RANCANG BANGUN MODUL PRAKTIKUM PENGKONDISI SINYAL PENGUKURAN TEMPERATUR DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SIGNAL CONDITIONER TEMPERATURE MEASUREMENT MODULE
PROYEK AKHIR
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan
Diploma III Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro
Oleh : EKA CIPTA WIBAWA NIM : 091321013
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
LEMBAR PENGESAHAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan nikmat, rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat
menyelesaikan Laporan Proyek Akhir ini dengan baik dan tepat waktu. Shalawat
serta salam semoga senantiasa tercurah kepada Nabi Muhammad SAW yang telah memberikan teladan kepada umatnya sehingga sampai detik kali ini penulis masih bisa menikmati hasil perjuangan beliau. Laporan Proyek Akhir ini berjudul “Rancang Bangun Modul Praktikum Pengkondisi Sinyal Pengukuran Temperatur”. Laporan ini disusun sebagai salah satu syarat dalam menyelesaikan Pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro di Politeknik Negeri Bandung. Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua dan seluruh keluarga tercinta yang telah banyak memberikan bantuan baik secara materi maupun spiritual. Selain itu, dalam menyusun dan menyelesaikan Laporan Proyek Akhir ini penulis telah banyak menerima bantuan berupa materi, motivasi, saran, bimbingan dan doa dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih yang tulus dan ikhlas kepada : 1) Bapak Hari Purnama, Ir., M.Eng, selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung. 2) Bapak Sunarto, ST., M.Eng., selaku Ketua Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Bandung. 3) Bapak Dedi Nono Suharno, Ir., MT., selaku pembimbing utama dan Bapak Baisrum, Drs.,SST.,M.Eng., selaku pembimbing pendamping yang telah
memberikan ilmu, pengalaman, pengarahan, dan dorongan dalam pengerjaan
serta penyusunan Laporan Proyek Akhir ini.
4) Bapak Yudi Prana Hikmat, ST., MT., Bapak Sarjono Wahyu Jadmiko, ST., M.Eng., dan Bapak Trisnawiyana, SST., M.Eng., selaku Panitia Proyek akhir,
serta semua Dosen pengajar Program Studi Teknik Listrik yang telah banyak
membantu dalam pengerjaan serta penulisan laporan proyek akhir ini. 5) Semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu, yang telah membantu dalam menyelesaikan proyek akhir ini. Semoga Allah SWT selalu melimpahkan rahmat, hidayah dan karunia-Nya atas segala bantuan yang diberikan kepada penulis.
Sebagai manusia yang tidak terlepas dari keterbatasan dan kelemahan, baik dalam hal pengetahuan maupun pengalaman, penulis memohon maaf apabila ada kesalahan dan kalimat yang tidak berkenan. Penulis mengharapkan kritik dan saran untuk kesempurnaan Laporan Proyek Akhir ini. Akhir kata, penulis berharap semoga Laporan Proyek Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi diri penulis khususnya, maupun bagi semua orang.
Bandung, Juli 2012
Penulis
RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama lengkap
: Eka Cipta Wibawa
Tempat / tanggal lahir
: Tasikmalaya, 17 Mei 1987
Agama
: Islam
Alamat
: Jln. Bantarsari RT.03, RW16, Kel. Nagarasari, Kec. Cipedes, Kota Tasikmalaya.
No. HP
: 089656294708
E-mail
:
[email protected]
PENDIDIKAN SDN Benda 1 Tasikmalaya
( 1994 – 2000 )
SLTP Negeri 3 Tasikmalaya
( 2000 – 2003 )
SMK Negeri 2 Tasikmalaya
( 2003 – 2006 )
Politeknik Negeri Bandung
( 2009 – 2012 )
PENGALAMAN ORGANISASI
Anggota Himpunan Mahasiswa Listrik
( 2009 – 2012 )
Anggota ROHIS Himpunan Mahasiswa Listrik
( 2009 – 2012 )
Anggota Himpunan Mahasiswa Jurusan Elektro
( 2010 – 2012 )
“Bacalah dengan (menyebut) nama Tuhanmu yang menciptakan.”
