JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
1
PENGGUNAAN TERMOKOPEL TIPE K BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA16 UNTUK MENGUKUR SUHU RENDAH DI MESIN KRIOGENIK Sigit Adi Kristanto, Bachtera Indarto Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak— Telah dibuat termometer digital berbasis mikrokontroler ATMEGA 16 dengan menggunakan termokopel tipe K untuk mengukur variasi suhu didalam mesin kriogenik dan mampu mengukur suhu -190,00 °C dengan ketilitian 0,01 °C. Termometer dikalibrasi dengan termometer digital Omega Data Logger. Pengambilan data suhu dilakukan dengan variasi ketinggian didalam mesin kriogenik. Variasi ketinggian sensor suhu diatur oleh sistem mekanik yang digerakkan oleh motor stepper. Material kriogenik yang digunakan menggunakan nitrogen cair dan es kering.
Hasil tegangan output non inverting ini akan lebih dari satu dan selalu positif. Rangkaiannya adalah seperti pada gambar 1 berikut ini. [4]
Kata Kunci—Kriogenik, Termokopel
I. PENDAHULUAN
K
riogenik merupakan suatu ilmu yang membahas tentang produksi dan efek suhu rendah. Sistem ini menggunakan material dengan suhu rendah yang sangat ekstrem. [1] Menurut hukum termodinamika, terdapat batas untuk suhu terendah yang bisa dicapai, yang dikenal sebagai nol mutlak. Nol mutlak adalah nol dari skala temperatur absolut dengan suhu -273,15°C. Skala SI metrik absolut dikenal sebagai skala kelvin atau bisa dikatakan 0 °C sama dengan 273,15 K. Dalam skala Kelvin rentang kriogenik berada dibawah 120 K (153°C). Gas-gas seperti nitrogen, oksigen, helium dan sebagainya mengalami perubahan awal dari gas menjadi cair pada tekanan atmosfer dan dikenal sebagai cairan kriogenik atau kriogens. [2] Untuk mengetahui suhu rendah yang sangat kritis tersebut. Untuk mengetahui suhu rendah yang sangat kritis tersebut maka diperlukan sebuah alat ukur berupa termometer. Termometer sendiri merupakan pengembangan dari sebuah prinsip termokopel. Pada sebuah termokopel berlaku efek seebeck yaitu pengkonversian dari perubahan suhu yang dideteksi sebagai perubahan tegangan. [3] (Wikipedia) Karena perubahan tegangan pada sebuah termokopel sangat kecil maka diperlukan sebuah rangkaian penguatan tegangan agar nilai tegangan yang terdeteksi bisa diukur oleh alat ukur. Rangkaian penguat sendiri memiliki beberapa macam salah satunya merupakan penguat non inverting seperti yang akan digunakan dalam penelitian ini. Rangkaian non inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting hanya perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan non inverting. Rumus penguatan non inverting adalah seperti berikut : Vo = (Rf + Ri)/Vi ……………………………(1) Lalu persamaan menjadi Vo = (Rf/Ri + 1)/Vi …..……………………...(2)
Gambar 1 Rangkaian dasar op amp non inverting Selain memerlukan rangkaian penguat dalam rangkaian pengkarakterisasian sebuah kriogenik diperlukan sebuah motor steper sebagai penggarak termokopel. Hal ini dikarenakan suhu bahan terlalu rendah sehingga tidak boleh bersentuhan langsung dengan organ tubuh. Motor stepper sendiri merupakan jenis motor yang mendapat masukan masukan berupa pulsa listrik dan keluaran berupa gerak langkah untuk setiap pulsa input. Gerak langkah rotor adalah tetap untuk setiap masukan pulsa listrik. Pada dasarnya prinsip kerja motor stepper ini sama dengan motor DC yaitu dengan pembangkitan medan magnet untuk memperoleh gaya tarik maupun gaya tolak dengan menggunakan catu tegangan DC pada lilitan atau kumparannya. Perbedaannya adalah apabila pada motor DC menggunakan gaya tolak untuk menolak atau mendorong kutub magnet yang dihasilkan, maka pada motor stepper digunakan gaya tarik untuk menarik kutub magnet yang dihasilkan oleh kumparan. [5] II. METODOLOGI PENELITIAN Dalam perancangan pembuatan alat ini diawali dengan perancangan umum sistem dari keseluruhan. Adapun perancangan pembuatan rancang bangun sistem ini terbagi atas beberapa perangkat yang saling berhubungan yaitu perangkat elektronik (hardware) dan perangkat lunak (software) yang berisi instruksi untuk menjalankan program. A. Perancangan Perangkat Keras Pada tahapan ini adalah tahapan untuk membuat alat ukur elektronik dan pembuatan sistem mekanik. Sistem elektronik
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6 menggabungkan sensor dengan sistem penguat yang mengondisikan sinyal keluaran dari sensor lalu diolah kedalam mikrokontroler. Berikut alur perancangan perangkat keras yang dibuat.
