Prosiding SeminarNasinal Bahan Magnet I Serpong,11 Oktober2000
ISSN 1411 -7630
RANCANG BANGUN ALAT BANTU PENGUKURAN KONSTANTA BAHAN MAGNE TOSTRIKTIF
..$~-'
Eddy Santoso, Maya Febri ,YohanesAnda Mulyana Puslitbang IPTEK BAHAN -BATAN
Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang, 15314
ABSTRAK RANCANG BANGUN ALAT BANTU PENGUKURAN KONSTANTA BAHAN MAGNETOSTRIKTIF. Bahan magnetostriktif adalah bahan yang mampu menghasilkan reganganelastis dibawah pengaruh medan magnet daDsebaliknya dapat menghasilkan perubahan medan magnet dibawah pengaruh tekanan. Dalam bahan tersebut energi magnetik dapat dikonversi menjadi energi mekanik daD sebaliknya. Efisiensi dari konversi energi tersebut dinyatakan dalam suatu konstanta yang disebut konstanta magnetomekanik. Dalam kegiatan penelitian tentang bahan magnetostriktif, telah dilakukan usaha untuk mengukur konstantatersebut. Berkaitan dengan hal tersebut, diperlukan suatu alat bantu yang dapat menghasilkan tekanan daD dapat diatur besar tekanannya pada sampel. Sampel magnetostriktif dibuat di P3IB-BATAN, berbentuk silinder dengan diameter 6 mm, panjang 1-2 cm. Penekanan dilakukan pada permukaan sejajar sililider, searah dengan sumbu silinder. Gaya maksimal yang diperlukan adalah kurang lebih 2800 ill. Untuk itu dibuat suatu rancangan alat penekan yang menggunakan pegas yang ada di pasarandengan tetapan pegas:!: 40 kN/mm daDjarak penekanan maksimum 35 mm, menghasilkan gaya pegas maksimum 1400 ill. Diperlukan dua buah pegas sejenis yang dapat menghasilkan gaya maksimal2800 ill. Untuk mengatur besar tekanan, alat tersebut dikalibrasi menggunakan load cell berkapasitas 1000 ill. Diketahui bahwa sampai 1000 ill, masing-masing pegas bersifat linear.
Kala Kunci : Bahanmagnetotristik, medanmagnet,load cell,konstantamagnetomekanik.
ABSTRACT ENGINEERING OF AUXILIARY EQUIPMENT FOR MAGNETOSTRICfION COEFFICIENT MEASUREMENT. Magnetostrictive material can be defined as a material that elastically deforms when its magnetic state changes and vice versa, it produces a change of magnetic field under the change of mechanical state for example by compression. The efficiency of the energy convection between magnetic and mechanical energy can be expressed in terms of a coefficient called magnetomechanical coupling coefficient. In our attemp to measure the coupling coefficient of our magnetostrictive samples,an auxilairy equipment was nedded, i.e. an equipment to produce and measure the compressive force applied to the sample. The samples are in cylindrical form, with 6 mm diameter and 10 to 12 mm lengths. The compression was to be applied in the direction of the cylinder axis, on the parallel surfaces. For than purpose, compressive equipment was desinged and built. It used two identical springs with the spring constant of 40 kN/mm each, and maximum deflection of 35 mm leading to a maximum force of 1400 kN each. The equipment was calibrated using a load-celli and it was found that the spring behave lineary up to 1000 kN. Key Word: Magnetostrictive material, magnetic field, load cell, magnetomechanical,coupling coefficient.