(QS. Al „Alaq/96 : 1)
“Allah tidak membebani seseorang melainkan sesuai dengan kesanggupannya. Ia mendapatkan pahala (dari kebajikan) yang diusahakannya dan ia mendapat siksa (dari
kejahatan) yang dilkerjakannya…”
(QS. AL Baqarah/2 : 286)
“Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai (dari sesuatu urusan), kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain, dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap.” (QS. Alam Nasyrah/94 : 5-8) “Lakukanlah segala pekerjaan dengan maksimal, sebab mengerjakan sesuatu setengahsetengah menunjukkan keragu-raguan, dan ragu-ragu adalah sifat orang munafik.” (KH. Abdullah Gymnastiar) “Hidup yang meletihkan adalah sibuk mencari penilaian manusia, hidup yang menentramkan adalah sibuk hanya mencari penilaian Allah.” (KH. Abdullah Gymnastiar)
Karya ini kupersembahkan untuk Ibu dan Ayahku tercinta yang selalu memberikan kasih sayang sepanjang zaman, serta Kakak, Adik dan semua keluargaku tercinta, Sebagai penghargaan atas kasih sayang, perhatian, bantuan, dan dukungan yang telah diberikan selama ini.
ABSTRAK
Sensor temperatur merupakan salah satu komponen yang banyak digunakan di industri, rumah tangga, dan lain-lain. Ada 4 jenis sensor temperatur
yang sering digunakan yaitu Thermocouple, Thermistor NTC, Resistance
Temperature Detector (RTD), dan IC LM35. Karakteristik dari jenis-jenis sensor dan transduser tersebut berbeda-beda sehingga peranan dari rangkaian
pengkondisi sinyal sangatlah penting yaitu untuk mengubah, menguatkan, mengkompensasi atau memanipulasi sinyal dari sensor menjadi sinyal keluaran
yang dibutuhkan. Rangkaian pengkondisi sinyal ini terdiri dari rangkaian
jembatan wheatstone dan rangkaian penguat operasional/op-amp biasa serta penguat instrumentasi. Keluaran dari rangkaian pengkondisi sinyal ini berupa tegangan yang dapat digunakan untuk keperluan pengukuran maupun untuk sistem kontrol atau pengendalian. Modul pengkondisi sinyal ini akan digunakan sebagai media pembelajaran yaitu untuk modul praktikum instrumentasi dan sistem kendali.
Kata kunci : Thermocouple, Thermistor NTC, Resistance Temperature Detector (RTD), IC LM35, jembatan wheatstone, op-amp.
ABSTRACK
The temperatur sensors is the one of many component that used in industrial, household, etc. There are 4 kind of temperature sensors which is very often to be
used, that is thermocouple, NTC thermistor, Resistance Temperature Detector
(RTD) and IC LM35. The characteristic of each sensors and transduscers is difference, so the function of signal conditioner system is really important to
convert, amplified, compentation, or manipulate the signal from sensors or transduscer to become an output signal that needed. This signal conditioner
circuits is contains of wheatstone bridge circuits, and operational amplifier/op
amp circuits and instrumentation amplifier. The output of this signal conditioner circuits is voltage which can be used measurement or control system. This signal conditioner module will be used as study media that is for practice module of instrumentation and control system.
Keywords : Thermocouple, Thermistor NTC, Resistance Temperature Detector (RTD), IC LM35, wheatstone bridge, op-amp.