2 3) Sensor Termokopel Termokopel yang digunakan pada penelitian ini menggunakan termokopel tipe K yang ditunjukkan pada gambar 4.
Sensor termokopel
Rangkaian Penguat
Minimum sistem ATmega16
Tampilan berupa LCD/PC/Laptop Gambar 2. Diagram Alir Perangkat Keras Sensor termokopel membaca suhu, kemudian keluaran sensor termokopel masuk ke rangkaian penguat. Dari rangkaian penguat ini diteruskan kedalam ADC yang ada di mikrokontroler. Setelah diolah dari mikrokontroler data siap ditampilkan pada LCD/PC/Laptop.
Gambar 4 Sensor Suhu Termokopel Pada gambar 4 pembacaan sensor termokopel ini mulai dari -200 °C hingga 1200 °C. Termokopel ini berbahan dasar Chromel dan Alumel yang mempunyai sensitivitas rata-rata 41µV/°C. 4) Sistem Mekanik Fungsi dari sistem mekanik pada penelitian adalah untuk menurunkan atau menaikkan sensor termokopel menuju sebuah wadah atau termos yang berisi nitrogen cair dan es kering. Gambar mekanik tersebut bisa dilihat pada gambar 5.
1) Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler Mikokontroler digunakan untuk mengolah data hasil dari keluaran rangkaian penguat. Mikrokontroler ini diintegrasikan dengan komponen elektronika yang lain untuk dapat mengolah data tersebut dan biasa disebut rangkaian minimum sistem mikrokontroler. Mikrokontroler nanti yang digunakan mikrokontroler ATMEGA16. 2) Rangkaian Penguat Sensor Termokopel Rangkaian penguat sensor termokopel berupa rangkaian dasar sensor dan penguat operasional. Pada rangkaian penguat ini digunakan dengan tipe AD521. Gambar rangkaian bisa dilihat pada gambar 3. Gambar 5 Gambar Mekanik Pada gambar 5, tiang penyangga digunakan sebagai tempat motor stepper untuk menurunkan dan menaikkan sensor termokopel. Sistem ini bersama termometer yang dibuat akan membentuk mesin kriogenik.
Gambar 3 Rangkaian Penguat Dengan AD521 Pada gambar 3 digunakan penguatan sebesar 283,91 untuk menguatkan sensor termokopel. Nilai tersebut didapat dengan cara membagi nilai RGAIN (RG) dengan RSCALE (RS). Sehingga kenaikan suhu pada sensor termokopel yang semula 40µV/°C menjadi 11,35 mV/°C.
B. Perancangan Perangkat Lunak Perancangan software digunakan untuk memproses data keluaran dari perangkat keras. Pada langkah kerja ini ada 2 tahapan yaitu pembuatan software mikrokontroler dan pembuatan software untuk menampilkan data ke PC/Laptop. Software untuk memproses data pada mikrokontroler digunakan Codevision AVR dan untuk menampilkan data ke
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
3
PC/Laptop digunakan Microsoft Visual Studio 2010.
