Embed Size (px)
DESCRIPTION
tugas
Citation preview
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011
ISBN No.
1
KARAKTERISASI DAN KALIBRASI AKUISISI DATA PADA SENSOR MASSA
DENGAN MENGGUNAKAN ADC 16 BIT
Niswari Sulistiowaty
1), Melania Suweni Muntini
2)
Laboratoium Elektronika & Instrumentasi Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya 60111
Email : [email protected], [email protected]
ABSTRAK
Makalah ini menyajikan hasil penelitian tentang karakterisasi dan kalibrasi akuisisi data sensor massa load
cell dengan menggunakan ADC 16 bit. Mekanisme sistem yang digunakan dalam sensor load cell adalah memasang
salah satu ujung load cell secara statis pada rangka mekanik dan satu ujung lainnya digantung tempat massa yang
akan diukur. Tegangan keluaran sensor load cell dikonversi oleh piranti ADC 16 bit untuk diubah dalam bentuk
keluaran digital. Display yang digunakan dalam penelitian adalah LCD 16X2. Dalam pembacaan pengukuran massa,
beban terus ditambahkan hingga terbaca tegangan keluaran di LCD.
Kalibrasi load cell dilakukan tanpa pengaturan ofset nol pada tegangan, yaitu tegangan keluaran tidak
menunjukkan nol ketika timbangan belum diberi beban. Variasi massa di peroleh dengan menambahkan beban.
Persamaan karakteristik load cell yang menyatakan hubungan antara tegangan(V) dalam volt, dan massa(m)dalam
gram adalah V=( 0,004185 m + 36,4643)mV. Error tegangan yang di hitung secara manual didapatkan 0,0025 volt,
yang dibandingkan dengan nilai error tegangan dari slidewrite sebesar 0,18070 mVolt, perbedaan tersebut karena dari
perhitungan manual terjadi keterbatasan cara pandang saat menggeser grafik. Perhitungan yang diperoleh mempunyai
tingkat kepercayaan 95% yang berada pada rentang 36,055. Dari hasil karakterisasi, load cell tipe CZL601 dapat
mengukur beban sampai dengan 20 kilogram dengan tingkat sensitivitas(0,004604 ± 0,000028) mVolt / gram .
Kata kunci: karakterisasi, kalibrasi, load cell, ADC 16 bit, error
1. PENDAHULUAN
Pada makalah ini disampaikan hasil
penelitian untuk mengkarakterisasi dan
mengkalibrasi sensor massa load cell yang
akuisisi datanya menggunakan ADC 16 bit.
Secara umum, load cell dan sensor gaya berisi
pegas logam mekanik dengan mengaplikasikan
beberapa foil metal strain gauge (SG). Strain
dari pegas mekanik muncul sebagai pengaruh
dari pembebanan yang kemudian
ditransmisikan pada strain gauge. Pengukuran
sinyal yang dihasilkan dari load cell adalah
dari perubahan resistansi strain gauge yang
linier dengan gaya yang diaplikasikan
(Mauselein dkk., 2009).
Pada makalah ini disampaikan hasil
karakterisasi dan kalibrasi akuisisi data pada
sensor massa menggunakan ADC 16 bit.
Sensor massa loadcell yang digunakkan adalah
jenis single point model CZL601 yang mampu
mengukur beban sampai dengan 20 kg.
Akuisisi data dilakukan dengan menggunakan
ADC 16 bit, yang memiliki resolusi yang lebih
baik dibanding akuisisi sebelumnya
[Sugriwan, 2010]. Rangkaian sensor massa
dihubungkan dengan pengkondisi sinyal,
selanjutnya, hasil dan akuisisi data ditampilkan
pada display LCD 16X2.
2. DASAR TEORI
2.1 Load Cell Sebagai Sensor Massa
Load cell adalah sebuah sensor gaya
yang banyak digunakkan dalam industri yang
memerlukan peralatan untuk mengukur massa.
Transduksi massa dapat bervariasi bergantung
pada perubahan parameter fisis. Piezoresistif
yang populer adalah strain gauge yang
memanfaatkan perubahan resistansi strain
gauge setiap mendapat deformasi dari posisi
setimbang sebagai akibat pembebanan massa
tertentu.
Strain () adalah sejumlah deformasi pada
material sebagai pengaruh dari aplikasi gaya.
Lebih khusus lagi, strain didefinisikan sebagai
perbandingan perubahan panjang terhadap
panjang mula-mula, sebagaimana ditunjukkan
pada Gambar 2.1.
Gambar 1. Sebuah gaya yang dikenakan pada
batang L dan mengalami perubahan panjang ∆
L akibat strain (National Instrument, 1999).
Terdapat beberapa metode untuk
mengukur strain, yang berikut ini adalah strain
gauge, sebuah devais dengan beberapa
resistansi bervariasi dan proporsional dengan
sejumlah strain dalam divais. Gauge yang
paling luas digunakan adalah bonded metallic
strain gauge, berisi beberapa fine wire atau
gaya gaya
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011
ISBN No.
2
metallic foil yang disusun dalam pola garis (grid)
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2. Pola garis metallic strain gauge
Prinsip dasar fundametal dari strain gauge
adalah sensitivitas dari strain, diekspresikan
secara kuantitatif sebagai gauge factor (GF).