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL ...................................................................................................i LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................. ii
KATA PENGANTAR .......................................................................................... iii
RIWAYAT HIDUP ................................................................................................ v KATA MUTIARA ................................................................................................vi
ABSTRAK .......................................................................................................... vii ABSTRACT ......................................................................................................... viii
DAFTAR ISI..........................................................................................................ix
DAFTAR GAMBAR ...........................................................................................xiv DAFTAR TABEL. ..............................................................................................xvi DAFTAR LAMPIRAN. .................................................................................... xvii
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang .................................................................................................. 1 1.2 Tujuan ................................................................................................................ 2 1.3 Perumusan Masalah ........................................................................................... 2 1.4 Batasan Masalah ................................................................................................ 2 1.5 Manfaat .............................................................................................................. 3 1.6 Metodologi Perancangan.................................................................................... 3 1.7 Sistematika Penulisan Laporan Proyek Akhir ................................................... 4
BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................ 5 2.1 Sistem Instrumentasi .......................................................................................... 5 2.1.1 Karakteristik Sistem Instrumentasi ................................................................. 6 2.2 Sistem Kendali ................................................................................................... 8 2.2.1 Kendali Loop Terbuka .................................................................................... 8 2.2.2 Kendali Loop Tertutup .................................................................................... 9 2.3 Sensor dan Transduser ....................................................................................... 9 2.4 Sensor Temperatur ........................................................................................... 10 2.4.1 Thermocouple ............................................................................................... 12
2.4.2 Resistance Temperature Detector (RTD) ..................................................... 13
2.4.3 Thermistor ..................................................................................................... 15
2.4.4 IC LM35 ........................................................................................................ 17 2.5 Pemilihan Jenis Sensor Temperatur ................................................................. 18 2.6 Aplikasi Sensor Temperatur............................................................................. 18
2.7 Pengkondisi Sinyal ........................................................................................... 19 2.8 Voltage Devider ............................................................................................... 19 2.9 Jembatan Wheatstone ....................................................................................... 20 2.10 Penguat Operasional (Op-Amp) .................................................................... 22 2.10.1 Penguat Inverting ........................................................................................ 23
2.10.2 Penguat Non Inverting ................................................................................ 24 2.10.3 Penguat Buffer ............................................................................................. 25 2.10.4 Penguat Diferensial ..................................................................................... 25 2.11 Penguat Instrumentasi .................................................................................... 26 2.12 Penyearah Satu Fasa Setengah Gelombang ................................................... 28 2.13 Rangkaian Regulator ...................................................................................... 29 2.14 Regulator Variabel LM 317 ........................................................................... 31
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ................................................. 32 3.1 Perancangan ..................................................................................................... 32 3.2 Tujuan Perancangan ......................................................................................... 32 3.3 Spesifikasi Alat ................................................................................................ 32 3.4 Deskripsi Kerja Alat ........................................................................................ 33 3.5 Flowchart dan Diagram Blok .......................................................................... 33 3.5.1 Flowchart ...................................................................................................... 33 3.5.2 Diagram Blok ................................................................................................ 35 3.6 Perancangan Power Supply dc ±15V dan Variabel 1-15V ............................. 35 3.6.1 Pemilihan Komponen.................................................................................... 35 3.6.2 Skema Rangkaian dan Lay out PCB ............................................................. 36 3.6.3 Daftar Komponen Power Supply .................................................................. 38 3.6.4 Modul Power Supply..................................................................................... 38 3.7 Perancangan Jembatan Wheatstone ................................................................. 39
