RANCANG BANGUN ALAT UKUR TEGANGAN PERMUKAAN ZAT CAIR DENGAN MENGGUNAKAN SENSOR LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER) UNIVERSITAS NEGERI MALANG
Mila Rusdiana1, Samsul Hidayat 2, Heriyanto 3 1Mahasiswa
Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang 3Dosen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang Alamat e-mail:
[email protected] 2Dosen
Abstrak Tegangan permukaan merupakan sifat permukaan suatu zat cair akibat pengaruh tegangan. Guna mengetahui seberapa besar nilainya dilakukan pengukuran dengan menggunakan susunan alat hasil rancangan yang menggunakan sensor LVDT. Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui apakah sensor LVDT dapat dipergunakan untuk mengukur nilai tegangan permukaan zat cair. Langkah-langkah penelitian yang dilakukan adalah membuat rancangan berupa software maupun hardware, kemudian melakukan pengujian setiap tahap dari alat yang dirancang. Selanjutnya mencoba seluruh sistem apakah telah bekerja sesuai rencana. Data yang diperoleh akan dilakukan analisis data dari sensor utama yaitu sensor infra red dan photodiode dan sensor LVDT untuk mencari fungsi transfer antara pergeseran dan tegangan. Hasil data tersebut kemudian akan dimasukan sebagai referensi pemantauan pergeseran oleh mikroprosesor. Dari Hasil pengujian sistem diketahui bahwa sistem dapat membaca nilai tegangan permukaan air murni dan gliserin. Untuk nilai tegangan permukaan air murni diperoleh nilai rata-rata sebesar 73,54 dyne/cm dengan rata-rata ralat 0,12% ,ralat terkecil yaitu 0,11% dan ralat terbesar 0,26%. Untuk nilai tegangan permukaan pada gliserin diperoleh nilai rata-rata alat sebesar 61,63 dyne/cm dengan ralat ratarata 0,18% ,ralat terkecil 0,12% dan ralat terbesar adalah 0,35%. Dengan demikian rancang bangun alat ukur tegangan permukaan dengan menggunakan sensor LVDT sudah bisa digunakan.Kelemahan dari alat ini adalah pergeseran yang mampu diukur oleh LVDT adalah 0-2,3 cm dengan pergeseran minimum 1 mm, nilai tegangan permukaan zat cair yang dihasilkan hanya ditampilkan dalam LCD, gear yang di pasang pada motor stepper memiliki gerigi yang kurang rapat. Kata kunci : Tegangan Permukaan, Sensor LVDT, ATMega 16, Sensor Infra Red dan Photodiode. I. PENDAHULUAN Tegangan permukaan merupakan sifat permukaan suatu zat cair yang berperilaku layaknya selapis kulit tipis yang kenyal atau lentur akibat pengaruh tegangan. Pengaruh tegangan tersebut diakibatkan oleh adanya gaya tarik menarik antar molekul di permukaan zat cair tersebut. Untuk mengetahui seberapa besar nilai tegangan permukaan suatu zat, maka cara sederhana yang dilakukan adalah dengan melakukan praktikum terhadap beberapa zat cair dengan menggunakan alat pengukur tegangan permkaan du nouy. Du nouy difungsikan untuk mengukur gaya tarik yang dihasilkan oleh cincin aluminium. Gaya tarik maksimum itulah yang diukur sebagai perhitungan dasar dalam mencari tegangan permukaan pada zat cair. Berdasarkan pengalaman sebelumnya, penggunaan alat du nouy sudah efektif namun untuk mengedapankan mata kuliah fisika yang telah dipelajari oleh penulis yaitu sensor dan tranduser, maka penulis mengangkat sebuah ide
untuk menggunakan sensor Linear Variable Differential Transformer (LVDT) sebagai sensor pergeseran untuk mengukur berapa pergeseran yang ditimbulkan oleh sensor lvdt sehingga dapat mengkonversi pergeseran tersbut menjadi nilai tegangan permukaan cair. Selama ini, mahasiswa yang melakukan praktikum mengetahui nilai tegangan permukaan tersebut dengan cara membaca berapa sudut yang dihasilkan pada pemutaran alat du nouy dan dari pembacaan tersebut para mahasiswa akan menghitung berapa nilai tegangan permukaan cair tersebut. Dari penjelasan mengenai alat ukur du nouy diatas, didapatkan sebuah ide untuk mengembangkan teknologi yang telah ada dengan cara memanfaatkan mata kuliah yang telah dipelajari oleh penulis. Berdasarkan segala pertimbangan diatas maka penulis mengangkat sebuah ide untuk membuat alat ukur tegangan permukaan zat cair menggunakan sensor LVDT.