Start
1.
Software Mikrokontroler Software yang digunakan untuk menulis program mikrokontroler menggunakan Codevision AVR. Diagram alir pemrograman mikrokontroler bisa dilihat pada gambar 6.
Ambil Data Ya
Tidak
Kirim perintah ambil data kemikrokontroler
Mulai Inisialisasi ADC, USART, I/O
Input Data
Baca data dari Sensor
Tampilkan data dan masukkan database
Pengolahan data
Tampilkan data suhu pada LCD
Ya
Ambil data lagi? Tidak
Kirim data serial ke PC
Stop Selesai
Gambar 7 Diagram Alir Program Antarmuka
Gambar 6 Diagram Alir Program Mikrokontroler Pada gambar diagram alir 6, hal pertama kali ketika program dibuat yaitu menginialisasi ADC, USART, dan I/O. Inisialisasi ADC digunakan untuk membaca hasil dari keluaran sensor termokopel. USART sendiri digunakan untuk komunikasi serial dengan komputer. Inisialisai I/O untuk mengontrol motor stepper saat digerakkan dan menampilkan data ke LCD. Setelah menginialisasi, program dijalankan untuk mengambil data dan mengolahnya. Lalu data hasil olahan dikirim melalui komunikasi serial kekomputer untuk ditampilkan datanya.
Pada gambar 7 diagram alir diatas, ketika akan memulai pengambilan data, program antarmuka akan mengirim perintah menuju mikrokontroler. Perintah tersebut digunakan untuk mengambil data dari mikrokontroler. Setelah data diambil kemudian data tersebut dibuat database. Jika pengambilan data sudah cukup dilakukan maka program tersebut bisa dihentikan. Tampilan program antar muka bisa dilihat pada gambar 8.
2.
Software Antarmuka Untuk menampilkan data suhu dan ketinggian kedalam PC/Laptop digunakan Microsoft Visual Studio 2010. Software tersebut merupakan bahasa pemrograman tingkat tinggi. Data dari mikrokontroler dikirim ke program Microsoft Visual Studio 2010 lalu ditampilkan pada PC/Laptop dan data tersebut dapat dikirim ke Microsoft Excel untuk dapat diolah datanya. Program antarmuka tersebut digunakan untuk mengontrol motor stepper. Diagram alir program antarmuka dapat dilihat pada gambar 7.
Gambar 8 Tampilan Program Antarmuka Komputer
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6 C. Kalibrasi Alat Kalibrasi dilakukan dengan cara membandingkan keluaran alat ukur yang dibuat dengan termometer digital. Termometer digital yang digunakan adalah Termometer Digital Omega Data Logger. Alat ini mempunyai resolusi 0,1°C/0.1°F dan menggunakan sensor termokopel tipe K. Termometer Digital Omega Data Logger ini mempunyai rentang dan akurasi -200 hingga 1370°C dan -328 hingga 2498°F. Proses kalibrasi dilakukan dengan meletakkan secara bersamaan sensor dari kedua alat tersebut pada sistem mekanik yang dibuat. Kemudian menurunkannnya dengan digerakkan oleh motor stepper kedalam termos yang berisi nitrogen cair.. Nitrogen cair yang diisikan mempunyai ketinggian 1 cm hingga 2 cm dari dasar termos. Data dicatat dari ketinggian 20 cm dari dasar termos hingga kedua sensor termokopel tercelup dan dicatat perubahan suhunya setiap penuruan 0,5 cm. Hasil pengkalibrasian tersebut ditunjukkan pada gambar 9 berupa grafik penurunan sensor termokopel tersebut.
