Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal. 247-251
247
Rancang Bangun Pembangkit Pulsa Ultrasonik untuk Material Padat Berbasis Mikrokontroler Suryono Jurusan Fisika FMIPA Universitas Diponegoro Semarang, Jl. Prof. Sudharto, SH, Semarang50275, Indonesia Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada, Jl. Sekip Utara, Yogyakarta-55281, Indonesia e-mail :
[email protected] Kusminarto, GB. Suparta Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada, Jl. Sekip Utara, Yogyakarta-55281, Indonesia
INTISARI Pada penelitian ini dibuat pembangkit pulsa ultrasonik dengan menggunakan mikrokontroler tipe AVR ATmega8535. Pembangkit pulsa ultrasonic sangat diperlukan untuk inspeksi tak merusak menggunakan karena memiliki kelebihan jika dibandingkan dengan sumber radiasi lain, diantaranya: portable (bisa dibawa ke mana-mana), bahaya radiasi kecil, harga relatif murah, lebih banyak data fisis yang diperoleh, dan penggunaan energi pencatu daya kecil. Tigggi pulsa dan frekuensi gelombang ultrasonik yang diradiasikan pada obyek disesuaikan dengan material yang di radiasi. Pada medium gas diperlukan tegangan pulsa 20 volt, sedangkan untuk material padat ketinggian pulsa pembangkit ultrasonik hingga 350 volt. Lebar pulsa ultrasonik dibangkitkan melalui bahasa pemrograman assembly mikrokontroler tersebut. Pulsa keluaran dikuatkan menggunakan IC TTL 7400 agar memperoleh taraf arus yang cukup untuk memicu rangkaian MOSFET IRF832. Rangkaian saklar MOSFET digunakan untuk membangkitkan pulsa tegangan tinggi dan tegangan keluarannya dapat divariasi dari resistor yang dipasang pada kaki Drain. Dari penelitian yang dilakukan diperoleh variasi lebar pulsa yang dapat diatur melalui prosedur permrograman tunda dengan frekuensi keluaran 0,67 MHz – 4,20 MHz. Dari hasil pengujian kestabilan pulsa diperoleh nilai kestabilan 99,89% pada lebar 1 us dan 99,07 % pada lebar pulsa 250 ns. Tegangan tinggi pulsa dapat diatur dari 36,8 volt hingga 354,8 volt melalui resistor Drain (RD) dari MOSFET IRF832 yang digunakan. Nilai resitansi dari resistor RD yang digunakan tersebut berada pada kisaran 10Ω hingga 470kΩ. Pulsa yang dihasilkan pada rangkaian tersebut dapat menembus material padat yang digunakan sebagai bahan uji. Kata kunci : pembangkit ultrasonik, tinggi pulsa, tegangan tinggi, material padat
I.