II.
TEORI
A. TEGANGAN PERMUKAAN Menurut Alfred Martin ( Farmasi Fisika. Ed2, 1993): Tegangan Permukaan adalah gaya per satuan panjang yang harus dikerjakan sejajar permukaan untuk mengimbangi gaya tarikan ke dalam cairan, sedangkan tegangan permukaan zat cair adalah gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan zat cair yang dapat mengimbangi gaya kohesi ( antara molekul zat cair ) dari gaya terhadap zat lain di permukaan. Tegangan permukaan zat cair didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada tiap satu satuan panjang permukaan zat cair, dan dengan demikian maka satuannya adalah newton/meter atau dyne/cm. Dalam praktikum, tegangan permukaan (γ) didefinisikan sebagai usaha yang diperlukan cincin untuk menciptakan suatu permukaan baru, dirumuskan sebagai berikut =
=
Dengan F adalah gaya tarik ( Newton ), dan l adalah panjang permukaan cairan yang menutupi cincin ( meter). Cincin yang digunakan terbuat dari bahan aluminium, mempunyai dua permukaan luar dan dalam, sehingga panjang permukaan menjadi 2l = 2πd, dengan d adalah diameter cincin, sehingga persamaan diatas menjadi =
Gambar 2 Pegas ditarik ke bawah
Besar gaya pemulih F ternyata berbanding lurus dengan simpangan x dari pegas yang direntangkan atau ditekan dari posisi setimbang ( posisi setimbang ketika x=0), secara matematis ditulis : F = -kx Dimana F = Gaya Pegas (N) k = Konstanta Pegas (N/m) x = pertambahan panjang regangan pegas (m) C. Sensor LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Sensor Linear Variable Differential Transformer ( LVDT ) adalah suatu sensor yang bekerja berdasarkan prinsip trafo diferensial dengan gandengan variabel antara kumparan primer dan kumparan sekunder. Prinsip ini dikemukakan oleh Schacvits pada tahun 1940.
2
B. GAYA PEGAS Sebuah pegas yang dipasang vertikal, dimana pada ujung pegas tersebut dikaitkan sebuah benda bermassa m. Massa benda kita abaikan, demikian juga dengan gaya gesekan udara sehingga benda meluncur pada permukaan vertikal tanpa hambatan. Terlebih dahulu ditetapkan arah positif ke bawah dan arah negatif ke atas. Setiap pegas memiliki panjang alami, jika pada pegas tersebut tidak di berikan gaya. Pada keadaan ini, benda yang dikaitkan pada ujung pegas berada dalam posisi setimbang.
Gambar 1 Pegas dalam Posisi Setimbang
Apabila benda ditarik ke bawah sejauh +x (pegas diregangkan), pegas akan memberi gaya pemulih pada benda tersebut yang arahnya ke atas sehingga benda kembali ke posisi setimbangnya.
Gambar 3 Skema LVDT (Np:Ns=1:2, 90:180)
Besar tegangan keluaran LVDT bergantung kepada posisi inti. Pada saat posisi inti. Pada saat posisi inti besi ditengah, GGL yang di induksi oleh kumparan sekunder 1 dan 2 sama besar. Tetapi karena kedua kumparan sekunder dihubungkan seri secara berlawanan maka tegangan keluaran akan sama dengan nol. Jika inti besi kita geser kearah kanan maka kumparan sekunder 1 akan mendapat rapat fluks yang lebih tinggi dibandingkan dengan kumparan sekunder 2. D. Mikrokontroler ATMega 16 ATMega 16 mempunyai adalah salah satu produk AVR yang mempunyai spesifikasi sebagai berikut: 1. Mikrokontroler AVR 16 bit yang memiliki kecepatan yang tinggi, dengan daya rendah. 2. Arsitektur RISC dengan troughput mencapai 16 MIPS pada frekuensi 16MHz. 3. Memiliki kapasitas flas memori 16 Kb, EEPROM 512 Kb, dan SRAM 1 Kb.
4. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu port A, port B, port C, dan port D. 5. CPU terdiri 32 buah register. 6. Unit interupsi internal dan eksternal. 7. Port USART untuk komunikasi serial. 8. Fitur peripheral a. Tiga buah timer/counter b. Real timer counter dengan osilator terpisah. c. 4 chanel PWM d. 8 chanel 10 bit ADC e. Byte-oriented two-wire Serial Interface f. Programmable Serial USART g. Watchdog Timer dengan oscillator internal h. On-chip Analog Comparator
III.Metode Penelitian ini merupakan jenis penelitian Research and Development dengan model penelitian dan pengembangan menggunakan model prosedural. Model prosedural adalah model yang bersifat deskriptif yaitu memfokuskan pada langkah-langkah yang harus diikuti untuk menghasilkan suatu alat. Adapun langkah-langkahnya adalah sebagai berikut: 1. Merumuskan masalah tentang pembuatan alat ukur tegangan permukaan zat cair. Potensi dari pembuatan alat ini adalah sebagai pengembangan dari teknologi yang telah ada dalam hal ini adalah pengembangan dari alat ukur du nouy yang diaplikasikan menggunakan sensor LVDT. 2. Mengumpulkan informasi dan literatur tentang materi tegangan permukaan, sensor LVDT. 3. Mendesain produk awal dengan membuat diagram blok sistem dan diagram alur pemprogaman pengukuran nilai tegangan permukaan zat cair. 4. Melakukan validasi sistem, dalam penelitian ini dilakukan untuk mengetahui kesalahan yang terjadi pada alat. 5. Memperbaiki desain setelah melakukan validasi. 6. Melakukan uji coba produk. Cara kerja pada penelitian ini dimulai dari pengukuran konstanta pegas dengan cara memberi beban pada pegas dan dilihat berapa pergeseran yang dihasilkan oleh pegas, dalam penelitian ini diketahui nilai kontanta pegas sebesar K=0,524. Selanjutnya dilakukan pemasangan semua komponen seperti yang tertera pada gambar 12 dengan peletakan sensor infra merah dan fotodioda berada disamping zat cair uji. Selanjutnya dilakukan pemasangan cincin aluminium pada pegas yang telah terpasang dengan inti besi dan meletakkannya tepat diatas permukaan zat cair yang akan di uji. Kemudian dilakukan penarikan inti besi dengan
menggunakan motor stepper sampai cincin aluminium yang menempel pada permukaan zat cair tersebut terlepas dari zat cair uji. Dari pergerakan motor stepper diketahui nilai pergeseran dari keluaran sensor LVDT. Dari nilai pergeseran tersebut maka kita dapat mengetahui nilai F dengan menggunakan rumus F=Kx, karena nilai pergeseran LVDT sama dengan nilai pergeseran pada pegas. Penarikan cincin aluminium dimulai dari saat cincin aluminium menempel tepat diatas zat cair uji sampai terlepas dari zat cait uji. Dari proses penarikan tersebut terdapat sensor infra red dan fotodioda yang berada di samping zat cair uji yang berfungsi sebagai interrupt dan bertugas sebagai pembaca nilai pergeseran sampai sejauh mana pergeseran sensor LVDT bekerja dengan batasan terlepasnya cincin aluminium dari zat cair uji. Setelah mengetahui nilai pergeseran tersebut maka sistem akan menghitung nilai tegangan permukaan zat cair dengan menggunakan rumus : =
2
Ketiga nilai diatas yaitu nilai pergeseran, nilai F dan nilai γ akan tertera pada LCD. A. Desain Hardware
Gambar 4 Diagram Blok alat
1.
Rangkaian Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Rangkaian LVDT digunakan untuk menghitung berapa pergeseran dari inti besi, untuk mengetahui seberapa besar erubahan nilai tegangan yang dihasilkan.
