JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271
1
Rancang Bangun Sistem Pengukuran Pada Alat Kalibrasi Sensor Gas Oksigen (O2) Zaini Latif, Arif Wahjudi, Bambang Sudarmanta Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
Abstrak— Perkembangan teknologi pembakaran bahan bakar semakin canggih yang ditandai dengan penggunaan Electronic Fuel Injection (EFI). EFI bekerja berdasarkan masukan dari sensor-sensor yang ada. Salah satu sensor yang digunakan adalah sensor gas O2. Sensor gas O2 tentunya juga bisa mengalami ketidaktepatan pembacaan saat awal maupun setelah pemakaian dalam jangka waktu tertentu, sehingga harus dikalibrasi. Metode kalibrasi dalam penelitian ini menggunakan prinsip tekanan berubah dengan volume tetap. Pada metode ini, validasi dilakukan dengan cara memvakumkan tabung reaksi, kemudian tabung reaksi diisi dengan nitrogen hingga tekanan mencapai 1 atm dan mencatat kadar oksigen yang tertinggal. Dari hasil pengujian kalibrasi didapatkan selisih terbesar terjadi pada tekanan 1,48 bar dengan selisih pembacaan kadar oksigen antara alat kalibrasi dengan sensor oksigen sebesar 3,45 %. Sedangkan selisih terkecilnya terjadi pada tekanan 1,49 bar dengan selisih pembacaannya sebesar 0,43 %.
Kata Kunci—Electronic Fuel Injection (EFI), Electronic Control Unit (ECU), Sensor gas O2, kalibrasi.
I. PENDAHULUAN
P
erkembangan teknologi pembakaran bahan bakar semakin canggih. Hal ini ditandai dengan maraknya penggunaan Electronic Fuel Injection (EFI) menggantikan karburator. Electronic Fuel Injection (EFI) menggunakan sistem yang diatur secara komputer oleh perangkat elektronik yang disebut Electronic Control Unit (ECU). ECU bekerja berdasarkan masukan dari sensor-sensor yang ada. ECU menerima sinyal dari sensor dan melakukan pengolahan data untuk mengirimkan sinyal untuk mengatur udara dan pasokan bahan bakar ke dalam ruang pembakaran secara efektif dan efisien. Salah satu sensor yang digunakan adalah sensor gas O2. Sensor gas O2 berfungsi sebagai pengontrol kadar oksigen yang masuk ke dalam ruang bakar dan mendeteksi kondisi pembakaran mesin. Sensor gas O2 akan mendeteksi jumlah oksigen dalam gas buang dan akan mengkonversi menjadi sinyal listrik yang ditransfer ke Engine Control Unit (ECU). ECU akan menambah atau mengurangi jumlah bahan bakar yang akan diinjeksikan. Sensor gas O2 tentunya bisa mengalami ketidaktepatan pembacaan sehingga perlu dikalibrasi.
Gambar 1. Skema rancang bangun alat kalibrasi sensor gas O2. Gambar 1. merupakan gambar skema rancang bangun alat kalibrasi sensor gas O2. Pada tahap sebelumnya telah dilakukan (Fatkhur, 2014) tentang rancang bangun alat kalibrasi sensor gas O2 dan telah penelitian dilakukan (Hasan, 2014) tentang rancangan pengendali valve untuk mengatur membuka dan menutupnya valve pada masingmasing set point yang telah ditentukan. Tentunnya langkah tersebut belum bisa digunakan untuk mengetahui penyimpangan pembacaan sensor gas O2. Oleh karena itu diperlukan suatu sistem pengukuran perubahan tekanan dan suhu untuk mengetahui penyimpangan pembacaan sensor gas O2 pada alat kalibrasi. Adapun tujuan utama dari tugas akhir ini adalah merancang sistem pengukuran pada alat kalibrasi sensor gas O2 sehingga kadar gas O2 pada alat kalibrasi O2 dapat diketahui dan mengetahui penyimpangan pembacaan sensor gas O2 pada alat kalibrasi.