PENDAHULUAN
Gelombang ultrasonik dapat menembus material padat, cair dan gas. Kecepatan gelombang ultrasonik memiliki kaitan erat dengan besaran fisis dari partikel yang dilalui, diantaranya: jarak, jenis partikel, temperatur, porositas, retakan, modulus elastisitas, modulus young, modulus bulk, dll (Deidda and Ranieri, 2006). Oleh karena itu pengukuran parameter fisis gelombang ultrasonik dapat dilakukan tanpa merusak obyek dan memberikan manfaat yang besar terhadap kehidupan sehari-hari. Pada masa sekarang, metode pengukuran ini disebut dengan NDT (Non-Destructive Test) dan NDE (NonDestructive Evaluation) (Krautkramer and Krautkramer, 1990). Pada aplikasi NDT dan NDE, gelombang ultrasonik memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan sumber radiasi lain diantara: portable (bisa dibawa ke mana-mana), bahaya radiasi kecil, harga relatif murah, banyak data fisis yang diperoleh, dan penggunaan energi pencatudaya kecil. Frekuensi gelombang ultrasonik pada media gas sekitar 40 KHz, pada penggunaan intensitas tinggi (macrosonic) dan aplikasi di bawah air (underwater acoustic) biasanya memiliki kisaran puluhan kilohertz hingga ratusan kilohertz, sedangkan pada aplikasi medis dan uji material, biasanya menggunakan frekuensi 1 megahertz hingga puluhan megahertz. Bentuk gelombang ultrasonik dapat berupa gelomabang pulsa (pulse wave) atau gelombang kontinyu (continuous wave) yang disesuaikan dengan metoda pengukuran yang dilakukan. Tigggi pulsa gelombang ultrasonik untuk NDT dan NDE disesuiakan dengan material yang di radiasi. Misalnya pada medium gas diperlukan tegangan pulsa 20 Vpp, sedangkan untuk material padat, pulsa ultrasonik hingga 350 V (Rahim et al., 2007). Gelombang ultrasonik merupakan gelombang akustik frekuensi tinggi yang tidak mampu didengar oleh telinga manusia. Pada sistem elektronik, gelombang ultrasonik pada umumnya dibangkitkan melalui kristal tipis yang bersifat piezoelektrik. Bahan tersebut bersifat seperti kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu yang memiliki perbedaan muatan listrik dalam lapisannya (McDicken, 1990). Pada keadaan setimbang, total permukaan searah sumbu-y adalah nol. Kemudian pada kristal tersebut diberikan gaya searah sumbu-x (Fx). Maka pada kedua permukaan sejajar sumbu-y terjadi perubahan muatan (Fraden, 1996). Efek piezoelektik pada kristal kuarsa ditunjukkan Gambar 1.
ISSN 0853 - 0823
248
Suryono, dkk / Rancang Bangun Pembangkit Pulsa Ultrasonik Untuk Material Padat Berbasis Mikrokontroler
Py
Px
Gambar 1. Efek piezoelektrik pada kristal kuarsa. Vektor polarisasi tersebut adalah: P = Pxx + Pyy + Pzz
(1)
Pxx merupakan vector polarisasi sejajar sumbu-x, Pyy vector polarisasi sejajar sumbu-y, dan Pyy vector polarisasi sejajar sumbu-z. Gradien potensial kristal gmn berkaitan dengan koeffisien dmn dan konstanta dielektrik absolut yaitu: gmn =
d mn εo εmn
(2)
Pada kristal tersebut dapat dipandang sebagai kapasitor dengan kapasitansi C dan tegangan V, maka didapatkan :
V =
Q x d 11 = Fx C C
(3)
Untuk ketebalan sepanjang l dan luas a kapasitansinya adalah : C = εε0 a l
(4)
Maka tegangan keluaran dari sensor piezoelektrik adalah:
V =
d11 d .l Fx = 11 Fx C εε 0 a
(5)
Material dari transduser mengeluarkan gelombang ultrasonik dan dilakukan resonansi secara mekanik disesuai dengan frekuensi sinyal yang diperlukan. Pada sistem analisa material, formasi tegangan yang digunakan untuk menggerakkan transduser berupa pulsa dirac yang tegangan dan frekuensinya disuaikan dengan kebutuhan. Pulsa yang dieksitasikan oleh rangkaian pemancar ultrasonik akan diredam oleh material dan akan diperoleh bentuk sinyal seperti ditunjukkan Gambar 2 (Rose, 1999).
Gambar 2. Bentuk pulsa eksitasi dan sinyal yang dipancarkan transduser. Pulsa eksitasi dapat dibangkitkan oleh mikrokontroler yang merupakan single chip mikroprosesor dan dapat bekerja sendiri (stand-alone) meskipun tanpa peralatan pendukung karena di dalamnya telah dilengkapi I/O, RAM, dan flash. Bahkan pada tipe tertentu seperti ATmega8535 telah terintegrasi EPROM, timer/counter, analog to digital converter (ADC), sistem komunikasi serial, dan komparator analog (Anonim, 2002).