Gambar 5 Posisi LVDT (Sumber: Datasheet ATMega16)
2.
Rangkaian sensor infrared dan photodiode. Rangkaian sensor photodiode digunakan untuk mendeteksi pergerakan dari benda. Sensor photodiode terdiri dari pemancar infra merah dan sensor penerima photodiode.
Gambar 6 Rangkaian Sensor Infra Merah dan Fotodioda (Sumber: Datasheet ATMega16)
3.
Rangkaian Osilator untuk LVDT Rangkaian ini menghasilkan keluaran yang amplitudonya bisa dirubah. Keluaran yang bisa dihasilkan adalah berupa gelombang sinusoida.
Gambar 9 Rangkaian Pengkondisi Sinyal LVDT
6.
Rangkaian ADC pada Mikrokontroler ATMega16 Kaki keluaran pengkondisi sinyal dihubungkan dengan kaki ADC pada IC ATMega16 untuk diubah menjadi data digital.
Gambar 7 Rangkaian Osilator LVDT (Sumber: Datasheet IC)
4.
Rangkaian Penyearah Gelombang Penyearah gelombang pada penelitian ini dipakai komponen dioda, karena dioda berfungsi untuk menstabilkan tegangan keluaran sensor. Sifat kesearahan yang dimiliki sebagian besar jenis dioda seringkali disebut karakteristik menyearahkan. Fungsi paling umum dari dioda adalah untuk memperbolehkan arus listrik mengalir dalam satu arah (disebut kondisi panjar maju) dan pada penelitian kali ini digunakan rangkaian penyearah gelombang dengan filter.
Gambar 10 Tata Letak ADC pada Mikrokontroler ATMega16 (Sumber: Datasheet ATMega16)
7.
Rangkaian LCD Pada rangkaian LCD, resistor variable yang dihubungkan dengan kaki ketiga dari LCD yang berfungsi sebagai pengatur kecerahan dari tampilan LCD kemudian RS, RW, E dihubungkan ke port C0,C1 dan C2 dan D4-D7 secara berurutan dihubungkan ke port C4-C7 pada IC ATMega16.
Gambar 8 Rangkaian Penyearah
5.
Rangkaian Pengkondisi Sinyal Rangkaian ini berfungsi sebagai pengkondisi sinyal LVDT sebelum masuk ke rangkaian penyearah gelombang instrumentasi.
Gambar 11 Rangkaian LCD (Sumber: Datasheet LCD)
8.
Rangkaian Keseluruhan Alat
4
73,13
74,23
0,11
5
73,13
74,23
0,11
6
73,13
74,23
0,11
7
73,13
67,33
0,26
8
73,13
74,23
0,11
9
73,13
74,23
0,11
10
73,13
74,23
0,11
Tabel 2 Hasil Pengujian Nilai Tegangan permukaan Gliserin (26oC) No
Referensi (dyne/cm)
Alat (dyne/cm)
R(%)
1
63,43
62,43
0,12
2
63,43
62,43
0,12
3
63,43
55,43
0,35
4
63,43
62,43
0,12
5
63,43
62,43
0,12
6
63,43
55,43
0,35
7
63,43
62,43
0,12
8
63,43
62,43
0,12
9
63,43
62,43
0,12
10
63,43
68,43
0,25
Gambar 12 keseluruhan alat
B. Desain Software Berikut ini adalah gamabr bagan pembuatan sofware alat ukur tegangan permukaan menggunakan sofware Algoritma Builder for AVR 5.44
Untuk nilai pergeseran sensor LVDT telah didapat nilai pergeseran linear sepanjang 2,3 cm. Sensor LVDT akan bekerja untuk range 0-2,3 cm diatas 2,3 cm maka sensor LVDT sudah tidak mampu menunjukkan nilai pergeseran yang sama dengan pergeseran inti besi. Berdasarkan tabel 1 dan 2 terdapat data nilai tegangan permukaan pada air dan gliserin, untuk rata-rata ralat tegangan permukaan air adalah 0,12% dengan ralat terkeci yaitu 0,11% dan ralat terbesar 0,26%. Untuk nilai tegangan permukaan pada gliserin diperoleh ralat rata-rata 0,18% dengan ralat terkecil 0,12% dan ralat terbesar adalah 0,35%. Dari paparan di atas maka dapat disimpulkan bahwa alat sudah dapat bekerja dengan baik untuk mengukur nilai tegangan permukaan air murni dan gliserin. Gambar 13 Flowchart sistem
III. Hasil dan Pembahasan Penelitian Tabel 1 Hasil Pengujian Nilai Tegangan permukaan Air (26oC) No
Referensi (dyne/cm)
Alat (dyne/cm)
R(%)
1
73,13
74,23
0,11
2
73,13
74,23
0,11
3
73,13
74,23
0,11
V. Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilaksanakan bahwa rancang bangun alat ukur tegangan permukaan zat cair dengan menggunakan sensor LVDT telah tercapai sesuai harapan, untuk nilai tegangan permukaan air diperoleh nilai rata-rata sebesar 73,54 dyne/cm dengan rata-rata ralat sebesar 0,12%. Untuk nilai tegangan permukaan pada gliserin diperoleh nilai rata-rata alat sebesar 61,63 dyne/cm dengan ralat rata-rata sebesar 0,18%.
