DESAIN DAN KARAKTERISASI LOAD CELL TIPE CZL601 SEBAGAI SENSOR MASSA UNTUK MENGUKUR DERAJAT LAYU PADA PENGOLAHAN TEH HITAM Iwan Sugriwan1, Melania Suweni Muntini1, Yono Hadi Pramono2 1
2
Laboratorium Elektonika-Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya Laboratorium Optoelektronika dan Microwave Jurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya Email:
[email protected]
Abstrak Proses pelayuan pada pengolahan teh hitam dicirikan oleh dua macam pelayuan, yaitu pelayuan kimia dan pelayuan fisis. Ciri utama dari pelayuan fisis adalah melemasnya daun teh karena kehilangan sekitar 47% kadar air. Kehilangan massa karena kehilangan kadar air ini diindera oleh load cell tipe CZL601 sebagai sensor massa. Load cell dikalibrasi menggunakan pembeban (anak timbangan, timbal) yang telah diukur nilai benarnya di Laboratorium Gaya dan Massa Balai Pengamanan Fasilitas Kesehatan (BPFK) Surabaya. Sinyal keluaran dari load cell, berupa tegangan, dihubungkan dengan penguat operasional yang dikonfigurasi sebagai penguat instrumentasi. Keluaran dari penguat instrumentasi selanjutnya menjadi data proses untuk rangkaian mikrokontroler Atmega8 dan diantarmuka pada Liquid Chrystall Display (LCD) dan komputer pribadi. Rancang bangun load cell dan rangkaian elektronisnya didesain khusus untuk dapat digunakan sebagai instrumen pengukur derajat layu yang akan ditempatkan di atas mesin palung pelayuan (withering trough), di mana derajat layu adalah kuantitas yang menunjukkan perbandingan berat daun teh kering dengan daun teh layu. Persamaan karakteristik load cell yang menyatakan hubungan antara tegangan dalam volt, V, dan massa dalam gram, m, adalah V = 0.0001m + 0.2014. Dari hasil karakterisasi, load cell tipe CZL601 dapat mengukur beban sampai dengan 20 kilogram dengan sensitivitas 0,02 kg. Load cell menunjukkan performa tinggi yaitu dengan linieritas tinggi dan tanpa hysteresis. Kata kunci: derajat layu, load cell, pelayuan, penguat instrumentasi, teh hitam 1.
keluaran, yang umumnya berupa tegangan, diukur
PENDAHULUAN Load cell adalah sebuah sensor gaya yang
langsung dengan peralatan dalam format analog.
banyak digunakan dalam industri yang memerlukan
Pada proses kalibrasi digital sinyal keluaran diukur
peralatan untuk mengukur berat (Piskorowski et.al.,
dengan instrumen yang telah mengintegrasikan
2008). Secara umum, load cell dan sensor gaya
peralatan digital. Menggunakan load cell dengan
berisi pegas (spring) logam mekanik dengan
keluaran
mengaplikasikan beberapa foil metal strain gauges
pemrosesan sinyal memungkinkan penyesuaian gain
(SG). Strain dari pegas mekanik muncul sebagai
menjadi sebuah penguatan sederhana dari keluaran
pengaruh
kemudian
load cell dengan sebuah persamaan karakteristik.
ditransmisikan pada strain gauges. Pengukuran
Dalam kasus ini, proses kalibrasi berarti menghitung
sinyal yang dihasilkan dari load cell adalah dari
koefisien penguatan, yang diberikan dengan solusi
perubahan resistansi strain gauge yang linier dengan
dari persamaan karakteristik yang dihasilkan dari
gaya yang diaplikasikan (Mauselein et.al., 2009).
performa general purpose microcomputer yang lebih
dari
pembebanan
yang
digital
yang
terintegrasi
dengan
Kalibrasi dan karakterisasi load cell dapat
umum disebut mikrokontroler. Namun demikian,
dilakukan baik secara analog maupun digital.