ISSN 0853 - 0823
Suryono, dkk/ Rancang Bangun Pembangkit Pulsa Ultrasonik Untuk Material Padat Berbasis Mikrokontroler
249
II. METODE PENELITIAN Sistem pembangkit pulsa ultrasonik digunakan untuk menghitung delay time, pergeseran fasa maupun attenuasi yang memiliki informasi penting tentang medium yang dilalui. Unit pembangkit pulsa ultrasonik dibuat dengan menggunakan mikrokontroler tipe ATmega8535. Mikrokontroler tersebut memiliki kelebihan dari sisi kecepatan yang mampu mencapai 16 MHz, pin input-output (I/O) 32 buah, dan bebarap fitur penting yang dapat digunakan untuk perluasan aplikasi. Lebar pulsa yang dibangkitkan disesuiakan dengan frekeunsi yang dimiliki transduser. Skema blok dari system pembangkit pulsa ultrasonik ditunjukkan pada Gambar 3. Untuk mengetahui kinerja dari sistem elektronik tersebut diperlukan osiloskop digital 2 channel yang dipasang pada transduser transmitter dan transduser receiver. MICROCONTROLLER
POWER SUPPLY
Water Tank
RD BUFFER
MOSFET Obyek
Digital
Transmitter Ultrasonik
Receiver Ultrasonik
Oscilloscope
Gambar 3. Diagram blok sistem pembangkit pulsa ultrasonik dan pengujiannya. Pulsa dibangkitkan melalui Pin A,0 dengan perintah setb untuk memberi logika tinggi pada pin tersebut. Selanjutnya dilakukan penundaan selama 1 µs untuk membentuk pulsa selebar 1 MHz sesuai dengan frekueansi transdusernya. Selanjutnya pin diberi logika rendah dan ditunda selama 100 µs untuk memberi jarak ke pulsa berikutnya. Algorima pembangkitan pulsa ultrasonik pada mikrokontroler ditunjukkan pada diagram alir Gambar 4a. Penguatan tegangan pulsa ultrasonik dilakukan dengan menggunakan MOSFET IRF840. Mula-mula pulsa diberi buffer dengan IC 74HCT00 dan dikuatkan dengan transistor BC108 hingga mencapai 12 volt untuk diinjeksikan pada kaki gate MOSFET yang digunakan untuk melakukan pensaklaran. Sumber tegangan MOSFET adalah DC 500 volt yang diantaranya dipasang resistor RD pada kaki drain. Keluaran dari pulsa pada drain negatif yang bervariasi terhadap nilai RD. Tegangan tinggi 500 volt dibangkitkan dengan metoda switching mode power suplly system (SMPS). Skema rangkaian buffer, penguat dan MOSFET IRF 840 ditunjukkan Gambar 4b.
ISSN: 0853 - 0823
250
Suryono, dkk / Rancang Bangun Pembangkit Pulsa Ultrasonik Untuk Material Padat Berbasis Mikrokontroler
Mulai Set bit PA,0 Tunda 1 µs Clear bit PA,0 Tunda 100 µs ya Ulang ?
Mulai
(a)
(b)
Gambar 4. Diagram alir pembangkitan pulsa ultrasonik pada mikrokontroler ATmega8535 (a) dan rangkaian penguat pulsa dengan MOSFET (b). III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian sistem pembangkit pulsa ultrasonik berbasis mikrokontroler meliputi hubungan tegangan keluaran terhadap variasi RD, pengujian koeffisien absorbsi gelombang ultrasonik pada cairan immers, serta pengujian broadband transduser Merk GE Inspection Technologies Z1N 1 MHz. Pengujian dilakukan pada rangkaian pembangkit pulsa dan transduser ultrasonik dengan menggunakan Digital Storage Oscilloscope Textronic TDS-2100. Gambar 5 menunjukkan bentuk pulsa eksitasi mikrokontroler, pulsa keluaran penguat pulsa IRF840, serta sinyal pada transduser penerima.