PENDAHULUAN Penelitian dan pengembangan iptek bahan memegang peranan yang sangat penting baik dalam industri maupun litbang itu sendiri, termasuk pengembangan teknik pembuatan alat penunjang untuk penelitian yang memerlukan penanganankhusus dalam pembuatannya.Demikian juga denganpenelitian tentang bahan magnetostriktif yang sedang dikembangkan di Puslitbang lptek Bahan (P3IB)-BATAN. Bahan magnetostriktif ada1ahbahan yang mampu menghasilkan regangan elastis dibawah pengaruh medan magnet dan sebaliknyamampu menghasilkanperubahanmedanmagnet dibawah pengaruh tekanan. Dalam bahan tersebut energi magnetik dapat diubah menjadi energi mekanik dan sebaliknya. Efisiensi dari konversi energi tersebut
62
dinyatakan dalam suatu konstanta yang disebut konstantamagnetomekanik. Dalam kegiatan penelitian ini telah dilakukan usaha untuk mengukur konstanta tersebut. Berkaitan denganhal tersebutmaka dilakukan rancangbangun alat bantu pengukurankonstanta bahan megnetostriktif. Alat ini dirancang dapat menghasilkan gaya tekan pacta sampeldan dapat diatur besartekanannya sesuaidengan kebutuhan. Sampelmagnetostriktif yang dibuat di P3IBBATAN, berbentuk silinder dengan diameter 6 mm dan panjang 1-2 crtl. Penekanan dilakukan pacta kedua permukaan silinder, searahdengan sumbusilinder. Untuk perlakuan sampeldiperlukan gaya maksimal kurang lebih 2800kN.
RancangBangun Alat Bantu PengukuranKonstantaBahan Magnetostriktif (Eddy Santoso)
TEORI a. Prinsip pengukuran konstanta magnetomekanik.
daDkapasitasnyamendekati 1400 kN, yaitu dengan kapasitas1000kN. a. Bahan:.
Cara pengukuran konstanta magnetomekanik longitudinal, ~3 adalah sebagaiberikut: Sampel diberi eksitasi medan magnet altematif pada frekuensi dan amplitudo tertentu, dengan cara mengaliri arus bolak batik pada sebuahkumparan yang dililitkan pada sampel,kemudian responsberupa perubahan impedansi kumparan (yang berintikan sampel) diukur fungsi daTi frekuensi eksitasinya. Pengukuran diulang-ulang 'dengan mengubah tekanan pada sampel daD frekuensi eksitasi. Dari pengukuran impedansikumparan berintikan sampel fungsi daTi frekuensi didapatkan frekuensi resonansi(fJ dan anti resonansi (fA), Harga ~3 diperoleh secaratidal langsung, yaitu melalui rumus : [1] 1l' k;3= 8
2
_(~)2
(1)
fA b. Prinsip pegas. Menumt hukum Hooke [2] apabila pegas ditekan atau ditarik sebesar x maka pegas akan melakukan pemulihan yang disebut gaya pegas sebesar: F= -kx.
(2)
k adalah konstanta positif yang disebut tetapan pegas daD x adalah jarak penekanan atau penarikan. Harga x akan negatif bila pegas ditekan daD sebaliknya positif bila pegas ditarik sepertipada Gambar 1. Satuantetapan k adalah Newton/meter, k menunjukkan kekakuan daTi suatu pegas. Hampir semua pegas memenuhi hukum Hooke, selama simpangan x tidak melampaui batas elastisitas pegas tersebut.
Dalam pembuatanalat bantu pengukuran konstanta bahan magnetostriktif ini, diperlukan bahan-bahan sebagaiberikut : 1. Kuningan segi "6" : Ukuran 4 cm, panjang50 cm untukrumahpegas.Ukuran2,5 cm,panjang20 cm untuk ulir pendorongpegas. 2. Platbesiteball cmdenganukuran20x 40 cmuntuk alastumpuanalat. 3. Besi sikuukuran 7 x 7 cm, panjang17,5cm untuk memegangataumenahanload cell padakalibrasi. 4. Besi"U" ukuran 4 x 5 x 4 cm, panjang30 cm untuk memegang rnmahpegas. 5. Besi"c" ukuran 2,5 x 10x 2,5 cm, panjang20 cm untuk memegangbesi"U" ke alas. 6. Mur-baudukuran6 mm, 10mmdan12mm. 7. Pegasdiameterluar 24 mm, panjang10cm untuk menekansampel.. 8. Besiasdiameter10mm, panjang20cm untukkopel antarapendorongdenganpegas. 9. Acrilik dan polietilin secukupnya 10. Kertasampelasdan Cat
b. Alat Peralatanyang dipergunakanuntuk pembuatanalat bantupengukurankonstantabahanmagnetostriktifclan aksesorisnya adalahsebagaiberikut: 1. Mesin bubut. 2. MesinbOT. 3. Mesingerindatangan. 4. Alat laslistrik. 5. Mesin potong. 6. Mesinskrap. 7. Alat tap clansnai. 8. Alat-alatukur. c. TataKerja Pembuatan.