4 Motor stepper menggerakkan sensor naik turun didalam termos. Motor stepper dikontrol dengan menggunakan program antarmuka yaitu Visual Basic 2010 dan mengontrol setiap kenaikan dan penurunan sensor setiap kenaikan 0,5 cm. Program antarmuka tersebut juga merekam data suhu dan ketinggian. Kemudian data suhu ditampilkan sebanyak sepuluh data setiap titik yang nantinya bisa diratarata. Sensor suhu yang dinaikturunkan mengambil data hingga ketinggian 5 cm.
Grafik Kalibrasi Termometer Buatan
0.00 0
10
20
30
Gambar 10 Grafik Kenaikan Sensor Dalam Termos Berisi Es Kering
Suhu (C)
-50.00 Termometer Omega Data Logger
-100.00
Termometer Buatan
-150.00 -200.00
Ketinggian (mm)
Gambar 9 Grafik Hasil Kalibrasi Pada gambar grafik 3.12 terdapat selisih nilai suhu antara termometer buatan dengan termometer Omega Data Logger. Untuk menyamakan keduanya maka dilakukan faktor koreksi dengan mengurangkan nilai suhu yang ditunjukkan kedua termometer tersebut. Faktor koreksi tersebut nantinya digunakan untuk mengolah data yang ada sehingga nantinya data yang ditampilkan merupakan hasil olahan dengan menggunakan faktor koreksi. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Data Pengukuran 1. Es Kering (Dry Ice) Pengukuran karakterisasi dilakukan dengan memasukkan Dry Ice kedalam termos dan dibuat lubang pada tutup untuk aliran udara. Lubang pada tersebut berfungsi untuk mengalirkan suhu dari luar kedalam termos. Termos yang digunakan mempunyai diameter 19 cm dengan kedalaman wadah 30 cm. Sensor masuk kedalam termos dengan menggunakan sistem mekanik yang menggunakan motor stepper dan melewati lubang pada tutup termos.
Gambar 11 Grafik Penurunan Sensor Suhu dalam Termos berisi Es kering Pada gambar 10 dan 11 terjadi perubahan suhu terhadap ketinggian. Ada kenaikan suhu secara signifikan yang ditunjukkan dalam grafik 10 tersebut. Hal itu dikarenakan sensor termokopel saat dinaikkan mendekati lubang yang ada ditutup termos sehingga suhu udara luar masuk melalui lubang tersebut dan mempengaruhi sensor termokopel. Pada grafik 11 saat sensor termokopel diturunkan suhunya turun secara perlahan. Sehingga pada ketinggian yang sama nilai suhu yang dihasilkan saat sensor termokopel dinaikkan berbeda dengan saat saat sensor termokopel diturunkan. Perbedaan data yang ditunjukkan grafik 10 dan grafik 11 dikarenakan aliran suhu dari luar termos yang melewati lubang disela-sela sistem mekanik mempengaruhi distribusi suhu tersebut. Es kering yang mudah menguap juga berpengaruh terhadap perubahan suhu tersebut.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
Grafik Penurunan 1 Sensor Suhu Suhu ( C)
2. Nitrogen Cair Hal yang sama seperti percobaan menggunakan es kering dilakukan pada karakterisasi menggunakan nitrogen cair. Hanya saja terdapat perbedaan ketinggian untuk mengambil data. Pengambilan data untuk nitrogen cair diambil setiap kenaikan 1 mm dari dasar termos hingga ketinggian 21 cm. Lalu setelah mencapai ketinggian 21 cm diturunkan lagi dan data diambil kembali setiap penurunan 1 mm hingga menyentuh dasar termos dengan ketinggian permukaan cairan nitrogen sekitar 6 cm dari dasar termos. Pengambilan data nitrogen cair diambil sebanyak dua kali sehingga didapatkan dua data kenaikan dan dua data penurunan. Hasil percobaan saat sensor termokopel dinaikkan ditunjukkan pada gambar grafik 12 dan 13 Sedangkan saat sensor termokopel diturunkan ditunjukkan pada gambar grafik 14 dan 15.