VI.Saran 1. Menggunakan sensor LVDT yang memiliki kestabilan dan nilai linearitas yang tinggi. 2. Penelitian lebih lanjut nilai tegangan permukaan juga bisa ditampilkan ke dalam PC. 3. Hendaknya penelitian lebih lanjut bentuk kemasan lebih praktis sehingga layak untuk di jual. VII. Daftar Rujukan Danel, Gusrizam. 2012.Otomatisasi Keran Dispenser Berbasis Mikrokontroler. Jurnal Fisika Unand,1(1):62 Fauzi , Randy. 2011. SistemPengendali Robot Mobil Berbasis Mikrokontroler ATMega16. Bandung: Politeknik Telkom Bandung. Harjunowibowo, Dewanto. 2010. Model Panel Surya Cerdas dengan Sensor Pelacak Cahaya Matahari Otomatis Berbasis Mikrokontroler. Jurnal Berkala Fisika, 13 (2): B7-B14. Heri S., Suryono. 2009. Rancang Bangun Sistem Pengatur Suhu Ruang Inkubator Bayi Berbasis Mikrokontroler AT89S51. Jurnal Berkala Fisika, 12(2):55-62. Hidyat, Rahmat, dkk. 2011. Karakteristik Fotodioda dan Sel Surya Hibrid Berbasis Polimer. Jurnal Material dan Energi Indonesia, 01 (01): 4046. Indiarniati, dkk. 2008. Perancangan Alat Ukur Tegangan Permukaan dengan Induksi
Elektromagnetik. Jurnal Fisika dan Aplikasinya,4(1):1-4 Kusumawati, Novita. 2011. Alat Pengukur Koefisien Gesek Menggunakan Sensor LVDT. Skipsi tidak diterbitkan. Universitas Negeri Malang. Lab Fisika Dasar, 2010. Petunjuk Praktikum Fisika Dasar 1. Malang: Fakultas MIPA Universitas Negeri Malang. Nugraha, Abdul, dkk. 2008. Rancang Bangun Lampu dan Pemindah Jalur Otomatis pada Kereta Api. Jakarta: Universitas Gunadarma. Nugraha, Gregorius, dkk. 2013. Penghitung Biaya Masuk Pariwisata Berbasis Mikrokontroler. Yogyakarta: Universitas Negeri Yogyakarta. Seiko Instrumen Inc. 1987. LCD Module M1632 User Manual. Printed in Japan. Tim Penyiapan Naskah. 2010. Pedoman Penulisan Karya Ilmiah Edisi Kelima. Malang: Universitas Negeri Malang. Winorto, Adi. 2008. Mikrokontroler AVR ATmega8/32/16/8535 dan pemprogamannya dengan bahasa C pada winavr. Bandung: Jakarta. Yohana S., Erwin B. L., 2010. Sistem Penimbangan Otomatis Menggunakan Mikrokontroler ATMega 16. Electrical Enginering Joernal, 1(1):41-52.