II. TINJAUAN PUSTAKA A. Tinjauan Pustaka Seperti alat ukur yang lain, sensor gas O2 tentunya juga bisa mengalami ketidaktepatan saat awal pemasangan maupun setelah pemakaian dalam jangka waktu tertentu, sehingga harus dikalibrasi. Menurut penelitian yang telah dilakukan [1], metode kalibrasi bisa dilakukan dengan 2 metode yaitu menggunakan prinsip tekanan berubah dengan volume tetap dan menggunakan prinsip tekanan tetap dengan volume berubah. Pada metode tekanan berubah dengan volume tetap, kalibrasi dilakukan dengan cara memvakumkan toples hingga tekanan vakum yang diinginkan, kemudian toples diisi dengan nitrogen hingga tekanan kembali ke 1 atm dan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271
2
mencatat kadar oksigen yang tertinggal. Untuk kalibrasi dengan prinsip tekanan tetap dengan volume berubah dilakukan dengan menggunakan suntikan untuk memasukkan gas oksigen dan gas nitrogen dengan konsentrasi yang berbeda – beda, sehingga kadar oksigen dapat diketahui. Metode Kalibrasi Pengukuran Gas
kehilangan daya karena panjang kabel bukan masalah utama (Budiharto, 2005). Jalur data yang dibutuhkan pada komunikasi serial hanya dua, yaitu jalur data untuk pengiriman yang disebut transmitter (TX) dan jalur data untuk menerima yang disebut receiver (RX).
B. Pengukuran Pengukuran adalah serangkaian kegiatan yang bertujuan untuk menentukan nilai suatu besaran dalam bentuk angka (kuantitatif). Dengan kata lain pengukuran dapat diartikan sebagai suatu proses mengaitkan angka secara empirik dan obyektif pada sifat-sifat obyek atau kejadian nyata sehingga angka yang diperoleh tersebut dapat memberikan gambaran yang jelas mengenai obyek atau kejadian yang diukur [2]. Kesalahan pengukuran Dalam proses pengukuran tentunya terdapat faktorfaktor yang akan mengakibatkan kesalahan pada hasil akhir pengukuran. Kesalahan pengukuran dapat disebabkan oleh beberapa faktor antara lain: Kesalahan pengukuran yang bersumber dari alat ukur. Kesalahan pengukuran yang bersumber dari benda ukur. Posisi pengukuran yang menimbulkan penyimpangan hasil pembacaan. Penyimpangan akibat pengaruh lingkungan yang akan merubah benda yang akan diukur ataupun alat ukur.
E. Komunikasi Pada Arduino UNO Kemampuan komunikasi mikrokontroler Arduino UNO ialah mampu berkomunikasi dengan komputer, Arduino lain, atau dengan mikrokontroler lain. ATmega328 ini menyediakan UART TTL (5V) komunikasi serial, yang terdapat pada pin digital 0 (RX) dan 1 (TX). Firmware arduino menggunakan USB driver standar COM, dan tidak ada driver eksternal yang dibutuhkan. Namun, pada Windows, file. Inf diperlukan. Perangkat lunak Arduino termasuk monitor serial yang memungkinkan data sederhana yang akan dikirim ke board arduino. Led RX dan TX pada board akan berkedip ketika proses pengiriman data melalui chip USB to serial dan koneksi USB ke komputer. Dasar Pemilihan Mikrokontroller Arduino Uno Alasan pemilihan mikrokontroler Arduino Uno dikarenakan spesifikasi dari Arduino Uno telah memenuhi spesifikasi yang diperlukan dalam pembuatan alat kalibrasi sensor gas O2. Adapun fasilitas yang ada pada Arduino Uno antara lain : 1. Koneksi USB, sambungan dari komputer ke board Arduino menggunakan USB, bukan serial atau parallel port. Sehingga akan mudah menghubungkan Arduino ke PC (Personal Computer) atau laptop yang tidak memeliki serial atau parallel port. 2. Tidak memerlukan chip programmer, chip pada Arduino sudah dilengkapi dengan bootloader yang akan menangani proses upload dari komputer. Dengan adanya bootloader ini kita tidak memerlukan chip programmer lagi, kecuali untuk menanamkan bootloader pada chip yang masih blank. 3. Fasilitas chip yang cukup lengkap, Arduino menggunakan chip AVR ATmega 328 yang memiliki fasilitas PWM, komunikasi serial, ADC, timer, interrupt, SPI dan I2C. sehingga Arduino bisa digabungkan bersama modul atau alat lain dengan protokol yang berbeda-beda. 4. Bahasa pemrograman relative mudah, walaupun bahasa pemrograman Arduino adalah bahasa C/C++, tetapi dengan penambahan library dan fungsi-fungsi standar membuat pemrograman Arduino lebih mudah dipelajari. 5. Hardware maupun software Arduino adalah open source, Artinya pengguna dapat membuat tiruan atau clone atau board yang kompatibel dengan board Arduino tanpa harus membeli board asli buatan Itali selama tidak menggunakan trade mark Arduino.
