Tugas Mata Kuliah SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA

PERANCANGAN ALAT PEMANTAU LEVEL TANGKI PADA PABRIK INDUSTRI METHANOL MENGGUNAKAN SENSOR LVDT BERBASIS MIKROKONTROLLER

Oleh: Jeffri Sindrian Royun Najib H. 0810630065 0810630091

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG

2011 KATA PENGANTAR

Assalamualaikum wr.wb. Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas ini dengan baik. Tugas ini disusun sebagai tugas mata kuliah Sistem Instrumentasi Elektronika pada semester 6. Penulis menyadari bahwa tanpa bantuan, bimbingan serta dorongan dari semua pihak penyelesaian tugas ini tidak mungkin bisa terwujud. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan serta dukungan baik secara langsung maupun tidak langsung atas penyusunan tugas ini. Dalam penyusunan tugas ini, penulis menyadari bahwa tugas ini belumlah sempurna, karena keterbatasan ilmu dan kendala-kendala lain yang terjadi selama pengerjaan tugas ini. Untuk itu kritik dan saran sangat diharapkan demi kesempurnaan tugas ini. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat dan dapat digunakan untuk pengembangan lebih lanjut. Wassalamualaikum wr.wb.

Malang, April 2011

Penulis

2

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya dalam bidang elektronika berjalan semakin lama semakin cepat. Ruang lingkup penerapan teknologi elektronika sangatlah luas mencakup berbagai bidang kehidupan manusia. Hal ini dalam upaya pemenuhan kebutuhan manusia yang semakin meningkat, sehingga dapat menaikkan kualitas kehidupan dan kesejahteraan bagi manusia. Salah satunya dalam bidang sistem Instrumentasi Elektronika yaitu penerapan sistem Displacement (perpindahan/posisi). Displacement disebabkan oleh adanya gerak mekanis yang dapat menimbulkan suatu perpindahan molekul ataupun benda. Banyak cara dilakukan untuk mengetahui atau mengukur gerak mekanis misalnya mengukur jarak atau posisi dengan LVDT (Linear Variable Differential Transformer), mengukur kecepatan dengan tachometer, mengukur debit air dengan rotameter. Tetapi jika ditemui gerakan mekanis yang berada dalam suatu sistem yang kompleks maka diperlukan sebuah sensor untuk mendeteksi atau mengimformasikan nilai yang akan diukur. Dengan latar belakang diatas, makalah ini dibuat untuk membahas bagaimana merancang alat monitoring level tangki yang berisi methanol dengan sistem sensor LVDT ini. Rancangan alat monitoring ini terdiri dari rangkaian sensor LVDT, rangkaian pengkondisi sinyal, mikrokontroler dan terakhir yaitu LCD. 1.2. Batasan Masalah Pembahasan akan diarahkan pada proses pemantauan level tangki pada pabrik methanol dengan menggunakan sensor LVDT berbasis mikrokontroller. Sistem monitoring untuk mengetahui berapa volume methanol dalam tangki pabrik digunakan sensor LVDT, yang nantinya keluaran dari sensor akan diolah pada mikrokontroler dan ditampilkan pada LCD. Dalam makalah ini tidak akan dibahas mengenai sensor-sensor lain yang digunakan untuk mengetahui level cairan kimia lainnya. Masalah pemilihan mikrokontroller dan perancangan software dari mikrokontroller juga tidak dibahas dalam

3

makalah ini. Selain itu perancangan osilator tidak akan dijelaskan dalam makalah ini.

1.3.Tujuan dan Manfaat 1.3.1. Tujuan Merancang dan membuat sebuah Instrumentasi Elektronika berupa alat monitoring level cairan methanol pada tangki pabrik dengan menggunakan sensor LVDT berbasis mikrokontroller.