pada kalibrasi digital diperlukan rangkaian pemroses
Kalibrasi secara analog merujuk pada sinyal
sinyal yang menyertakan penguat operational,
pengonversi analog ke digital dan unit pengolah
dengan 20 kg. Rangkaian sensor massa berikutnya
yang telah terintegrasi dalam mikrokontroler (Rocha
akan
et.al., 2000).
dengan
Kalibrasi dan karakterisasi load cell ini
dihubungkan
dengan
mengaplikasikan
pengkondisi
penguat
sinyal
instrumentasi
sebagai data proses untuk blok rangkaian berikutnya
akan digunakan untuk mengukur derajat layu pada
yaitu
proses pelayuan (withering) pengolahan teh hitam.
berikutnya diantarmuka pada komputer pribadi.
mikrokontroler
AVR
ATmega8
yang
Pada proses pelayuan, daun teh kehilangan kadar air sebanyak 47 %. Kehilangan masa yang disebabkan
2.
oleh kehilangan kadar air ini dapat digunakan untuk
2.1 Load cell sebagai Sensor Massa
DASAR TEORI
menentukan kelayuan daun teh. Secara kuantitatif
Transduksi
massa
dapat
bervariasi
kelayuan tersebut dinyatakan dalam persentase layu
bergantung pada perubahan parameter fisis yang
dan derajat layu. Persentase layu didefinisikan
digunakan. Sensor massa juga dapat menggunakan
sebagai perbandingan antara bobot pucuk teh segar
divais berbasis piezoresistif, kapasitif, mekanis dan
dengan bobot pucuk layu. Derajat layu didefinisikan
lain-lain. Piezoresistif yang popular adalah strain
sebagai perbandingan berat hasil teh kering dengan
gage yang memanfaatkan perubahan resistansi strain
pucuk layu (Santoso dkk., 2008).
gage
Proses pelayuan pengolahan teh hitam di
setiap
setimbang
mendapat
sebagai
deformasi
akibat
dari
posisi
pembebanan
massa
Pusat Penelitian Teh Kina (PPTK) Gambung,
tertentu. Strain adalah sejumlah deformasi pada
Bandung, dilakukan dengan menggunakan withering
material sebagai pengaruh dari aplikasi gaya. Lebih
trough sebagai tempat daun teh dihamparkan. Daun
spesifik,
teh segar dihamparkan pada mesin withering trough
perbandingan perubahan panjangnya, sebagaimana
dengan ketebalan 30 cm untuk dilayukan oleh udara
ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah ini (National
kering atau dengan aliran udara panas selama sekitar
Instrument, 1998):
strain
(ε)
didefinisikan
sebagai
20 jam. Untuk menentukan apakah daun teh telah cukup layu, diperiksa oleh para pekerja teknis di pelayuan dengan cara meraba. Segenggam daun teh dikepal sambil digulung lalu dilemparkan, dan jika kepalan tidak terhambur maka daun teh dianggap telah layu. Masalahnya penentuan kelayuan teh
Gambar 1. Definisi strain
dengan menggunakan peraba berpotensi untuk tidak
Terdapat beberapa metode untuk mengukur strain,
konsisten dan bersifat subyektif yang berakibat pada
yang berikut ini adalah dengan strain gauge, sebuah
ketidakkonsistenan terhadap mutu teh hitam.
device dengan beberapa resistansi bervariasi dan
Pada
makalah
ini
disampaikan
hasil
proporsional dengan sejumlah strain dalam divais.
penelitian untuk mengurangi subjektivitas dengan
Sebagai contoh, piezoresistive strain gauge yang
cara mengkuantisasi ukuran kelayuan daun teh.
merupakan semiconductor device di mana resistansi
Salah satu caranya adalah dengan menggunakan
berubah taklinier dengan strain. Gauge, yang paling
sensor massa. Kehilangan massa pada proses
luas digunakan adalah bonded metallic strain gauge,
pelayuan akan diindera dengan sensor massa
berisi beberapa fine wire atau metallic foil yang
menggunakan load cell jenis single point model
disusun dalam pola garis (grid) seperti yang
CZL601yang mampu mengukur beban sampai
ditunjukkan pada Gambar 2. Pola garis dimaksimasi
2.2 Akuisisi Data
dengan sejumlah kawat metalik dalam arah paralel.