3.8 Perancangan Penguat Operasional ................................................................... 39
3.9 Perancangan Penguat Instrumentasi................................................................. 39
3.10 Skema dan Lay out PCB Pengkondisi Sinyal ................................................ 42 3.11 Daftar Komponen Pengkondisi Sinyal ........................................................... 43 3.12 Perancangan Modul Pengkondisi Sinyal ....................................................... 45
3.13 Realisasi ......................................................................................................... 45 3.13.1 Realisasi Power Supply ............................................................................... 45 3.13.2 Realisasi Modul Pengkondisi Sinyal........................................................... 47
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA ............................................................. 48
4.1 Tujuan Pengujian ............................................................................................. 48 4.2 Metoda Pengujian ............................................................................................ 48 4.3 Pengujian Power Supply .................................................................................. 48 4.3.1 Tujuan ........................................................................................................... 48 4.3.2 Alat dan Bahan .............................................................................................. 48 4.3.3 Langkah Pengujian ........................................................................................ 49 4.3.4 Hasil Pengujian ............................................................................................. 49 4.3.5 Analisa .......................................................................................................... 50 4.4 Pengujian Tegangan Keluaran Thermocouple ................................................. 50 4.4.1Tujuan ............................................................................................................ 50 4.4.2 Alat dan Bahan .............................................................................................. 50 4.4.3 Langkah Pengujian ........................................................................................ 50 4.4.4 Hasil Pengujian ............................................................................................. 51 4.4.5 Analisa .......................................................................................................... 51 4.5 Pengujian Tahanan NTC .................................................................................. 52 4.5.1 Tujuan ........................................................................................................... 52 4.5.2 Alat dan Bahan .............................................................................................. 53 4.5.3 Langkah Pengujian ........................................................................................ 53 4.5.4 Hasil Pengujian ............................................................................................. 53 4.5.5 Analisa .......................................................................................................... 54 4.6 Pengujian Tahanan RTD .................................................................................. 55 4.6.1 Tujuan ........................................................................................................... 55
4.6.2 Alat dan Bahan .............................................................................................. 55
4.6.3 Langkah Pengujian ........................................................................................ 55
4.6.4 Hasil Pengujian ............................................................................................. 56 4.6.5 Analisa .......................................................................................................... 57 4.7 Pengujian Tegangan IC LM35 ......................................................................... 58
4.7.1 Tujuan ........................................................................................................... 58 4.7.2 Alat dan Bahan .............................................................................................. 58 4.7.3 Langkah Pengujian ........................................................................................ 58 Hasil Pengujian ............................................................................................. 59 4.7.4
4.7.5 Analisa .......................................................................................................... 59