METODE Alat penekan dibuat denganmenggunakan pegas yang ada di pasaran, tetapan pegas; k =:!: 40 kN/mm dan jarak penekanan maksimum x = 35mm, sehingga menghasiIkan gaya maksimal1400 kN. Untuk menekan kedua pennukaan secara bersamaan maka dibutuhkan dua buah pegas sejenis yang dapat menghasilkan gaya maksimal2800 kN. Besar tekanan dapat diatur dengan memutar pendorong pegas dan membaca penunjukkan skalanya. Alat ini telah dikalibrasi di Lembaga Uji Konstruksi (LUK-BPPT) dengan load cell yangtersedia
Pertamakali plat besi teball cm dipotong dengan ukuran 33,5 x 18 cm, laIu diratakan denganmenggunakan mesin skrap sehingga ukuran menjadi 33 x 17,5 cm. Kemudian di bOTdan di tap ukuran M 12 pada keempat sudut untuk kaki -kakinya, juga pada beberapa tempat tertentu untuk dudukan rumah pegas dan penahan load cell pada waktu kalibrasi dilakukan. Besi siku penahan loadcellukuran 7x 7 x 17,5cmdi borpada posisi tertentu untuk memasang penahan kealas alai bantu pengukur konstanta. Kemudian bagian belakangnya dilas dengan besi "U" yang berfungsi sebagai penguat. Kuningan segi "6" ukuran 17 cm dipakai sebagai rumah pegas, dibentuk dengan mesin bubut dan dilubangi seperti berikut, di bOTdan dibubut dengan diameter24,5mm dan dalam 9 cm. Padabagianbelakangnya
63
Prosiding SeminarNasinal Bahan Magnet I Serpong,11 Oktober2000 di bor daD di tap dengan ukuran M-12 sedalam 8 cm untuk ulir pendorong daD pada bagian bawah dibuat 3 lubang dan di tap dengan ukuran M-6 untuk pemegang. Pangkal bagian atas di bor dan ditap ukuran M-4 untuk dudukan skala pembacaansepertipada Gambar 3. Kuningan segi "6" ukuran 2,5 cm panjang 10 cm untuk pendorong pegas dibubut sesuai dengan kebutuhan,bagian depannya di snai dengan ukuran M12 sepanjang5,2 cm, padaujungnyadi bordengandiameter6 mm untuk sambunganke kopel. Padaujungpangkal satunyayang masih segi 6 sepanjang1 cm dibuat sebagai pemegangkunci pemutar,sisanyasampaike bagian yang tidak berulir diperkecil diameternya menjadi 9 mm dan dekat pangkalnya dibuat alur untuk penunjuk skala. Besias diameter10 mm dibentuk sesuaikebutuhan untuk kopel, salah satuujungnya dibubut diameteJ;6 mm sepanjang 1 cm dan ujung lainnya dibubut dengan ukuran yang sarna sepanjang2,5 cm. Besi "U" di-bor pada bagian punggungnya, pada 3 titik tertentudengan diameter 6,5 mm kemudian di lag dengan besi "c" yang telah dilubangi untuk baut pengikat ke alasnya. d. Perakitan Rumah pegas digabungkan dengan besi "U" memakai 3 buah baut M-6, kemudian dipasang pada alasnya dengan menggunakan 2 buah mur-baut M-12. Pada keempat sudut alas alat ini dipasang mur-baur M12yang berfungsi sebagaikaki-kakinya. Kopel dipasang diantara pendorong pegas dan pegas penekan sampel, agar pegas tidak ikut berputar pada saat pendorong diputar maka dipasang besi bulat dengan diamater 8 mm diantara pendorongpegasdengan kopel. Pada ujung pegas yang lainnya dipasang kuningan sebagai isolasi magnet dengan pegas. Selanjutnya dimasukkan ke dalam mmah pegas seperti tampak pada Gambar 3. Pada pangkal pendorong pegas dipasang penunjuk skala yang terbuat daTiacrilik. Skala pembaca dipasang pada pangkal mmah pegasdimana penunjuk skala masuk kedalam alur nonius skala dengan menggunakan 2 buah bautM-4. Dari skala ini dapat dibaca berapa tekanan yang diberikan pada sampel. Untuk merakit penekan yang sebelah lagi dipasang sesuai dengan umtan seperti tersebut diatas.