Keluaran dari sensor massa, load cell, adalah
tegangan
dan
berikutnya
dengan
Penguat
instrumentasi
dihubungkan
(instrumentation
amplifier, IA). Selanjutnya penguat instrumentasi adalah pengembangan dari penguat diferensial (selisih tegangan) yang mengakomodasi masukan selisih tegangan secara klasik ditunjukkan pada Gambar 4 di bawah ini:
Gambar 2. Pola garis metallic strain gauge
Parameter fundamental dari strain gauge adalah sensitivitas dari strain, diekspresikan secara kuantitatif sebagai gauge factor (GF). Gauge factor didefinisikan
sebagai
rasio
dari
pembagian
perubahan dalam resistansi dengan pembagian perubahan dari panjangnya (strain): =
∆ ∆
=
∆⁄
Gauge factor untuk metallic strain gauges secara tipikal adalah di sekitar 2. Idealnya, resistansi dari
Gambar 4. Skema Penguat Instrumentasi Klasik (Fraden, 2003)
Penguat instrumentasi dibangun oleh tiga
strain gauge berubah hanya terhadap respon yang material,
buah op-amp. Op-amp 1 dan 2 (U1 dan U2)
sebagaimana spesimen material di mana gauge
dikonfigurasi sebagai penguat selisih tegangan,
diaplikasikan,
sedangkan op-amp ketiga dikonfigurasi sebagai
diaplikasikan
pada
juga
strain
akan
gauge
merespon
terhadap
penguat
perubahan temperatur.
non-inverting.
Penguat
instrumentasi
Divais yang menggunakan prinsip strain
didesain dan harus memenuhi tegangan offset
gauge secara internal yang sering digunakan untuk
minimum, penguatan stabil, ketaklinieran rendah,
pengukuran massa adalah load cell. Load cell
input impedansi sangat tinggi, output impedansi
merupakan
efek
sangat rendah, serta rasio penolakan modus bersama
piezoresistif dengan bentuk fisik ditunjukkan pada
(common mode rejection ratio, CMMR) sangat
Gambar 3. Pada penelitian ini akan digunakan load
tinggi (Terrel, 1996).
divais
yang
menggunakan
Tegangan keluaran yang dihasilkan dari
cell dengan rentang massa maksimum adalah 20 kg.
rangkaian Gambar 2.4 adalah bergantung pada nilainilai resistor dan selisih tegangan masukan yang diterapkan pada differential voltage, V1 dan V2, menurut persamaan (Tompkin, 1988): − 1 +
sedangkan besar penguatannya (gain, A) dirumuskan sebagai: Gambar 3. Load cell single point model CZL601
= 1 +
Selanjutnya
dari
digunakan untuk menyimpan program. Electrical
penguat instrumentasi selanjutnya dihubungkan
Erasable Proram Read Only Memory (EEPROM)
dengan mikrokontroler yang mengaplikasikan AVR
yaitu memori nonvolatile, dapat dibaca dan ditulis
Atmega8. ATmega8 adalah mikrokontroler 8 bit
(dengan
berdaya rendah dengan arsitektur RISC (reduce
menyimpan konstanta, setting dan lain-lain. Register
Instruction
Set
tegangan keluaran
Computer)
dan
menggunakan
kemampuan
terbatas),
digunakan
adalah tempat untuk menyimpan data sementara. (akumulator)
merupakan
register
arsitektur harvard (dengan memori dan bus yang
Accumulator
terpisah untuk program dan data). Perintah dapat
penampung proses aritmatik. Stack Pointer (SP)
dieksekusi dalam satu periode clock untuk setiap
adalah register penampung data dengan metode
instruksi dan instruksi dalam program memori
LIFO (last in first out). Blok terakhir adalah
dijalankan dengan single level pipelining, ketika satu
Input/Output
instruksi dijalankan, instruksi selanjutnya telah siap
masukan/keluaran) yakni register sebagai sarana
diambil dari program memori. Gambar 5 adalah
komunikasi dengan periferal (peralatan di luar
konfigurasi kaki ATmega8 dalam kemasan DIP
mikrokontroler).
port
(I/O
port,
terminal
(dual in line package) (Kurniawan, 2009).