C. Kalibrasi Alat Ukur Alat ukur didesain dan di buat dengan mengutamakan kemampuan alat ukur seperti ketelitan, kecermatan, dan kemampuan membaca. Akan tetapi, ketidaksempurnaan tidak bisa dihilangkan sama sekali. Dalam batas-batas tertentu alat ukur dianggap cukup baik untuk digunakan proses pengukuran. Pengertian kalibrasi adalah serangkaian kegiatan yang membentuk hubungan antara nilai yang ditunjukkan oleh instrumen ukur atau sistem pengukuran, atau nilai yang diwakili oleh bahan ukur, dengan nilai-nilai yang sudah diketahui yang berkaitan dari besaran yang diukur dalam kondisi tertentu. Dengan kata lain, kalibrasi adalah kegiatan untuk menentukan kebenaran konvensional nilai penunjukkan alat ukur dan bahan ukur dengan cara membandingkan terhadap standar ukur yang mampu telusur ke standar nasional untuk satuan ukuran dan atau internasional [3]. Tujuan kalibrasi adalah untuk mencapai ketertelusuran pengukuran. Hasil pengukuran dapat dikaitkan ditelusur sampai ke standar yang lebih tinggi atau teliti (standar primer nasional dan internasional), melalui rangkaian perbandingan yang tak terputus. D. Komunikasi Serial Untuk menghubungkan mikrokontroler dengan komputer pada penelitian ini ialah menggunakan Komunikasi serial. Komunikasi serial ialah komunikasi dimana pengiriman datanya secara serial yaitu data dikirim satu per satu secara berurutan akibatnya komunikasi serial lebih lambat dari pada komunikasi paralel. Akan tetapi komunikasi serial memiliki jangkauan panjang kabel yang lebih jauh dibandingkan paralel. Hal ini disebabkan karena pada komunikasi serial, serial port mengirimkan logika 1 dengan kisaran tegangan -3 Volt hingga -25 Volt dan logika 0 untuk kisaran tegangan +3 Volt hingga +25 Volt sehingga
III. METODE PENELITIAN A. Perancangan Interface Sistem ke Komputer Interface merupakan sistem yang digunakan untuk menghubungkan antara manusia dengan peralatan teknologi. Interface dapat berupa pengendali atau visualisasi. Tujuan dari interface adalah untuk meningkatkan interaksi antara mesin dan operator melalui tampilan pada layar komputer.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 Rangkaian Sistem Interface Dalam rancangan rangkaian interface pada penelitian ini terdiri beberapa peralatan seperti terlihat pada gambar 2. pada sistem interface terdapat tiga buah sensor yaitu sensor thermokouple, sensor oksigen, dan sensor tekanan. Besaran listrik yang dihasilkan sensor sangat kecil sehingga memerlukan rangkaian pengkondisian signal agar dapat diproses mikrokontroler. Khusus untuk sensor tekanan yang memiliki keluaran tegangan yang cukup besar, maka rangkaian pengkondisian signal tidak diperlukan. Thermokouple
Rangkaian Pengkondisian Signal
Sensor Oksigen
Rangkaian Pengkondisian Signal
ADC 1
Mikrokontroler
3
linier dari 0oC - 1372 oC. Beda tegangan yang diberikan untuk perubahan setiap 1 oC adalah sebesar 40µV. Termokopel yang digunakan tampak seperti pada gambar 4 di bawah ini :
KOMPUTER
Gambar 4. Termokopel tipe-K
Sensor Tekanan
ADC 2
ADC 3
