PENGEMBANGAN AKUISISI DAN PROSES DATA LOAD CELL JR3

Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 21 November 2015 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor

PENGEMBANGAN AKUISISI DAN PROSES DATA LOAD CELL JR3 JAJAT YUDA MINDARA1*, RIDHO ISMOYO PUTRA1, WAHYU ALAMSYAH1, ARIFIN2, ANGGA DWI SAPUTRA2 1

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran, Jalan Raya Bandung-Sumedang KM 21, Jatinangor 45363, Jawa Barat, Indonesia 2 UPT-LAGG, Kawasan Puspiptek Serpong 15314 Tangerang, Banten

Abstrak. Sistem Akuisisi Data untuk sensor load cell external balance JR3 dikembangkan dalam rangka mengumpulkan data presisi dari sistem akuisisi tekanan. Sistem yang dikembangkan untuk sensor JR3 adalah 6 analog inputs, pengaturan sampling, pengaturan data, zero calibration, averaging, dan fast fourier transform. Margin error yang ditemukan dari sistem akuisisi data yang diujicobakan menggunakan variasi beban adalah kurang dari 2 persen. Hal ini menandakan bahwa sistem telah sukses menghasilkan kondisi data yang sebenarnya. Kata kunci: Akuisisi data, sensor JR3, variasi beban Abstrak. Data Acquisition System for load cell sensor JR3 external balance developed in order to raise the precision of the data acquisition system pressure. The system developed for sensor JR3 is 6 analog inputs, sampling settings, data settings, zero calibration, averaging, and fast Fourier transform. Margin of error is found from the data acquisition system are tested using a variation of the load is less than 2 percent. This indicates that the system has been successfully generate the actual data conditions. Keywords: Data acquisition, sensor JR3, load variation

1. Pendahuluan Sensor adalah transduser yang berfungsi untuk mengolah variasi gerak, panas, cahaya atau sinar, magnetis, dan kimia menjadi tegangan serta arus listrik.[1] Salah satu contoh sensor adalah JR3. JR3 merupakan salah satu produk JR yang berupa sensor tekanan yang baru dimiliki oleh UPT LAGG Puspiptek. UPT LAGG mempunyai program akuisisi data sensor external balance Load Cell JR3 yang langsung diproses menjadi digital. Hasil akuisisi data yang diperoleh langsung dikalikan dengan matriks konversi sehingga menghasilkan besaran fisis gaya. Suatu pengembangan program dibutuhkan karena program tersebut masih sangat sederhana sehingga dibutuhkan suatu pengembangan agar pada saat akuisisi data selanjutnya program mampu menghasilkan data yang baik dan dapat dipercaya. Program yang dikembangkan akan selanjutnya ditindaklanjuti pada proses checkload, sejalan dengan program dari BPPT sehubungan dengan datangnya sensor baru JR3. Jika program yang dikembangkan berhasil maka akan selanjutnya dipasangkan/diujicobakan ke ILST (Indonesian Low Speed Tunnel).

*

Email : [email protected] FI-58

Pengembangan Akuisisi dan Proses Data Load Cell JR3

FI-59

Sistem akuisisi data dapat didefinisikan sebagai suatu sistem yang berfungsi untuk mengambil, mengumpulkan dan menyiapkan data hingga memprosesnya untuk menghasilkan data yang dikehendaki [5]. Tekanan (P) adalah satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A). Satuan tekanan digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas. Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume (isi) dan suhu [2].

Besar momen gaya secara matematis adalah hasil kali besar gaya (F) dan lengan gaya (l).

Rasio elongasi (perpanjangan) dengan panjang aslinya disebut regangan tarik dan dinyatakan sebagai berikut:

Load cell adalah sebuah alat uji perangkat listrik yang dapat mengubah suatu energi menjadi energi lainnya yang biasa digunakan untuk mengubah suatu gaya menjadi sinyal listrik. Strain gauge (load cell) mengalami yang biasa disebut dengan deformasi strain gauge. Strain gauge mengukur perubahan yang berpengaruh pada strain sebagai sinyal listrik, karena perubahan efektif terjadi pada beban hambatan kawat listrik. Setiap logam memiliki ketahanan spesifik. Sebuah gaya tarik eksternal (gaya tekan) meningkatkan (menurunkan) resistansi oleh perpanjangan logam tersebut. Misalkan perpanjangan asli adalah R dan perubahan awal regangan pada resistensi adalah ΔR. Kemudian, hubungan antara kedua parameter tersebut disimpulkan:

Dimana Ks adalah gage factor, koefisien yang mengekspresikan sensitivitas strain gage. ADC ( Analog to Digital Converter) adalah suatu perangkat yang mengubah suatu data kontinu terhadap waktu (analog) menjadi suatu data diskrit terhadap waktu (digital). Proses ADC secara matematis dinyatakan dalam persamaan: (

)

Vref adalah jenjang tiap kelompok dalam proses kuantisasi, kemudian maksimal data digital berkaitan proses ke-3 (peng-kode-an), sedangkan proses ke-1 adalah seberapa cepat data ADC dihasilkan dalam satu kali proses [8].