1.3.2. Manfaat1. Memudahkan dalam pemantauan suatu level methanol pada tangki yang tertutup.

2. Memudahkan pengecekan dari jarak yang jauh3. Sebagai salah satu referensi dalam perancangan suatu sistem Instrumentasi

Elektronika

4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. LVDT (Linear Variable Differential Transformer) LVDT adalah suatu alat elektromekanikal yang dapat menghasilkan keluaran elektrikal yang sebanding dengan pergeseran intinya. Dengan kata lain, transduser ini dipakai untuk melihat perubahan sinyal listrik yang secara linier sebanding dengan perubahan kedudukan. Perangkat ini merupakan transduser elektromekanis dimana perpindahan posisi mekanis disebabkan pada pergerakan inti besi. Konstruksi dari LVDT dapat ditunjukkan dalam Gambar 2.1 dan Gambar 2.2, terdiri atas kumparan primer, dua kumparan sekunder dan inti besi yang bergerak bebas di dalamnya.

Gambar 2.1 Sensor LVDT

Gambar 2.2 Sekema dalam LVDT

5

Pada suatu kedudukan tertentu, amplitudo yang diinduksikan pada kumparan sekunder pertama sama besar dengan keluaran pada kumparan sekunder kedua. Karena kumparan sekunder tersebut saling dihubungkan seri dengan arah gulungan berlawanan, maka keluaran tegangan pada rangkaian sekunder berbeda fasa 180 derajat. Sehingga pada pusat kedudukannya, keluaran akan 0 volt. Jika inti besi digerakkan dari posisi kesetimbangan, tegangan yang diinduksikan pada satu kumparan sekunder akan naik, tapi tegangan turun pada kumparan sekunder yang lain. Hal ini menyebabkan adanya perbedaan tegangan yang tergantung dari posisi inti besi di dalam kumparan. Respon posisi dari sebuah LVDT ditunjukkan dalam Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Respon posisi dari LVDT

Dalam penggunaannya, LVDT dapat memakai beberapa bentuk sumber AC untuk menggerakkan lilitan primernya. Sumber penggerak / pemicunya biasanya adalah gelombang sinus dengan frekuensi berkisar antara 20Hz-20kHz. Karena pemicunya adalah6

gelombang sinus AC maka keluaran dari LVDT ini juga merupakan gelombang sinus AC. Sebelum masuk ke perangkat selanjutnya maka output (keluaran) dari LVDT ini harus diubah ke DC terlebih dahulu. Prinsip kerja LVDT ditunjukkan dalam Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Prinsip Kerja LVDT

Ketika inti berpusat sempurna antara kedua sekunder dan primer, seperti yang ditunjukkan, tegangan induksi pada setiap sekunder adalah sama. Dengan demikian output LVDT (saat inti di kumparan primer) adalah nol karena tegangan membatalkan satu sama lain. Saat inti bergeser ke kiri itu menyebabkan tegangan pada kumparan sekunder pertama(S1) ditambah dengan tegangan kumparan primer lebih kuat dibandingkan tegangan kumparan sekunder kedua(S2) dan meyebabkan tegangan output sefasa dengan tegangan input. Sebaliknya saat saat inti bergeser ke kanan itu menyebabkan tegangan pada kumparan sekunder kedua(S2) ditambah dengan tegangan kumparan primer lebih kuat dibandingkan tegangan kumparan sekunder pertama(S1) dan meyebabkan tegangan output berbeda fasa dengan tegangan input.

7

Gambar 2.5a Saat Inti Bergeser ke kiri

Gambar 2.5b Saat Inti Bergeser ke kanan

2.2. Operational Amplifier (Op-Amp) Operational Amplifier (Op-Amp) merupakan salah satu komponen elektronika yang paling banyak digunakan dalam bidang elektronika. Baik di bidang analog maupun digital. Simbol dari op-amp ditunjukkan dalam Gambar 2.6. Hal ini karena Op-Amp sangat mudah digunakan dan sangat efisien. Dalam rangkaian elektronika yang rumit menjadi sederhana dengan menggunakan Op-Amp.

Gambar 2.6 Simbol Op-Amp

Pada op-amp terdapat satu terminal keluaran, dan dua terminal masukan. Terminal masukan yang diberi tanda (-) dinamakan terminal masukan pembalik (inverting), sedangkan terminal masukan yang diberi tanda (+) dinamakan terminal masukan tak membalik (non inverting).