PENGUJIAN Pengujian alat bantu pengukuran konstanta bahan magnetostriktif ini dilakukan denganmenggunakan load cell yang dihubungkan dengan pembacaan digitalnya, pengujian ini dilakukan di Lembaga Uji Konstruksi (LUK-BPPT). Pada pengujian mekanik penekan yang sam dilepas dan diganti dengan penahan yang telah dibuat. Load cell dipasangpada posisi sampel
(diantara pendorongdan penahan)seperti pada Gambar 4. Dengan memutar maju kepala pendorong pegas maka load cell akan mendapat gaya yang
64
ISSN 1411 -7630
Load cell yang digunakan pacta pengujian ini berkapasitas 1000 kN, pengujian di1akukan dengan menentukantitik nol (asal)kemudian memutar pendorong pegas setiap satu skala (1 mm) lalu penunjukkan load cell dibaca dan seterusnya sampai mendapatkan basil pengujian yang dapat dilihat pactaTabel1. Tabel I. Hasil Pengujian.
Simpangan
Pembacaan Gaya [ kN ] ke
Rata-rata
2
3
[kNJ
22,9
24,8
23,2
23,6
65,3
61,3 98,5
56,6
61,1
99,2
100,3
134,1
137,2
~--
(x) lInIn])
2
103,2
4
137,8
5
179,1
6
8
310,8
310,9
9
340,2
~~ 350,4
309,9 342,1
344,2
394,8
391,3
392,5
479,2
476,5
523,6 567,5
527,4
526,6
567,1
566,3
612,8
608,0
609,5
654,7
655,1
654,4
10
-II 12 "-
178,0
179,0
221,8
139,7 180,0 225,7
225,3
224,3
267,6
264,8
268,6
267,0
~
440,5 ~7:7l~I437,7 s28;7l ~~
13 14
438,6 479,0
15
607,8
l ,
16
_65~,~
I
17
701,2
705,8
693,0
700,0
18
744,6
741,5
741,7
191l!.:
783,5
738,9 784,6
820,0
816,1
822,0
819,4
21
862,7
854,4
862,1
859,7
22
898,5
907,1
901,3
23
948,1
898,3 946,7
951,4
948,7
987,4
994,0
24
25
990,0
1.037,6
784,6
1.040,0 I 1.038,4
~
990,5 1.038,7
Dengan menggunakan program excel dapat digambar grafIk pada Gambar2 dan persamaangarisnya sebagaiberikut: Y=42,516*X-28,736
(3)
dimana Y = Gayatekanalat [kN] X= posisiskala= simpangan(x)[dalammm] Dan faktorrealibilitas: R2=0,9998 Dan Gambar 2 dapat dilihat bahwa respons dari alat ini linear untuk x ~ 3 mm yang menunjukkan gaya diatas 100 kN, untuk x yang 1ebihkeCl1elastisitas pegas be1um sempuma sehingga respons tidak linear. 01eh karena itu maka disarankan alat ini digunakan pada gaya di alas 100kN.
~
:T1" ~ ~ 30 -3.'!6,:~8,!
