteruskan ke komputer melalui kabel USB. Untuk pengukuran gaya yang bekerja pada paku bumi, bagian penerima sinyal yang digunakan adalah sensor strain gauge. Sensor ini berfungsi untuk mengukur regangan dari paku bumi saat dipancang. Penempatan sensor ini sama seperti accelerometer, yaitu direkatkan di ujung sisi atas paku bumi. Sifat elastis yang dimiliki oleh beton yang merupakan bahan dari paku bumi ini menyebabkan perubahan resistansi dari strain gauge setelah mengalami hantaman dari palu pemancang. Dengan menggunakan rangkaian jembatan Wheatstone akan didapatkan sinyal tegangan hasil dari perubahan resistansi. Pengolahan sinyal yang dilakukan meliputi penguatan dengan penguat instrumentasi.

pengubahan sinyal dari dari analog ke digital

menggunakan ADC yang sama dengan ADC yang digunakan untuk pengubahan sinyal analog dari accelerometer. Sinyal digital diteruskaan ke komputer melalui kabel USB. Perangkat lunak yang dirancang oleh penulis dalam program LabView 8

dapat

menampilkan sinyal dalam bentuk kurva yang ditampilkan di layar monitor dan merekamnya untuk disimpan dalam folder penyimpanan untuk dilihat kembali pada saat akan diolah.

20


IV.3 Fungsi dan Cara Kerja Fungsi dan cara kerja setiap bagian alat yang terdapat pada gambar 3.1 dijelaskan lebih rinci sebagai berikut:

Accelerometer Accelerometer adalah alat ukur inersial yang mengubah gelombang mekanik menjadi sinyal elektronik. Sinyal yang dihasilkan selaras dengan percepatan getaran yang menggunakan prinsip piezoelektrik. Alat ukur inersial ini mengukur gerakan yang relatif terhadap massa yang terdapat dalam accelerometer. Prinsip kerja alat ini mengikuti hukum ketiga Newton tentang aksi-reaksi: aksi yang diberikan terhadap suatu benda akan menghasilkan reaksi yang sama dari benda tersebut dengan aksi yang diberikan terhadapnya.

Rangkaian Penyangga / buffer Rangkaian buffer berfungsi untuk mengisolasi bagian sensor dan bagian pengukuran pada ADC. Rangkaian buffer ini juga berfungsi sebagai bandpass filter untuk menghindari terjadinya aliasing pada proses pembacaan data.

Strain gauge Strain gauge adalah suatu sensor resistive yang elastis yang mempunyai hambatan atau resistansi yang merupakan fungsi dari regangan. Suatu perubahan resistansi pada suatu material akibat dari deformasi secara mekanik disebut efek piezoresistive. Strain gauge adalah salah satu material yang mengalami efek piezoresistive tersebut.

Jembatan Wheatstone Untuk mengetahui besar perubahan hambatan dari strain gauge maka diperlukan suatu rangkaian yang dinamakan rangkaian jembatan Wheatstone. Rangkaian jembatan Wheatstone ini memiliki empat buah resistor atau hambatan yang besarnya

21


sama. Salah satu resistor adalah sensor strain gauge yang berfungsi menerima stimulus berupa regangan.

Penguat Instrumentasi Pada bagian ini terdiri atas rangkaian penguat dengan OpAmp. Sinyal yang diterima akan diperkuat sesuai dengan perbandingan nilai resistor pada rangkaian.

ADC (Analog to Digital Converter) 14 bit ADC yang digunakan pada perangkat ini yaitu ADC 14 bit buatan National Instrument. Masukan sinyal analog dari accelerometer dan strain gauge setelah melalui pengolahan sinyal diubah ke digital dan masuk melalui USB ke komputer. Komunikasi USB (Universal Serial Bus)

LabView8 Perangkat lunak memiliki fungsi untuk mengolah kembali sinyal untuk mendapatkan data yang dibutuhkan. Perangkat lunak juga berfungsi sebagai user interface dalam menggunakan alat ini. Bahasa pemrograman yang digunakan dalam pengembangan perangkat lunak ini adalah bahasa pemrograman pada LabView 8.