Gambar 6. Diagram Blok Mikrokontroller AVR ATM8-P
3.
DESAIN DAN METODE Desain
sistem
instrumentasi
untuk
pengukuran derajat layu pada pengolahan teh hitam Gambar 5. Diagram Pin Mikrokontroler AVR ATMEGA8-P
Secara internal, ATmega8 terdiri dari blok-
terdiri dari blok sensor massa yang menggunakan load cell tipe CZL601, blok catu daya (power
blok diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar
supply),
6. Masing-masing blok tersebut antara lain program
mikrokontroler dan peraga (display). load cell
counter yaitu register yang berfungsi sebagai
dirancang untuk ditempatkan pada mesin palung
penghitung eksekusi
yang dilakukan
pelayuan. Load cell ditempatkan pada rangka
mikrokontroler. Arithmatic Logic Unit (ALU, unit
mekanis yang dibuat statis pada salah satu ujungnya,
logika
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
aritmatik)
program
berfungsi
melakukan
proses
blok
penguat
instrumentasi,
blok
aritmatika (+,-,*,/) dan logika (And, Or, Not). Random Access Memory (RAM, memori akses acak) adalah berupa memori volatile (data tak terhapus jika catudaya dimatikan) yang isinya dapat dibaca dan dihapus, digunakan menyimpan variabel. Flash Program Erasabel Read Only Memory (Flash PEROM, memori hanya baca dapat dihapus dengan program) merupakan memori hanya dapat dibaca,
Gambar 7. Load Cell dan keranjang pada rangka Statis
Pada ujung yang lain digantungkan sebuah
timbangan standar adalah 499,9996 gram dengan
rangka besi segi empat sebagai keranjang tempat
ketidakpastian 0,63 gram. Pada waktu dilakukan
menyimpan objek yang akan diukur massanya.
kalibrasi, terdokumentasi 3
densitas
udara
7390
Untuk mendapatkan hubungan antara massa dengan
Kg/m .
tegangan pada load cell dilakukan proses kalibrasi
mengkalibrasi
menggunakan anak timbangan (timbal). Timbal ini
model/tipe CP12001S, nomor seri 161108413,
dibuat di bengkel logam Laboratorium Fisika Dasar
kapasitas 12,1 kilogram dengan resolusi 0,1 gram.
Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh
Metode kerja mengacu ke OIML R111-1 Part-1 &
Nopember Surabaya.
Part-2 Edition 2004 (E).
Sinyal keluaran dari load cell dihubungkan dengan rangkaian
penguat
instrumentasi
yang
Timbangan
yang
timbal
digunakan
yaitu
merk
untuk
sartorius,
Hasil kalibrasi terhadap delapan timbal ditunjukkan pada tabel 1. Kondisi ruang ketika diambil
dengan rangkaian catu daya dan mikrokontroler.
kelembaban relatif 50,2 %RH, dan tekanan 1009,5
Keseluruhan perangkat keras ditempatkan di atas
hPa.
mesin palung pelayuan seperti ditunjukkan pada Gambar 8.
pengukuran,
suhu
23,2
± 0,07
0
ditempatkan dalam sebuah casing box bersama
C,
Tabel 1. Data hasil kalibrasi timbal Nilai (g)
Nomor Timbal
500
1 2 3 4 5 6 7 8
Massa Konvensional (g) 499,9982 499,9978 500,0015 499,9995 499,9940 499,9993 499,9983 499,9960
Ketidakpastian Pengukuran (g) 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21
Timbal yang telah diketahui massa konvensionalnya digunakan sebagai data kalibrasi load cell untuk Gambar 8. Perangkat keras akuisisi pada palung pelayuan
4.
m, dengan tegangan, V.