RancangBangun Alat Bantu PengukuranKonstantaBahan Magnetostriktif (Eddy Santoso)
1400 I
~
Tabel 2. Tabel perhitungan gaya tekan 1~~i=~T(Gar ;~n Simpangan Gayatekan
I v" ,; , I
S6,~
t=t 4
0
10
20
.5
Gaya Pegas [kN]vs
779,041
20
821,557 864,073 906,589
21
~
~
226,333
X(mm) Gambar 2.
[kN)
(x)~) 19
268.8~
Simpangan (X) [mrn]
22
13
949,10S 991,621 1034,137 1076,653
24
25
~
27
1119,169
28
besarannya dapat dibaca langsung pada pembacaan digitalnya. Load cell yang dipakai pada pengujian mempunyai kapasitas 1000 kN maka dalam pengujian tersebut, alaipenekanini hanyaditekan sampaix=26 mm, meskipun sebenarnya kemampuan alai ini dapat mencapai x = 35 nun. Kalau dihitung dengan menggunakanpeIbandingan Load cell yang dipakai pada pengujian mempunyai kapasitas 1000 kN maka dalam pengujian tersebut, alai penekan ini hanya ditekan sampai x=26 nun, meskipun sebenarnyakemampuan alai ini dapat mencapai x = 35 nun. Kalau dihitung denganmenggunakanpeIbandingan x= 1 nun setara dengan gaya %40 kN, maka satu pegas dapat menekansampai maksimal % 1400kN. Bila gaya pegas dihitung menggunakan persamaan(3)
I
II
29
I
1161.,68~ 1204;201
I
12 13
30
I
1246,717
523,945
31
56~
~
60~7.~ 651,493
1289,233 1331,749
33 34
1374,265 1416.781
35
145~7
Y=42,516*X-28,763 maka dapatdihitlmg gayatekan alat untuk masing-masing simpangan skala yang diekstrapolasi sampai gaya maksimum, sehingga diperoleh basil seperti pacta Tabel 2. Untuk selanjutnya pengukuran gaya dapat dilakukan dengan mengacu pacta data basil kalibrasi sebagaimana ditampilkan pacta Tabel 2. Data tersebut berlaku mulai dari x = 3 sampaiharga maksimal.
Gamba! 3. Gamba! alat penekanuntuk pengukurankonstantabahanmegnetostriktif.
Gambar4. Gambarkalibrasi alat penekan
65
3.
ProsidingSeminar Nasinal Bahan Magnet I Serpong,11 Oktober2000 Karena diperlukan untuk gayapenekananmaksimal2800 kN .maka alat ini dibuat dengan menggunakan dill buah pegas yang sejenis beserta penekannya dan dipasang berhadapan sepertipactaGambar 3 .
KESIMPULAN 1. Alat bantu pengukuran konstanta magnetostriktif 2.
ini mampu menekansampai 2800 kN, dengancukup linear. Alat ini tidak dapat digunakan untuk penekanan dibawah 100kN. Untuk penekananhams dilakukan dengan memutar pendorong kanan dan kiri secarabersamaan.
DAFTAR PUSTAKA
2.
66
MASON, P. W : Piezoelectric Crystal & Their Applications to Ultrasonic.\", 5th Ed. Van Nostrand, New York, 1990,p. 56-86 DAVID HALLIDAY & ROBERT RESNICK, Alih Bahasa: : Pantur Silaban .Ph. D, Drs Erwin Sucipto M.Sc. Fisika Jilid I, hat 200, Penerbit Erlangga, Jakarta.
ISSN1411 -7630
TANYA-JAWAB NamaPenanya : Suyatno(P3ffi) Pertanyaan : 1. Kenapa dibuat dengan2 versi/bukan satu versi, tolongdijelaskan!
lawaban: Dibuat dengan 2 versi yaitu : 1. Dengan2 buahpegas(Gambar3),untuk mendapatkan daya tekan :i:2800KN. Karena pegas yang acta dipasarantidak actayang mampu menekan :i:2800kN (hanya mampu menekan:i:1400KN/pegas) 2. Dengan 1 pegas (sepertiGambar 4), untuk keperluan kalibrasi pegas penekan dengan load cell.