4.8 Pengkondisian Sinyal Thermocouple ............................................................... 60 4.8.1 Tujuan ........................................................................................................... 60 4.8.2 Alat dan Bahan .............................................................................................. 60 4.8.3 Langkah Pengujian ........................................................................................ 61 4.8.4 Hasil Pengujian ............................................................................................. 62 4.8.5 Analisa .......................................................................................................... 64 4.9 Pengkondisian Sinyal NTC .............................................................................. 65 4.9.1 Tujuan ........................................................................................................... 65 4.9.2 Alat dan Bahan .............................................................................................. 65 4.9.3 Langkah Pengujian ........................................................................................ 65 4.9.4 Hasil Pengujian ............................................................................................. 67 4.9.5 Analisa .......................................................................................................... 67 4.10 Pengkondisian Sinyal RTD ............................................................................ 69 4.10.1 Tujuan ......................................................................................................... 69 4.10.2 Alat dan Bahan ............................................................................................ 69 4.10.3 Langkah Pengujian...................................................................................... 69 4.10.4 Hasil Pengujian ........................................................................................... 71 4.10.5 Analisa ........................................................................................................ 71 4.11 Pengkondisian Sinyal IC LM35 ..................................................................... 72 4.11.1 Tujuan ......................................................................................................... 72 4.11.2 Alat dan Bahan ............................................................................................ 72 4.11.3 Langkah Pengujian...................................................................................... 73
4.11.4 Hasil Pengujian ........................................................................................... 74
4.11.5 Analisa ........................................................................................................ 74
BAB V KESIMPULAN ....................................................................................... 76 5.1 Kesimpulan ..................................................................................................... 76
5.2 Saran. ............................................................................................................... 76
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konfigurasi sistem instrumentasi ......................................................... 5
Gambar 2.2 (a) Tangapan linier, (b) Tangapan non linier ....................................... 7 Gambar 2.3 Karakteristik dinamis ........................................................................... 8
Gambar 2.4 Kontrol loop terbuka pemanas listrik ................................................... 9
Gambar 2.5 Kontrol loop tertutup pemanas listrik .................................................. 9 Gambar 2.6 Arah gerak elektron jika logam dipanaskan ....................................... 12
Gambar 2.7 Perubahan tegangan terhadap perubahan temperatur thermocouple .. 13 Gambar 2.8 Konstruksi RTD ................................................................................. 14
Gambar 2.9 Pemasangan RTD (PT100) pada Tangki Crystalizer ......................... 14
Gambar 2.10 Contoh jenis-jenis NTC ................................................................... 16 Gambar 2.11 Kurva perubahan resistansi terhadap temperatur pada NTC........... 16 Gambar 2.12 Contoh jenis – jenis PTC ................................................................. 17 Gambar 2.13 Salah satu model IC LM35 .............................................................. 17 Gambar 2.14 Diagram blok pengkondisi sinyal .................................................... 19 Gambar 2.15 Voltage devider ................................................................................ 20 Gambar 2.16 Jembatan Wheatstone ....................................................................... 21 Gambar 2.17 Simbol IC Op-Amp .......................................................................... 22 Gambar 2.18 Konfigurasi dan bentuk IC Op-Amp 741 ......................................... 23 Gambar 2.19 Penguat Inverting ............................................................................. 23 Gambar 2.20 Penguat Non Inverting ..................................................................... 24 Gambar 2.21 Penguat Buffer .................................................................................. 25 Gambar 2.22 Penguat diferensial ........................................................................... 25 Gambar 2.23 Rangkaian penguat instrumentasi .................................................... 27 Gambar 2.24 Penyearah satu fasa setengah gelombang ........................................ 28 Gambar 2.25 Bentuk gelombang penyearah setengah gelombang ........................ 29 Gambar 2.26 Bentuk dan konfigurasi IC 78XX dan 79XX ................................... 30 Gambar 2.27 Aplikasi IC 78XX dan 79XX pada power supply simetris .............. 30 Gambar 2.28 IC Regulator LM 317 ....................................................................... 31 Gambar 2.29 Rangkaian regulator variabel ........................................................... 31 Gambar 3.1 Flowchart proses pembuatan modul .................................................. 34 Gambar 3.2 Diagram blok sistem .......................................................................... 35