2.3. Instrumentation Amplifier (Penguat Instrumentasi) Penguat instrumentasi adalah penguat yang paling bermanfaat, cermat dan serbaguna yang ada pada saat ini. Penguat ini dibuat dari tiga penguat operasional dan tujuh resistor seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.7. Untuk menyederhanakan analisis rangkaian, perlu diketahui bahwa penguat instrumentasi sesungguhnya dibuat dengan menghubungkan dua buah penguat penyangga dengan sebuah penguat diferensial dasar.

8

Gambar 2.7. Penguat Instrumentasi

Op Amp A3 dan dua resistor R2 dan dua resistor R3 membentuk sebuah penguat deferensial dasar dengan gain sebesar R3/R2. Seperti yang terlihat dalam Gambar 2.7, ada satu buah resistor lagi yang digunakan untuk menyetel penguatan, yaitu RG. Persamaan tegangan adalah sebagai berikut: 2 R R Vout = 1 + 1 3 ( E2 E1 ) RG R2

Ciri-ciri penguat instrumentasi dapat diringkas sebagai berikut:1. Penguatan tegangannya, dari masukkan diferensial (E1 - E2) ke keluaran berujung

tunggal, disetel oleh satu resistor. 2. Resistansi masukkan dari kedua masukkannya sangat tinggi dan tidak berubah jika penguatannya berubah.3. Vo tidak tergantung pada tegangan bersama E1 maupun E2, melainkan hanya pada

perbedaan antara keduanya. Dari pensubtitusian dua persamaan diatas akan diperoleh sebuah persamaan Vout sebagai fungsi dari E dan R. Persamaan yang diperoleh adalah sebagai berikut: 2 R R R Vout = 1 + 1 3 RG R2 40

9

2.4. Analog to Digital Converter 0804 Analog to Digital Converter adalah sebuah piranti elektronika yang dirancang untuk dapat mengubah sinyal analog manjadi sinyal digital. Menggunakan ADC karena pengontrolan dilakukan menggunakan kontroller elektronika (mikrokontroller, komputer, atau plc), sehingga sinyal analog yang berasal dari sensor harus terlebih dahulu diubah menjadi sinyal digital agar dapat dibaca dan diolah oleh komputer. Untuk memulai proses konversi, range tegangan input yang diterima adalah dari 0-5 volt. Keluaran ADC 0804 ini berada di port 11-18 yang akan masuk ke mikrokontroller. Gambar 2.8 menunjukkan pinpin ADC0804.

Gambar 2.8 Pin ADC0804

2.5. LCD (Liquid Crystal Display) LCD adalah suatu jenis media tampilan yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. Pada LCD berwarna semacam monitor terdapat banyak sekali titik cahaya (pixel) yang terdiri dari satu buah kristal cair sebagai sebuah titik cahaya. Walau disebut sebagai titik cahaya, namun kristal cair ini tidak memancarkan cahaya sendiri. Sumber cahaya di dalam sebuah perangkat LCD adalah lampu neon berwarna putih di bagian belakang susunan kristal cair tadi. LCD yang dipergunakan mempunyai spesifikasi sebagai berikut 1) 2) 3) Terdiri atas 32 karakter yang tersusun dalam dua baris (masing-masing 16 karakter) dengan display dot matrik 5 x 7 Karakter generator ROM denagan 192 tipe karakter Karakter generator RAM dengan 8 tipe karakter

10

4) 5)6)

Display data RAM ukuran 80 x 8 bit Catu daya + 5 volt Reset pada saat power on

Rangkaian skematik dari LCD ditunjukkan dalam Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Rangkaian Skematik LCD

2.6. Mikrokontroler AT89C51 Mikrokontroler AT89C51 ialah mikrokomputer CMOS 8 bit dengan 4KB Flash Programmable dan Erasable Read Only Memory (PEROM). Mikrokontroler berteknologi memori non volatile kerapatan tingi dari Atmel ini kompatibel dengan mikrokontroler standar industri MCS-51 (seperti mikrokontroler 8031 yang terkenal dan banyak digunakan beberapa waktu lalu) baik pin kaki IC maupun set instruksinya serta harganya yang cukup murah. Oleh karena itu, sangatlah tepat jika kita mempelajari mikrokontroler jenis ini. AT89C51 mempunyai memori yang terdiri dari RAM internal sebesar 128 byte dengan alamat 00H-7FH dapat diakses menggunakan RAM address register. RAM Internal ini terdiri dari Register Banks dengan 8 buah register (R0-R7).Memori lain yaitu 21 buah Special Function Register dimulai dari alamat 80H-FFH. RAM ini beda lokasi dengan Flash PEROM dengan alamat 000H -7FFH. Gambar 2.8 menunjukkan pin-pin AT89C51.