HASIL DAN DISKUSI Sebelum diimplementasikan di industri
pengolahan teh hitam, terlebih dahulu load cell harus dikalibrasi. Kalibrasi dilakukan dengan nonzero calibration pada tegangan, di mana tegangan keluaran tidak menunjukkan nol ketika belum diberi anak
timbangan
sebagai
mendapatkan hubungan karakteristik antara massa,
pembeban
(tanpa
pengaturan ofset nol). Timbal sebagai pembeban dikalibrasi di Laboratorium Gaya dan Massa Balai Pengamanan Fasilitas Kesehatan (BPFK) Surabaya pada tanggal 7 April 2010. Anak timbangan bersertifikat yaitu merk sartorius, model/tipe YCW 553-00, nomor seri 15929662, kelas F1 dengan nominal 500 gram. Massa konvensional anak
Variasi massa diperoleh
dengan menambahkan timbal ke dalam keranjang, Gambar 7, yang menyebabkan perubahan tegangan yang diukur dengan multitester digital. Hasil kalibrasi load cell dengan timbal ditunjukkan pada tabel 2 yang berpadanan dengan grafik karakteristik yang ditunjukkan pada Gambar 9. Pada kalibrasi load cell ini dilakukan dengan cara menambahkan timbal satu per satu sampai dengan beban total sekitar 4 kilogram timbal yang selanjutnya respon tegangannya dicatat (pengukuran naik).
menyebar. Hal ini terjadi karena pembebanan Tabel 2. Kalibrasi Load cell dengan timbal No.
Massa Timbal (g) 499.9982 999.9960 1,499.9975 1,999.9970 2,499.9910 2,999.9903 3,499.9886 3,999.9846
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
menekan salah satu ujung load cell pada satu titik.
Tegangan (V) 0.2033 0.2541 0.3079 0.3607 0.4144 0.4682 0.5219 0.5757 0.6295
Dari hasil karakterisasi pada load cell, diperoleh persamaan karakteristik V = 0.0001m + 0.2014. Persamaan karakteristik ini menyatakan hubungan
antara
tegangan
dan
massa
yang
selanjutnya akan digunakan untuk antarmuka pada LCD. Dari grafik karakteristik Gambar 9 juga diketahui bahwa load cell telah berunjuk kerja
Kalibrasi load cell juga dilakukan dengan
dengan linieritas tinggi dan error histeresis yang
cara pengukuran turun. Delapan timbal dengan berat
sangat rendah. Karakteristik load cell ini dapat
sekitar 4 kilogram dimasukkan ke dalam keranjang
digunakan untuk mengukur derajat layu pada
pembeban. Timbal diambil satu persatu dan respon
pengolahan
tegangan yang keluar dari load cell dicatat. Hasil
kehilangan kadar air pada daun teh.
teh
hitam
dengan
memanfaatkan
yang diperoleh untuk pengukuran naik dan turun
Secara keseluruhan sistem instrumentasi,
memberikan respon tegangan yang sama. Grafik
blok-blok rangkaian elektronis yang terdiri dari blok
karakteristik untuk pengukuran naik dan turun
sensor,
seperti pada Gambar 9 di bawah ini:
mikrokontroler dan display telah menunjukkan
power
supply,
penguat
instrumentasi,
performa yang baik. Rangkaian catu daya didesain 0.7
untuk menghasilkan tegangan +5V, +10 V, -10 V
Tegangan (volt)
0.6
dan ground. Penguat instrumentasi klasik dengan
0.5
menempatkan R1, R2, R3 dan R4 = 10 kΩ, Rg = 1
0.4
V = 0.0001m + 0.2014 R² = 1
0.3 0.2
kΩ, R5 dan R6 = 100 kΩ, mengkonfigurasi besarnya penguatan sekitar 40 kali. Rangkaian mikrokontroler
0.1
yang mengaplikasikan ATMega8 digunakan untuk
0 0
2000
4000
6000
mengubah tegangan analog ke digital dan antarmuka pada LCD dan personal komputer.