FI-60

Ridho Ismoyo Putra dkk

2. Metode Penelitian Proses kerja diawali dengan penerimaan input data dari sensor dan juga memasukkan data waktu akuisisi dan frekuensi sampling yang digunakan. Setelah itu, sensor dapat dikalibrasikan terlebih dahulu sehingga pengukuran hanya akan terfokus pada beban yang akan diukur. Data waktu akuisisi digunakan untuk men-delay data yang akan dihasilkan dan frekuensi sampling digunakan untuk mendiskritisasi dan menentukan jumlah data analog yang dihasilkan oleh sensor. Metoda Fast Fourier Transform (FFT) untuk mengubah data domain waktu menjadi data domain frekuensi setelah data didiskritisasi dan jumlah data telah diketahui. Data yang domain-nya telah diubah dirata-ratakan (averaging) untuk selanjutnya data dikalikan dengan matriks kalibrasi dan dikeluarkan pada file dalam bentuk .txt.

Gambar 1. Diagram Blok

Hubungan antara gaya dan data ditunjukkan oleh persamaan:

(

)

Dimana  F adalah Gaya (N),  adalah Konstanta Sensitivitas Sensor (N/m), nilainya berbeda untuk setiap axis sesuai dengan spesifikasi sensor (stiffness)  E adalah Tegangan Jembatan (v), nilainya didapat sesuai dengan tegangan yang dihasilkan oleh sensor, ) adalah Maksimal Data Digital,  (  adalah Jumlah Data ADC,  adalah Tegangan Referensi NI 9234 (v),  adalah Panjang mula – mula (m), nilainya adalah 0,0315 m, yaitu jari – jari dari sensor.

Pengembangan Akuisisi dan Proses Data Load Cell JR3

FI-61

Multi-axis Load Cell JR3, juga biasa disebut sebagai sensor gaya-momen 6 degree-offreedom, adalah sebuah alat yang berbentuk silindris dari bahan monolithic aluminum (bisa juga terbuat dari stainless steel atau titanium) yang berisi sistem elektronik analog dan digital. Axis dari sensor JR3 standar berorientasi dengan axis x and y di bagian tengah sensor yang horizontal dan axis z sejajar bagian tengah sensor. Titik referensi untuk semua loading data adalah titik tengah geometris dari sensor. Ketika dilihat dari sisi sensor robot, gaya dan momen mengikuti hukum tangan kanan [4]. NI 9234 berlaku sebagai ADC dimana NI 9234 mengubah skala pengukuran tegangan analog menjadi skala pengukuran tegangan digital yang didesain khusus untuk program – program National Instrument, seperti Multisim, MatLab atau LabVIEW. Spesifikasi NI 9234 adalah [11]: 

51.2 kS/s per channel maximum sampling rate; ±5 V input



24-bit resolution; 102 dB dynamic range; anti-aliasing filters



Software-selectable AC/DC coupling; AC-coupled (0.5 Hz)



Software-selectable IEPE signal conditioning (0 or 2 mA)



Smart TEDS sensor compatibility



-40 °C to 70 °C operating range, 5 g vibration, 50 g shock

Compact DAQ adalah platform portable DAQ kasar yang mengintegrasikan konektivitas dan pengkondisian sinyal ke modular I/O untuk langsung berhadapan dengan sensor atau sinyal. Dari dalam mesin data logging sampai meja kerja penelitian, luasnya bus, chassis, controller dan pilihan pengondisi I/O dikombinasikan dengan sifat perangkat lunak LabVIEW yang dapat disesuaikan memberikan solusi terbaik untuk memenuhi kebutuhan aplikasi menengah kanal terhitung [14].

Gambar 2. NI CompactDAQ

Pengujian dilakukan menggunakan berbagai pulley seperti gambar 3. Pulley adalah sebuah pesawat yang diperbantukan untuk akuisisi data dari checkload menggunakan beban. Adapun pulley yang diujikan mengukur : 1. Pulley 1 : mengukur Fx dan My 2. Pulley 2 : mengukur Fy dan Mx 3. Pulley 3 : mengukur Fx, My dan Mz

Ridho Ismoyo Putra dkk

FI-62

4. Pulley 4 : mengukur Fz

Gambar 3. Pengujian dari berbagai pulley : pulley 1(kiri-atas), pulley 2(kanan-atas), pulley 3(kiribawah) dan pulley 4(kanan-bawah).

Gambar 4. Arah pengukuran checkload

3. Hasil Penelitian Dan Pembahasan Front Panel berisikan panel – panel dari data yang harus dimasukkan, yaitu 6 Physical Channel yang merepresentasikan 6 Analog Input, Samples per Channel yang menunjukkan data yang diambil tiap input, Rate yang menunjukkan frekuensi sampling dan Miliseconds To Wait yang men-delay waktu dari pengambilan data, dan juga hasil pengukuran, berupa tabel matriks hasil pengukuran, nilai dari klusterkluster per analog input (yang berisikan nilai averaging tiap channel) dan 6 grafik (waveform) dari hasil pengukuran mentah (raw measurement) dan yang sudah di-Fast Fourier Transform.