Monitor dan PC Keluaran dari perangkat ini berupa kurva plot amplitudo terhadap waktu. Baik itu stimulus accelerometer ataupun stimulus dari strain gauge. Untuk menampilkan kurva plot keluaran tersebut digunakan monitor. Dari penjelasan fungsi tiap bagian sistem tersebut, dapat dideskripsikan cara kerja alat sebagai berikut: Stimulus mekanik berupa getaran akibat dari pukulan palu pemancang ke ujung paku bumi diterima oleh sensor accelerometer yang di pasang di sisi atas paku bumi. Begitu pula regangan dari paku bumi saat dipancangkan, diterima oleh sensor strain

22


gauge. Stimulus mekanik tersebut diubah menjadi besaran sinyal elektronik yaitu sinyal tegangan. Sinyal tegangan ini kemudian diperkuat oleh rangkaian penguat OpAmp. Dari OpAmp dihubungkan ke ADC.. Dari ADC sinyal tersebut diteruskan ke komputer dan dapat langsung dilihat di layar komputer menggunakan program. Dengan pengolahan sinyal di LabView 8 sinyal accelerometer di ubah menjadi sinyal kecepatan untuk sinyal dari accelerometer melalui proses integrasi. Nilai dari perubahan regangan akibat hantaman palu di ujung tiang dari sensor strain gauge diubah menjadi besaran sinyal elektronik berupa sinyal tegangan oleh rangkaian jembatan wheatstone. Sinyal elektronik ini kemudian diperkuat oleh rangkaian penguat OpAmp. Dari OpAmp dihubungkan ke ADC masuk ke komputer melalui kabel USB. Sinyal dari strain gauge dikalikan dengan faktor pengali yaitu modulus elastis dari paku bumi dan luas penampang dari gaya impuls untuk mendapatkan sinyal gaya. Sinyal ini kemudian ditampilkan secara bersama-sama dengan sinyal kecepatan dari accelerometer di layar komputer menggunakan perangkat lunak LabView 8.

IV.4 Spesifikasi Alat Spesifikasi alat yang dirancang dan direalisasikan ditunjukkan pada tabel 4.1. Seperti yang telah dijelaskan, sistem ini terdiri dari dua bagian, yaitu perangkat keras yang menangkap sinyal dan menghubungkan alat ke komputer dan perangkat lunak aplikasi komputer yang digunakan untuk mengolah sinyal, menghitung, dan menyimpan sinyal.

23


Tabel IV.1 Spesifikasi Perangkat Spesifikasi Sinyal Masukan

Keterangan •

Stimulus

mekanik

percepatan

dan

regangan

dari

pemancangan paku bumi •

Panjang 60 mm

•

Resistansi 120 ± 0.3 Ω

•

Gauge factor 2,09 ± 1 %

•

Tranverse Sensitivity 0,8 %

Accelerometer

•

Daerah kerja frekuensi masukan ± 1 Hz – 1000 Hz

Komunikasi

•

Universal Serial Bus (USB)

•

Monitor komputer untuk menampilkan kurva plot sinyal

Strain Gauge

perangkat ke komputer Peraga

kecepatan partikel dan gaya terhadap waktu. Bahasa

•

pemrograman Fungsi Bagian

Bahasa pemrograman Virtual instrument LabView 8 untuk pengembangan aplikasi pengolah sinyal perangkat lunak

•

Perangkat Keras

Menerima stimulus mekanik berupa percepatan dari getaran dari paku bumi dan mengubah menjadi sinyal elektronik

•

Menerima stimulus mekanik berupa regangan dari paku bumi dan mengubah menjadi sinyal elektronik

Fungsi Bagian

•

Memperkuat sinyal

•

Menghubungkan dengan ADC

•

Menghitung kecepatan partikel yang bekerja pada paku

24


Perangkat Lunak

bumi dari sinyal accelerometer •

Menghitung gaya yang bekerja pada paku bumi dari sinyal strain gauge

•

Menampilkan kurva sinyal kecepatan terhadap waktu

•

Menampilkan kurva sinyal gaya terhadap waktu

•

Merekam kurva sinyal kecepatan dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm

•

Merekam kurva sinyal gaya dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm

IV.5 Perancangan Perangkat Keras

IV.5.1 Sinyal Strain Gauge IV.5.1.1 Sensor Strain Gauge

Gambar IV.3 Sensor Strain gauge

25


Sensor ini bekerja apabila diberikan stimulus sehingga terjadi perubahan regangan. Perubahan regangan ini mengakibatkan terjadinya perubahan resistansi. Sensor yang digunakan memiliki nilai resistansi sebesar 120 ± 0.3 Ω. Untuk mendeteksi perubahan resistansi ini digunakan rangkaian jembatan Wheatstone sebagai salah satu pengolah sinyalnya.

IV.5.1.2 Jembatan Wheatstone

Gambar IV.4 Rangkaian Jembatan Wheatstone Nilai resistansi dari perangkat yang dirancang untuk R1 dan R2 adalah sebesar 120 Ω. Untuk resistansi R3 sebesar 100 Ω dan Rv adalah resistor variabel antara 0 – 50 Ω. Tegangan input sebesar 5 Volt dan nilai gauge factor( S e ) adalah 2.09. Jika diumpamakan resistor variabel di set menjadi 20 Ω dan perubahan dari strain gauge (ΔR) di set dari -1 sampai 1 Ω. ΔVout 1 = S eε Vref 4 Maka secara teori, regangan yang terjadi bernilai seperti di dalam tabel.

26


straingauge (Ω) R ΔR 120 -1 120 -0.9 120 -0.8 120 -0.7 120 -0.6 120 -0.5 120 -0.4 120 -0.3 120 -0.2 120 -0.1 120 0 120 0.1 120 0.2 120 0.3 120 0.4 120 0.5 120 0.6 120 0.7 120 0.8 120 0.9 120 1

Vref (V) 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Vout (mV) -10.4603 -9.41029 -8.3612 -7.313 -6.26566 -5.21921 -4.17362 -3.12891 -2.08507 -1.0421 0 1.041233 2.081599 3.121099 4.159734 5.197505 6.234414 7.270461 8.305648 9.339975 10.37344

Strain, ε (μm/m) -4003.923845 -3602.024338 -3200.460866 -2799.23301 -2398.340348 -1997.782461 -1597.55893 -1197.669335 -798.1132603 -398.8902872 0 398.5580171 796.7841791 1194.6789 1592.242594 1989.475674 2386.378551 2782.951638 3179.195346 3575.110084 3970.696262

Tabel IV.2 Hubungan tegangan masukan referensi, tegangan keluaran jembatan wheatstone, hambatan strain gauge dan regangan

IV.5.1.3 Penguat Instrumentasi Pada rangkaian penguat, digunakan IC 741 op-amp. Berikut ini adalah gambar rangkaiannya. Penguat seperti ini biasa disebut sebagai penguat instrumentasi atau Instrumentation Amplifier.

27


Gambar IV.5 Penguat Instrumen (www.analog.com) Nilai resistor yang digunakan dalam penguat instrumen ini antara lain: R5 = R6 = 100 KΩ R1 = R2 = R3 = R4 = 1 KΩ RG = 200 Ω dan multiturn 20 KΩ

Vout = (Vin 2 − Vin1)(1 +

2 R5 R 2 )( ) RG R1 (4.1)

Jika diumpamakan penguat instrumentasi diberi masukan tegangan (Vin2) sebesar 5 mV, Vin1 sebesar 0 V dan nilai hambatan RG yang berbeda-beda dalam rentang 200 – 20 KΩ. Maka sesuai teori, keluaran tegangannya yang terjadi akan menunjukkan rentang seperti pada tabel dibawah:

28


Vin2(mV) 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

RG (Ω) 20000 17000 15000 13000 11000 9000 7000 5000 3000 1000 200

Vout(mV) 57.08333 63.13953 70.78947 80.75758 94.28571 113.6957 143.8889 197.3077 317.5 838.3333 2505

Penguatan 10.9009901 12.62790698 14.15789474 16.15151515 18.85714286 22.73913043 28.77777778 39.46153846 63.5 167.6666667 501

Tabel IV.3 Hubungan tegangan masukan, resistor variabel dan tegangan keluaran dari penguat instrumentasi Seperti yang telah dijelaskan dalam tabel maka

area penguatan dari penguat

instrumentasi perangkat ini berkisar antara 11 kali sampai 500 kali penguatan.