Massa (gram) Gambar 9. Grafik karakteristik kalibrasi load cell
5. Penempatan
timbal
dalam
keranjang
diatur sedemikian sehinggga load cell tersebar merata
secara
karaktererisasi
merata load
(setimbang).
cell,
telah
Dalam dilakukan
Dari
1.
respon
tegangan
ketika
penempatan
Rangka mekanis dari bahan logam dibuat khas
dibuat
dibuat
digantungkan
sudutnya
timbal
kalibrasi
pelayuan, pada mana salah satu ujung load cell
diukur. Hasil pengukuran dengan penempatan timbal
memberikan respon tegangan yang sama dengan
dan
untuk dapat ditempatkan di atas palung
dan turun seperti semula dan respon tegangan
masing-masing
karakteristik
disimpulkan bahwa:
sudutnya. Selanjutnya dilakukan pengukuran naik
di
hasil
terhadap sensor massa, load cell tipe CZL601, dapat
penempatan timbal pada masing-masing keempat
berkelompok
KESIMPULAN
statis sebuah
dan
ujung
lainnya
keranjang
sebagai
pembeban. 2.
Delapan anak timbangan (timbel), sebagai pembeban kalibrator untuk load cell, dengan
berat nominal masing-masing sekitar 500 gram telah dikalibrasi di Laboratorium Massa dan Gaya
BPFK
Depkes
Surabaya
untuk
mengetahui nilai benarnya di mana kalibrator timbangan dan anak timbangan bersertifikat dan tertelusur. 3.
Load cell sebagai sensor massa, penguat instrumentasi, dan perangkat akuisisi bekerja sebagai
sebuah
sistem
instrumentasi
pengukuran derajat layu pada pengolahan teh hitam. 4.
Load cell dengan desain untuk digunakan sebagai pengukur derajat layu pengolahan teh hitam menunjukkan persamaan karakteristik V = 0.0001m + 0.2014. Unjuk kerja dari load cell sangat baik yang ditandai oleh linieritas yang sangat tinggi dan error histeresis yang sangat rendah.
UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada Saudara Moch. Adi Wardhana yang telah membantu dalam menyiapkan kelengkapan instrumen dan kepada Ibu Betty Rahayu dan Ibu Rikyan di BPFK Surabaya yang menyediakan fasilitas kalibrasi
DAFTAR PUSTAKA Fraden, Jacob. 2003. Handbook Of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. AIP Press. San Diego. J.G. Rocha, C. Couto, J.H. Correia. 2000. Smart load cells: an industrial application. Sensor and Actuator, ScienceDirect Journal, Elsevier. Jacek Piskorowski, Tomasz Barcinski. 2008. Dynamic compensation of load cell response: A time-varying approach. Mechanical Systems and Signal Processing. ScienceDirect Journal, Elsevier. Kurniawan, Dayat. 2009. ATMega 8 dan Aplikasinya. PT Elex Media Komputindo. Jakarta. Santoso, Joko., Suprihatini, Rohayati., Abas Tadjudin., Rohdiana, Dadan., Shabri. 2008. Petunjuk Teknis Pengolahan Teh. Pusat
Penelitian Teh dan Kina (PPTK) Gambung. Bandung. Sascha Mäuselein, Oliver Mack, Roman Schwartz. 2009. Investigations into the use of singlecrystalline silicon as mechanical spring in load cells. Measurement, ScienceDirect Journal, Elsevier. Terrel, David L. 1996. Op-Amps: Design, Application, and Troubleshooting. Elsevier Science and Technology. Oxford UK. Tompkins, W.J., Webster, J.G. 1988. Interfacing Sensor To The IBM PC. Printice Hall. Englewood Cliffs USA.