11

Gambar 2.10 Nama Pin-pin AT89C51

BAB III PERANCANGAN

3.1. Spesifikasi Rancangan 1. Oscilator Oscilator disini digunakan untuk membangkitkan gelombang sinus dengan frekuensi 3 KHz untuk membangkitkan gelombang pada sensor LVDT. 2. LVDT Linear Voltage Differential Transformator (LVDT) adalah merupakan sensor perpindahan dalam hal ini sensor LVDT digunakan untuk mengetahui level volume dengan memanfaatkan pergeseran dari batang ferit yang berada di dalam coil.12

3. RPS Rangkaian ini berfungsi untuk menguatkan sinyal yang diperoleh dari keluaran sensor LVDT. Rangkaian yang digunakan adalah penguat instrumentasi. 4. Rectifier Rangkaian ini digunakan untuk menyearahkan sinyal keluaran dari op amp yang berupa gelombang sinus. 5. ADC 0804 ADC digunakan untuk merubah sinyal masukan yang berupa sinyal keluaran digital, yang selanjutnya akan diolah mikrokontroler. 6. Mikrokontroler Mikrokontroler yang digunakan adalah tipe AT89C51. 7. LCD 2x16 Digunakan sebagai penampil data level ketinggian methanol dari mikrokontoller AT89C51. Perancangan sistem pemantau tangki methanol pada pabrik industri menggunakan sensor LVDT adalah LVDT/sensor pergeseran dengan

analog

menjadi

dengan cara memanfaatkan sensor

untuk mengetahui volume tangki. Keluaran sensor LVDT

yang masih berupa sinyal AC harus dilewatkan ke RPS(Rangkaian Pengkondisi Sinyal) untuk dikuatkan dan selanjutnya diubah ke sinyal DC oleh rangkaian rectifier. Sinyal DC yang masih berupa sinyal analog ini akan diubah ke sinyal digital melalui rangkaian ADC 0804 untuk selanjutnya diolah oleh mikrokonroller untuk ditampilkan ke LCD 2x16. 3.2. Diagram Blok Prinsip kerja sistem secara keseluruhan adalah sebagai berikut. Minimum system AT89CS51 adalah kontroler utama dari sistem keseluruhan. Secara umum, diagram blok rangkaian dapat dilihat pada Gambar 3. 1 berikut.

13

Oscilator

RPS

Rectifier

ADC 0804LVDT

AT89C51

LCD 16X2

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Secara Keseluruhan

Pada kesempatan kali ini, tidak semua bagian dari sistem tersebut yang akan dijelaskan. Hanya sebatas pada sensor ketinggian level methanol, Rangkaian Pengkondisi Sinyal, ADC, mikrokontroler, serta tampilan yang merupakan rangkaian elektrik dari sistem. Mengenai rangkaian mekanik dan perancangan software mikrokontroller dari sistem ini untuk menampilkan data ke LCD tidak akan dibahas.

3.3. Pemilihan dan Perancangan Sistem Sensor

Secara umum LVDT bekerja karena adanya perbedaan medan magnet. Medan magnet ini muncul karena adanya gerakan inti magnet yang dimasukkan ke dalam kumparan. Semakin dalam inti magnet dimasukkan ke dalam kumparan maka nilai medan magnet yang di hasilkan akan semakin besar. LVDT bekerja pada frekuensi rendah (antara 20 - 20.000Hz) dan gerakannya linear terhadap masukan. Rangkaian ekivalen dari sensor LVDT dapat dilihat pada Gambar 3.2