Gambar 2. Blok diagram sistem interface B. Sensor Sensor merupakan salah satu komponen penting sebagai pengindera dari sistem. Bagian ini akan mengubah hal-hal yang dideteksi menjadi besaran-besaran listrik sehingga dapat diproses oleh sistem elektronika seperti mikrokontroler melalui ADC (Analog to Digital Converter) yang mengubah sinyal elektronik menjadi data digital. Sensor yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : Sensor Tekanan Sensor tekanan merupakan sensor yang digunakan untuk merubah perubahan tekanan menjadi perubahan sinyal listrik. Tegangan output maksimal sensor tekanan sebesar 4.5 volt sehingga sinyal tersebut sudah cukup untuk langsung diolah oleh mikrokontroler melalui ADC. Oleh karena itu, sensor tekanan tidak membutuhkan pengkondisian sinyal. Sensor tekanan yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar 3.
Gambar 3. Sensor tekanan Termokopel Termokopel adalah sensor yang digunakan untuk mengubah perubahan suhu menjadi perubahan tegangan listrik. Termokopel sendiri adalah dua buah kawat logam yang berbeda jenisnya, dimana salah satu ujungnya disatukan. Jika kedua kawat telah disatukan tersebut menerima perlakuan panas, maka akan ada beda tegangan pada kedua ujung kawat yang lainnya. Besar beda tegangan tergantung dari bahan atau tipe dari termokopel tersebut. Termokopel tipe-K terbuat dari bahan Chromel (Ni-Cr alloy) – Alumel (Ni-Al alloy) yang mempunyai kemampuan untuk mengubah temperatur menjadi tegangan listrik secara
Sensor Oksigen Sensor oksigen yang digunakan pada penelitian ini adalah sensor oksigen Figaro tipe KE-25. Fitur yang paling menonjol dari sensor ini ialah pembacaan sensor tidak dipengaruhi dengan adannya gas-gas yang lain seperti CO2, CO, H2S, NO, H2. Sensor ini mempunyai linieritas yang baik dan menghasilkan keluaran yang stabil. Tidak diperlukan waktu pemanasan sehingga sensor ini dapat langsung beroperasi, dan tidak ada ketergantungan posisi. Sensor oksigen tipe KE-25 tampak seperti gambar 5 di bawah ini :
Gambar 5. Sensor Oksigen tipe KE-25 Mikrokontroler Mikrokontroler yang digunakan pada penelitain ini ialah mikrokontroler Arduino UNO yang telah terpasang Atmega 328 dalam board. Arduino Uno memiliki 14 pin digital (6 pin dapat digunakan sebagai output PWM (Pulse Width Modulator)). Tampak atas dari arduino uno dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Mikrokontroler Arduino Uno
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 Kabel USB Kabel USB digunakan untuk menghubungkan mikrokontroller dengan computer dengan komunikasi serial, sehingga data serial dapat diolah untuk visualisasi pada komputer. Kabel USB yang digunakan dapat dilihat pada gambar 7 di bawah ini :
4
connect-disconnect berfungsi untuk menyambung dan memutus komunikasi antara mikrokontroler dengan komputer. Tombol COM digunakan untuk memilih konektor yang digunakan untuk menghubungkan mikrokonteroler ke komputer. Tombol grafik digunakan untuk menampilkan grafik hasil pengolahan data yang diperoleh. Tombol print digunakan untuk mencetak data hasil pengukuran. Selain beberapa tombol di atas, terdapat juga tabel yang merekam data-data pengukuran.