Gambar 3.3 Skema rangkaian power supply.......................................................... 37
Gambar 3.4 Lay out pcb power supply .................................................................. 37
Gambar 3.5 Perancangan modul power supply...................................................... 38 Gambar 3.6 Rangkaian jembatan wheatsone ......................................................... 39 Gambar 3.7 Rangkaian penguat operasional ......................................................... 40
Gambar 3.8 Rangkaian penguat instrumentasi ...................................................... 41 Gambar 3.9 Skema rangkaian pengkondisi sinyal ................................................. 42 Gambar 3.10 Lay out PCB Pengkondisi Sinyal ..................................................... 43 Gambar 3.11 Perancangan modul pengkondisi sinyal ........................................... 45
Gambar 3.12 Realisasi PCB power supply ............................................................ 46
Gambar 3.13 Realisasi Modul power supply ......................................................... 46 Gambar 3.14 Realisasi modul pengkondisi sinyal bagian dalam .......................... 47 Gambar 3.15 Realisasi modul pengkondisi sinyal bagian depan ........................... 47 Gambar 4.1 Bentuk gelombang tegangan keluaran power supply ......................... 49 Gambar 4.2 Pengukuran tegangan thermocouple .................................................. 50 Gambar 4.3 Grafik karakteristik thermocouple tipe K .......................................... 52 Gambar 4.4 Pengukuran tahanan NTC .................................................................. 53 Gambar 4.5 Grafik karakteristik NTC ................................................................... 55 Gambar 4.6 Rangkaian pengukuran tahanan RTD ................................................ 56 Gambar 4.7 Grafik karakteristik RTD PT100........................................................ 57 Gambar 4.8 Pengukuran tegangan IC LM35 ......................................................... 58 Gambar 4.9 Grafik karakteristik IC LM35 ............................................................ 60 Gambar 4.10 Rangkaian percobaan 1 .................................................................... 61 Gambar 4.11 Rangkaian percobaan 2 .................................................................... 62 Gambar 4.12 Tegangan keluaran pengkondisi sinyal thermocouple ..................... 64 Gambar 4.13 Rangkaian pengkondisi sinyal NTC ................................................ 66 Gambar 4.14 Tegangan keluaran pengkondisi sinyal NTC ................................... 68 Gambar 4.15 Rangkaian pengkondisi sinyal RTD ................................................ 70 Gambar 4.16 Tegangan keluaran pengkondisi sinyal RTD ................................... 72 Gambar 4.17 Rangkaian pengkondisi sinyal IC LM35 ......................................... 73 Gambar 4.18 Tegangan keluaran pengkondisi sinyal LM35 ................................. 75
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Karakteristik dari beberapa jenis sensor temperatur .............................. 11
Tabel 2.2 Tipe dan material thermocouple ............................................................ 12 2.3 Tipe Resistance Temperature Detector (RTD) ...................................... 14 Tabel
Tabel 3.1 Spesifikasi Alat ...................................................................................... 32 Tabel 3.2 Daftar komponen power supply ............................................................. 38 Tabel 3.3 Daftar komponen modul pengkondisi sinyal ......................................... 44
Tabel 4.1 Hasil pengukuran tegangan keluaran power supply............................... 49 4.2 Pengukuran Tegangan Thermocouple ................................................... 51 Tabel
Tabel 4.3 Pengukuran Tahanan NTC ..................................................................... 53 Tabel 4.4 Pengukuran Tahanan RTD ..................................................................... 56 Tabel 4.5 Pengukuran Tegangan LM35 ................................................................. 59 Tabel 4.6 Pengukuran tegangan percobaan 1 ........................................................ 63 Tabel 4.7 Pengukuran tegangan percobaan 2 ........................................................ 63 Tabel 4.8 Pengukuran tegangan keluaran pengkondisi sinyal NTC ...................... 67 Tabel 4.9 Pengukuran tegangan keluaran pengkondisi sinyal RTD ...................... 71 Tabel 4.10 Pengukuran tegangan keluaran pengkondisi sinyal IC LM35 ............. 74
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A Job Sheet Pengkondisian Sinyal Thermocouple Tipe K
LAMPIRAN B Job Sheet Pengkondisian Sinyal Negative Temperature
Coefficient (NTC)
LAMPIRAN C Job Sheet Pengkondisian Sinyal Resistance Temperature Detector (RTD)
LAMPIRAN D Job Sheet Pengkondisian Sinyal LM35
LAMPIRAN E Data Sheet Komponen dan Sensor
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Bolton.W. 2006. Sistem Instrumentasi dan Sistem Kontrol. Penerbit
Erlangga.
[2]
Setiawan, Iwan. 2009. Buku Ajar Sensor dan Transduser. Program Studi Sistem Komputer, Fakultas Teknik. Semarang : Universitas Diponegoro.
[3]
Pramudijanto, Jos. Sistem Instrumentasi Pengukuran Temperatur . Jurusan Teknik Elektro FTI Institut Teknologi Sepuluh November.
[4]
Femila, Femy. 2009. Modul Pengkonversi Suhu ke Tegangan dan Arus Berbasis RTD. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.
[5]
http://instrumentasi.lecture.ub.ac.id/penguat-biopotensial/
[6]
http://m-edukasi.net/online/2008/jenissensor/sensor%20suhu%20dan%20 fungsinya.html
[7]
journal.mercubuana.ac.id/data/2_Op-amp.pdf
[8]
http://fisika.undip.ac.id/elins/images/stories/data/modul%20praktikum%20p engkondisian%20sinyal.pdf