5
0
100
150
200
250
Gambar 14 Grafik penurunan sensor suhu ke-1 dalam termos berisi nitrogen cair
Grafik Penurunan 2 Sensor Suhu 0.00 Suhu ( C)
0.00 Suhu ( C)
50
Ketinggian (mm)
Grafik Kenaikan 1 Sensor Suhu -50.00 -100.00 -150.00
-50.00 -100.00 -150.00 -200.00
-200.00
0
-250.00
50
100
150
200
250
Ketinggian (mm) 0
50
100
150
200
250
Ketinggian (mm)
Gambar 15 Grafik penurunan sensor suhu ke-2 dalam termos berisi nitrogen cair
Gambar 12 Grafik kenaikan sensor suhu ke-1 dalam termos berisi nitrogen cair
Grafik Kenaikan 2 Sensor Suhu 0.00 Suhu ( C)
0.00 -50.00 -100.00 -150.00 -200.00 -250.00
-50.00 -100.00 -150.00 -200.00 -250.00 0
50
100
150
200
250
Ketinggian (mm)
Gambar 13 Grafik kenaikan sensor suhu ke-2 dalam termos berisi nitrogen cair
Dari gambar 12 dan gambar 13 terlihat kenaikan suhu hasil saat sensor termokopel yang dinaikkan dari dasar termos yang tercelup nitrogen cair hingga ketinggian 21 cm. Nilai suhu yang didapatkan bertambah positif seiring pertambahan ketinggian. Bertambahnya suhu tersebut dikarenakan sensor termokopel mendekati lubang yang ada pada tutup termos. Lubang tersebut merupakan aliran suhu dari luar termos sehingga mempengaruhi bertambahnya suhu yang didapat. Hal yang sama juga terjadi pada gambar grafik 14 dan gambar grafik 15 yang terjadi kesamaan penurunan suhu. Akan tetapi penurunan suhu terhadap ketinggian ini berubah secara perlahan. Saat sensor termokopel dinaikkan maupun diturunkan pada ketinggian yang sama terdapat perbedaan suhu. Hal itu dikarenakan karena nitrogen cair menguap saat sensor termokopel diturunkan maupun dinaikkan. Volume nitrogen cair yang berkurang juga berpengaruh dalam perubahan suhu tersebut. Lebar lubang pada tutup termos juga memperahui perubahan suhu ini. Dari gambar grafik hasil dari penelitian yang didapatkan data distibusi suhu material kriogenik baik dari es kering maupun dari nitrogen cair terdapat keseksamaan. Termometer yang dibuat sudah bisa mengukur suhu -190°C.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6 IV. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa : 1. Termometer yang dibuat dapat mengukur suhu rendah yaitu pada -190 °C dan mempunyai ketilitian sebesar 0,01°C. 2. Terjadi perubahan suhu setiap ketinggian saat sensor dinaikkan maupun diturunkan. 3. Pada ketinggian yang sama setelah sensor termokopel dinaikkan kemudian diturunkan terdapat perbedaan suhu dikarenakan nitrogen cair dan es kering yang berkurang akibat menguap serta aliran suhu dari luar yang melewati lubang pada tutup termos.
UCAPAN TERIMA KASIH Para penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Bachtera selaku dosen pembimbing yang telah memberi bimbingan, saran serta diskusi. Sehingga paper penelitian ini dapat terselesaikan. DAFTAR PUSTAKA [1] Flynn, Thomas, 1997. “Cryogenic Engineering”. New York: Marcel Dekker. [2] Sears, Zemansky, “FISIKA untuk UNIVERSITAS 1”. Jakarta: Trimitra Mandiri. [3] http://id.wikipedia.org/wiki /Termokopel [4] Sutrisno, 1987. “ELEKTRONIKA jilid 2”. Bandung: Penerbit ITB. [5] Andrianto, Heri. 2008, “Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMega16”. Bandung: Informatika Bandung.
6