Gambar IV.6 Rangkaian Jembatan Wheatstone dan Penguat Instrumentasi

29


IV.5.2 Sinyal Accelerometer IV.5.2.1 Accelerometer

Sensor yang digunakan dalam pembuatan tugas akhir ini adalah sensor buatan Wilcoxon Dimensi

Gambar IV.7 Sensor Accelerometer (www.wilcoxon.com) Daerah Kerja

Gambar IV.8 Basic frequency response accelerometer (www.wilcoxon.com)

30


Sensitifitas

Sensitifitas dari sensor ini sebesar 10 V

g

atau setara dengan 1,02 V

m

s2

IV.5.2.2 Penyangga

Gambar IV.9 Rangkaian Penyangga IV.5.3 ADC 14 bit

Pengubah sinyal analog yang digunakan dalam perangkat ini adalah ADC 14 bit. Metode pengubahan sinyal dari ADC 14 bit ini adalah Successive Approximation Register (SAR). Memiliki batas maksimum masukan sebesar ±20 Volt. Dari kedua

input tegangan yang masuk ke dalan ADC ini kemudian dicacah kemudian data cacahan dikirim ke komputer melelui komunikasi USB.

31


Gambar IV.10 Analog to Digital Converter 14 bit (www.ni.com)

Gambar IV.11 Diagram Blok ADC (www.ni.com)

IV.6 Perancangan Perangkat Lunak

Perangkat lunak dari alat ini dibuat dalam pemrograman LabView 8. Fungsi yang dikembangkan dalam perangkat lunak adalah:

32


1. Menghitung kecepatan partikel yang bekerja pada paku bumi dari sinyal accelerometer

2. Menghitung gaya yang bekerja pada paku bumi dari sinyal strain gauge 3. Menampilkan kurva sinyal kecepatan terhadap waktu 4. Menampilkan kurva sinyal gaya terhadap waktu 5. Merekam kurva sinyal kecepatan dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm 6. Merekam kurva sinyal gaya dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm Program LabView 8 yang digunakan untuk mengolah sinyal memiliki fungsi-fungsi dasar pengolahan sinyal yang terintegrasi didalamnya, sehingga memudahkan dalam membuat sistem pengukuran untuk menganalisa stimulus mekanik dari pemancangan paku bumi. Untuk merancang dan merealisasi perangkat lunak dalam tugas akhir ini dilakukan dalam beberapa langkah. 1. Perancangan algoritma 2. Realisasi perangkat lunak dengan menggunakan Virtual Instrument. Berikut ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai langkah-langkah dalam perancangan dan realisasi perangkat lunak tersebut.

IV.6.1 Perancangan Algoritma Perangkat Lunak Akuisisi Data

33


Start

Tunggu instruksi dari user

no

no

Monitoring

Logging

yes

yes

Aktifkan DAQ Aktifkan DAQ

Manipulasi data

Tampilkan data Tampilkan data no Record data yes Simpan Data

Start

34


IV.6.2 Virtual Instrument LABVIEW 8

Pemograman Labview 8 ini berfungsi untuk membaca data keluaran dari ADC, set frequency sampling, plot data tegangan keluaran ke grafik, proses pemfilteran secara

software yaitu band pass filter, serta proses pemasukan parameter-parameter fisis seperti modulus elastisitas, jari-jari dari beton paku bumi, dan pengintegralan untuk data kecepatan. Dalam program yang dibuat ini terbagi menjadi dua bagian besar yaitu bagian monitoring yang berfungsi melihat sinyal secara langsung atau real time dan bagian logging yang berfungsi untuk pengambilan data.

Gambar IV.12 Block Diagram Monitoring

35


Gambar IV.13 Block Diagram Logging

IV.7 Hasil Perancangan dan Realisasi sistem instrumentasi pengukuran

36


Gambar IV.14 Front Panel Monitoring and Logging

37

BAB IV PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM

Recommend Documents