Pengembangan Akuisisi dan Proses Data Load Cell JR3

FI-63

Gambar 5. Front Panel

Gambar 6 adalah diagram blok dari program akuisisi data yang dibuat oleh penulis. Diagram blok ini terdiri dari beberapa blok. Blok – blok yang terdapat pada gambar adalah :  6 Blok Physical Channel  6 Blok Create Task  Sample Clock  Case Structure : Zero Calibration  Start Task  Read From Physical Channel  Measurement  Miliseconds to Wait  Stop  Sub VI Averaging, Zero Calibration & Convertion  Sub VI Zero Calibration  Sub VI Fast Fourier Transform  Sub VI Write Data

FI-64

Ridho Ismoyo Putra dkk

Gambar 6. Diagram Blok Program Akuisisi Data

Akuisisi data pada penelitian ini mengalami ketidakpresisian. Ketidakpresisian ini disebabkan pada saat pembuatan checkload batang tidak tepat berada di titik pengukuran dari sensor sehingga menyebabkan titik pengukuran mengalami pergeseran. Dibutuhkan suatu penyesuaian agar pengukuran/akuisisi menjadi presisi dan akurat, yaitu Faktor Koreksi. Faktor Koreksi yang dipakai pada pengukuran ini ada dua, yaitu faktor koreksi gaya dan faktor koreksi momen. Cara mendapatkan nilai koreksi gaya adalah

( ) Dimana : = Koreksi pada gaya axis i ; i = x,y atau z = Gaya baca program pada axis i = Gaya aplikasi Nilai beban aplikasi setiap axis gaya diperoleh dengan rumus = Gaya aplikasi Koreksi yang dipakai pada pengukuran momen adalah koreksi jari-jari dari checkload, karena rumus untuk mencari momen adalah persamaan (2.9), Maka untuk mencari nilai jari – jari adalah

Dimana : = Jari – jari pada axis i ; i = x, y atau z = Momen baca program pada axis i = Gaya aplikasi

Pengembangan Akuisisi dan Proses Data Load Cell JR3

FI-65

Nilai beban aplikasi setiap axis momen diperoleh dengan rumus

4. Kesimpulan Pengembangan program akuisisi data yang lengkap meliputi 1. 6 Analog Input 2. Pengaturan Sampling 3. Pengaturan Jumlah Data 4. Zero Calibration 5. Fast Fourier Transform 6. Averaging 7. Write Data Measurement Pengujian yang telah dilakukan menghasilkan data pada setiap channel/analog input. Adapun error rata-rata yang dihasilkan dari setiap channel adalah : 1. Channel Fx : 1,229882 % 2. Channel Fy : 0,9080935 % 3. Channel Fz : 1,276797 % 4. Channel Mx : 0,223088 % 5. Channel My : 1,06587 % 6. Channel Mz : 1,330561 % Daftar Pustaka 1. ______. “Pengertian Sensor”. 19 Agustus 2014 02:26 PM. http://komponenelektronika.biz/pengertian-sensor.html 2. ______. “Tekanan”. 1 Februari 2015 06:36 PM. http://www.alatuji.com/kategori/302/Sensor-tekanan 3. raja load cell. “Apa Itu Load Cell?”. 1 Februari 2015 07:14 PM. http://www.rajaloadcell.com/article/apa-itu-load-cell--8 4. JR3. “JR3”. 1 Februari 2015 07:15 PM. http://jr3.com/products/products.html 5. Austerliz, Howard. 2003. Data Acquisition Techniques Using PCs. San Diego : Academic Press. 6. Nainggolan, Franscius. “Sensor-posisi” . 19 Maret 2015 12:22 PM. http://www.academia.edu/5625395/Sensor-posisi 7. ______. “ADC (Analog to Digital Converter)” .2 Juli 2015 02:10 PM. http://depokinstruments.com/2011/07/20/adc-analog-to-digital-converter/ 8. Ardiansyah, Deva. “Pengertian dan Fungsi Personal Computer (PC)”. 20 April 2015 04:48 PM. http://pakdevakeren.blogspot.com/2013/08/pengertian-danfungsi-personal-computer.html 9. Lohat, Alexander San. “Dinamika Rotasi.pdf” . 30 Mei 2015 11:48 AM. http://gurumuda.net/download/dinamika-rotasi 10. National Instrument. “NI 9234”. 27 Juni 2015 09:38 AM. http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/208802

FI-66

Ridho Ismoyo Putra dkk

11. Morris, Alan S. 2001. Measurement and Instrumentation Principles. Oxford : : Butterworth-Heinemann. 12. ______. “How Strain Gages Works”. 29 Juni 2015 08:53 PM. www.jor.se/measurement/Kyowa/Kyowa-PDF/howsgw.pdf 13. National Instrument. “What is NI CompactDAQ ?”. 18 Juli 2015 10:59 PM. http://www.ni.com/compactdaq/whatis/