14

Gambar 3.2. Rangkaian Ekivalen Sensor LVDT

Suatu LVDT pada dasarnya terdiri dari sebuah kumparan primer, dua buah kumparan sekunder, dan inti dari bahan feromagnetik. Kumparan- kumparan tersebut dililitkan pada suatu selongsong, sedangkan inti besi ditempatkan didalam rongga selongsong tersebut. Selongsong ini terbuat dari bahan non-magnetik. Kumparan p rimer dililitkan ditengah selongsong, sedangkan kedua kumparan sekunder dililitkan disetiap sisi kumparan primer. Kedua kumparan sekunder ini dihubungkan seri secara berlawanan dengan jumlah lilitan yang sama. Sensor LVDT ini akan mengeluarkan tegangan 0,2 volt pada frekuensi 3 kHz. Sehingga perancangan ADC0804 akan sangat sulit untuk tegangan yang kecil, maka dibutuhkan penguatan sebelum masuk ADC0804.3.4. Perancangan Rangkaian Pengkondisi Sinyal dan Rangkaian Precision Rectifier

Rangkaian pengkondisi sinyal yang dirancang terdiri atas rangkaian penguat (OpAmp) dan rangkaian penguat instrumentasi. Tujuan dari rangkaian pengkondisi sinyal ini agar tegangan keluaran sensor sesuai dengan level tegangan yang dapat diproses mikrokontroler.

Gambar 3.3. Gambar Rangkaian Penguat Instrumentasi 15

Rangkaian Precision Rectifier Keluaran rangkaian penguat instrumentasi berupa sinyal AC, maka dari itu untuk menuju ke rangkaian berikutnya, harus diubah ke DC terlebih dahulu. Karena dibutuhkan perubahan yang presisi, maka pengubahannya sebaiknya tidak hanya memakai rangkaian diode silicon biasa. Kita dapat menggunakan rangkaian Precision Rectifier.

Gambar 3.4 Rangkaian Precision Rectifier

Penguatan dibuat agar 1x penguatan karena keluaran dari penguat instrumentasi sudah cukup besar, sehingga tidak perlu dikuatkan lagi.

3.5. Cara Kalibrasi LVDT adalah suatu sensor yang bekerja berdasarkan prinsip trafo diferensial dengan gandengan variabel antara kumparan primer dan kumparan sekunder. Sebelum menggunakan LVDT kita harus mengetahui daerah linier LVDT tersebut pada tegangan eksitasi tertentu dan frekuensi tertentu. Perubahan tegangan eksitasi akan menghasilkan tegangan yang berbeda untuk tiap pergeseran jarak, tetapi tegangan eksitasi yang lebih besar akan menghasilkan sensitivitas yang tinggi. Perubahan frekuensi akan merubah koefisien dari daerah linieritas sensor, tetapi daerah kerjanya tetap sama.

16

Tegangan yang dihasilkan pada kumparan sekunder sebading dengan perubahan

posisi inti magnetic

Hubungan linier bila inti masih disekitar posisi kesetimbangan

Gambar 3.5 Rangkain uji elektronik LVDT

3.6. Lembar Data (Datasheet)

17

BAB IV PENUTUP4.1. Kesimpulan Secara umum, sistem dapat berjalan dengan baik, namun ada sedikit error dikarenakan adanya perhitungan dan perancangan yang mungkin kurang tepat dan matang.

4.2. Saran

18

Pada saat merancang dan membuat sistem, khususnya jika menggunakan LVDT. Sebaiknya dilakukan secara seksama dan dilakukan perhitungan yang benar-benar matang. Sehingga tidak terjadi error, dan sistem dapat berjalan sesuai dengan tujuan yang diinginkan.

19

DAFTAR PUSTAKA

Sensorland.com, How sensors work - LVDT displacement transducer, http://www.sensorland.com/HowPage006.html (diakses tanggal 14 April 2011). Techkor, Inc., An Introduction to Linear Variable Differential Transformer, http://www.globalspec.com/Goto/GotoWebPage? gotoUrl=/ACTTechkor/ref/TB31/TechkorTB31.html&gotoType=TechArticle&VID =245&CategoryID=1136 (diakses tanggal 14 April 2011). RDP Electronics, Linear Variable Differential Transformer Principle of Operation, http://www.rdpe.com/displacement/lvdt/lvdt-principles.htm (diakses tanggal 15 April 2011) ----.2002. AT89CS51 Datasheet. http://www.atmel.com (diakases tanggal 17 April 2011)

20

21