Gambar 7. Kabel USB Gambar 9. Tampilan display saat program berjalan
C. Program Display Pemrograman display menggunakan visual basic 6.0. Pada pemrograman visual basic, pengembangan aplikasi dimulai dengan pembentukan user interface, kemudian mengatur property dari objek-objek yang digunakan dalam user interface dan kemudian dilakukan penulisan kode program untuk menangani kejadian-kejadian (events). Display interface saat awal program belum berjalan dapat dilihat pada gambar 8 di bawah ini :
Gambar 9 di atas menunjukkan tampilan saat program dijalankan. Pada text box telah terisi sesuai dengan kondisi pengukuran. Di sisi kanan terlihat tampilan grafik dari hasil pengukuran. Garis hijau pada grafik menunjukkan nilai oksigen berdasarkan perhitungan sedangkan garis biru pada grafik menunjukkan nilai oksigen dari pembacaan sensor oksigen.
Gambar 8. Tampilan awal display interface Gambar 8 merupakan tampilan program awal sistem pengukuran menggunakan visual basic 6.0. Pada tampilan tersebut terdiri dari beberapa fitur yang dapat menampilkan tekanan, temperature, kadar oksigen yang terbaca oleh sensor, kadar oksigen berdasarkan perhitungan dan selisih kadar oksigen. Selain itu ada beberapa tobol seperti connectdisconnect, grafik, pemilihan COM dan print. Tombol
D. Resolusi Pengukuran Resolusi sistem pengukuran pada alat kalibrasi tergantung dari resolusi pengukuran masing-masing sensor yang digunakan. Pada penelitian ini menggunakan persamaan gas ideal P V = n R T, karena metode yang digunakan pada penelitian ini menggunakan volume tetap maka yang akan berubah adalah faktor tekanan dan temperatur. Berdasarkan analisa regresi dan korelasi pada penelitian sebelumnya, diperoleh persamaan kadar oksigen terhadap tekanan dan temperatur. Kemudian dilakukan analisa korelasi untuk mengetahui seberapa besar pengaruh tekanan dan temperatur terhadap kadar oksigen. Dari analisa yang dilakukan diperoleh bahwa faktor yang paling berpengaruh terhadap kadar gas O2 adalah faktor tekanan, sehingga pembacaan sensor tekanan sangat mempengaruhi resolusi alat kalibrasi. Berdasarkan spesifikasi, sensor tekanan memiliki resolusi sebesar 0.01 bar. Berdasarkan analisa tekanan terhadap persentase oksigen pada penelitain sebelumnya, didapatkan persamaan %O2 = -12,06 P2 + 71,85 P – 59,01, karena persamaan tersebut akan bernilai negatif ketika dibawah 1 bar maka analisa resolusi pengukuran dilakukan di atas 1 bar. Analisa kadar O2 saat 1,00 bar %O2 = -12,06 P2 + 71,85 P – 59,01 = -12,06 (1,00)2 + 71,85 (1,00) – 59,01 = 0,78 Analisa kadar O2 saat 1,01 bar %O2 = -12,06 P2 + 71,85 P – 59,01 = -12,06 (1,01)2 + 71,85 (1,01) – 59,01 = 1,26 Jadi berdasarkan analisa diatas didapatkan resolusi pengukuran sebesar 1,26 - 0,78 = 0,48 persen oksigen.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Setelah rancangan bangun sistem pengukuran yang telah dilakukan, didapatkan hasil selisih antara pembacaan kadar oksigen dari persamaan tekanan dan kadar oksigen dari pembacaan sensor adalah seperti tabel 1 di bawah ini : Tabel 1. Tabel hasil uji coba Tekanan pembacaan oksigen Set Selisih sensor O2 point 6,386 4,06 -2,33 1,07 8,564 9,84 1,28 1,2 10,74 8,98 -1,76 1,18 11,01 8,98 -2,03 1,18 14,82 13,6 -1,22 1,29 1,28 1,4 1,38 1,38 1,49 1,48