Gambar 5. Bentuk pulsa eksitasi mikrokontroler (a), keluaran penguat pulsa IRF840 (b), dan sinyal pada transduser penerima (c). Pengujian tegangan pulsa ultrasonik dari keluaran penguat pulsa IRF840 dilakukan dengan mengukur tegangan pada kaki drain (D). Pada pengukuran tersebut dilakukan variasi terhadap besar Rd. Hasil pengukuran tegangan keluaran dengan variasi RD ditunjukkan Gambar 6.
Gambar 6. Grafik hasil pengukuran variasi resitansi Rd terhadap keluaran pulsa. Dari grafik Gambar 6 dapat dijelaskan bahwa nilai resistasi RD memperngauhi besar tegangan keluaran pulsa generator ultrasonik tersebut. Semakin besar RD maka semakin kecil tegangan pulsa ISSN 0853 - 0823
Suryono, dkk/ Rancang Bangun Pembangkit Pulsa Ultrasonik Untuk Material Padat Berbasis Mikrokontroler
251
yang dihasilkan generator pulsa tersebut. Pada tegangan sumber DC 500 volt, tegangan pulsa dapat mencapai 354 V. Oleh karena itu variasi tegangan pulsa generator ultrasonik dapat diperoleh dengan melakukan variasi RD. Dari penelitian yang dilakukan diperoleh variasi lebar pulsa yang dapat diatur melalui prosedur permrograman tunda dengan frekuensi keluaran 0,67 MHz – 4,20 MHz. Dari hasil pengujian kestabilan pulsa diperoleh nilai kestabilan 99,89% pada lebar 1 us dan 99,07 % pada lebar pulsa 250 nS. Tegangan tinggi pulsa dapat diatur dari 36,8 volt hingga 354,8 volt melalui resistor Drain (RD) dari MOSFET IRF832 yang digunakan. Nilai resitansi dari resistor RD yang digunakan tersebut berada pada kisaran 10Ω hingga 470KΩ. Pulsa yang dihasilkan pada rangkaian tersebut dapat menembus material padat dengan ketinggian mencapai 13.0 volt. IV.
KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa mikrokoktroler dapat digunakan untuk membangkitkan pulsa ultrasonik dengan rentang frekuensi 0,67 MHz – 4,20 MHz dengan kestabilan pulsa. Semakin sempin lebar pulsa yang dihasilkan maka semakin tidak stabil pulsa yang dihasilkan. Tegangan tinggi pulsa dapat diatur melalui resistor drain (RD) MOSFET IRF832 yang digunakan. Pada model rangkaian yang digunakan, tinggi pulsa yang dihasilkan berbanding terbalik terhadap besar resistor drain. Pulsa tersebut dapat menembus bahan uji dengan ketinggian mencapai 13,0 volt. V.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2002, 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash Tmega8535, ATMEL Corp, USA Deidda, G.P., and Ranieri, G., 2006. Seismic tomography imaging of an unstable embankment, Journal of Engineering Geology. Volume 82, Issue 1, Pages 32-42. Fraden, J., 1996. Handbook of Thermoscan, Inc, California.
Modern
Sensors : Physics Designs, and Applications.
Krautkramer, J. , and Krautkramer, H., 1990. Ultrasonic Testing of Materials. Springer-Verlag. Berlin. McDicken, W.M, 1990. Diagnostic Ultrasonic, Principles and uses of Instrument. Willey and Sons, New York. Rahim, R. A., et al., 2007. Non-invasive imaging of liquid/gas flow using ultrasonic transmission-mode omography. Sensors and Actuators A, vol. 135, pp. 337–345 Rose, L.J., 1999. Ultrasonic Wave in Solid Media, Cambridge University Press, Boston.
ISSN: 0853 - 0823