15,36 16,73 19,18 19,45 21,63 23,53
13,1 17,9 17,1 17,1 21,2 20,9
-2,26 1,17 -2,08 -2,35 -0,43 -2,63
1,48
24,35
20,9 Rata-rata
-3,45 -1,51
Dari hasil pengujian kalibrasi didapatkan selisih terbesar terjadi pada tekanan 1,48 bar dengan selisih pembacaan kadar oksigen antara alat kalibrasi dengan sensor oksigen sebesar 3,45 %. Sedangkan selisih terkecilnya terjadi pada tekanan 1,49 bar dengan selisih pembacaannya sebesar 0,43 %. V. KESIMPULAN Kesimpulan dalam penelitian ini adalah telah dilakukan perancangan dan pembuatan sistem pengukuran pada alat kalibrasi sensor oksigen adalah sebagai berikut : Sistem pengukuran pada alat kalibrasi sensor gas O2 telah dilakukan dengan menggunakan visual basic 6.0 dan program arduino uno. Pada tampilan visual basic didapatkan tampilan program dengan beberapa fitur yang dapat menampilkan tekanan, temperature, kadar oksigen yang terbaca oleh sensor, kadar oksigen berdasarkan perhitungan dan selisih kadar oksigen. Data hasil pengukuran dapat disimpan sehingga memudahkan untuk proses pencetakan. Selain itu sistem pengukuran ini juga dilengkapi dengan grafik yang menggambarkan pembacaan oksigen dan kadar oksigen perhitungan. Dari hasil pengujian kalibrasi didapatkan selisih terbesar terjadi pada tekanan 1,48 bar dengan selisih pembacaan kadar oksigen antara alat kalibrasi dengan sensor oksigen sebesar 3,45 %. Sedangkan selisih terkecilnya terjadi pada tekanan 1,49 bar dengan selisih pembacaannya sebesar 0,43 %.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada kedua orang tua penulis serta keluarga besar jurusan Teknik Mesin ITS Surabaya yang telah memberikan banyak pelajaran berharga kepada penulis.
5
DAFTAR PUSTAKA [1] Argo, B.D., Lastriyanto, A., Astuti, N.P..(2008). Sistem Monitoring Gas Oksigen dan Karbondioksida pada Ruang Penyimpanan Sistem Udara. Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Brawijaya. Malang. [2] Soelistijadi, K., Pitoyo, J. (2009). Alat Ukur dan Instrumentasi Ukur. BBP Mektan. Serpong. [3] Becker, J. H., (1983). Instrument calibration with toxic and hazardous materials.Ind. Hyg. [4] Budiharto, W. (2005). Interfacing Komputer dan Mikrokontroler. Elex Media Komputindo. Gramedia, Jakarta. [5] Suhata, (2005). Visual Basic Sebagai Pusat Kendali Peralatan Elektronika. Jakarta: Elekmedia. [6] Harinaldi. (2005). Prinsip – Prinsip Statistik Untuk Teknik dan Sains. Erlangga, Jakarta. [7] Komunikasi Serial. http://id.wikipedia.org/wiki/Komunikasi_serial. Diakses pada tanggal 3 November 2013. [8] UPT Balai Pengembangan Instrumentasi – LIPI.(2008).http://www.uptlinkalibrasi.com/index2.php?option=com_content&do_pd f=1&id=45. Diakses pada tanggal 3 November 2013. [9] Mengenal Sensor – sensor injeksi, http://www.motorexpertz.com/ content/read/apSZnA/mengenal-sensor-sensor-injeksi. Diakses tanggal 25 Oktober 2013.