Gauge factor didefinisikan sebagai rasio dari
pembagian perubahan dalam resistansi
terhadap pembagian perubahan
panjangnya(strain).
Resistansi dari strain gauge hanya berubah
terhadap respon strain gauge material dan
perubahan temperatur. Devais yang
menggunakan prinsip strain gauge untuk
pengukuran massa adalah load cell. Load cell
merupakan devais yang menggunakan efek
piezoresistif dengan bentuk fisik ditunjukkan
pada Gambar 2.3.
Penelitian ini akan menggunakan load cell
dengan rentang massa maksimum 20 kg.
Gambar 3. Load cell single point model
CZL601 (Tedea-Huntleigh, 2009)
2.2 Karakterisasi dan kalibrasi sensor
load cell
Kalibrasi dan karakterisasi load cell
ini akan digunakan untuk mengukur tegangan
akibat penambahan massa.. Kalibrasi
dilakukan dengan non zero calibration pada
tegangan, di mana tegangan keluaran tidak
menunjukkan nol ketika belum diberi anak
timbangan sebagai pembeban (tanpa
pengaturan ofset nol). Timbal sebagai
pembeban dikalibrasi di Laboratorium Gaya
dan Massa Balai Pengamanan Fasilitas
Kesehatan (BPFK) Surabaya. Anak timbangan
bersertifikat yaitu merk sartorius tipe YCW
553-00, nomor seri 15929662, kelas F1 dengan
nominal 500 gram. Timbal digunakan sebagai
data kalibrasi load cell untuk mendapatkan
hubungan karakteristik antara massa (m)
dengan tegangan (V). Variasi massa diperoleh
dengan menambahkan timbal ke dalam
keranjang. Hasil kalibrasi terhadap delapan
timbal ditunjukkan pada tabel 1. Kondisi
ruang ketika diambil pengukuran, suhu 23,2
± 0,07 kelembaban relatif 50,2 %RH, dan
tekanan 1009,5 hPa.
Nilai
(g)
Nomor
Timbal
Massa
Kovensional
(g)
Ketidakpastian
Pengukuran
(g)
500 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
499,9982
499,9978
500,0015
499,9995
499,9940
499,9993
499,9983
499,9960
499,9994
499,9965
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
Timbal yang telah diketahui massa
konvensionalnya digunakan sebagai data
kalibrasi load cell untuk mendapatkan
hubungan karakteristik antara massa dengan
tegangan. Variasi massa diperoleh dengan
menambahkan timbal ke dalam keranjang.
Hasil kalibrasi load cell dengan timbal
ditunjukkan pada tabel 1 yang berpadanan
dengan grafik karakteristik yang ditunjukkan
pada Gambar 2.6. Pada kalibrasi load cell
ini dilakukan dengan cara menambahkan
timbal satu per satu sampai dengan beban
total sekitar 5 kilogram timbal yang
selanjutnya respon tegangannya dicatat.
2.3 Akuisisi Data Menggunakan
Pengkonversi Sinyal Analog ke Digital
(ADC) Keluaran hasil pengukuran berupa besaran
fisis yang biasanya berbentuk sinyal analog
yang nantinya dirubah menjadi sinyal digital.
Analog to Digital Converter (ADC) adalah
sebuah piranti yang dirancang untuk
mengubah sinyal-sinyal analog menjadi sinyal-
sinyal digital. IC ADC 0804 dianggap dapat
memenuhi kebutuhan dari rangkaian yang
akan dibuat. Hal-hal yang perlu diperhatikan
dalam penggunaan ADC ini adalah tegangan
maksimum yang dapat dikonversikan oleh
ADC dari rangkaian pengkondisi sinyal,
resolusi, pewaktu eksternal ADC, tipe
keluaran, ketepatan dan waktu konversinya.
Ada beberapa karakteristik penting ADC: (1)
Waktu konversi, (2) Resolusi, (3)
Ketidaklinieran, (4) Akurasi.
ADC 16 bit digunakan untuk input
tegangan yang berskala mikrovolt (uV). ADC
yang digunakan dalam penelitian ini adalah
ADC MAX195. Dalam ADC ini
komunikasinya menggunakan interface inter
integrated circuit dengan mikrokontroler. I2C (
Inter Integrated Circuit ) adalah sitem
komunikasi dengan menggunakan dua jalur
kabel yang dapat menghubungkan beberapa
devais dan satu master dalam satu saluran.
ADC ini dapat beroperasi pada catu daya
tunggal antara 0 sampai 5 volt serta
mempunyai kecepatan transfer dan keakursian
yang tinggi.
ADC 16 bit MAX 195 dalam
mengkonversi sinyal analog menggunakan
sistem SAR (successive-approximation
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011
ISBN No.
3
register) dimana output data yang dikeluarkan
berupa data digital secara serial. Sistem SAR
merupakan sistem yang membentuk sebuah
urutan data (sequencial) sesuai dengan sinyal
input yang diberikannya, sehingga data yang
dikeluarkan akan urut.
3. METODOLOGI
Penelitian ini terdiri dari beberapa
tahapan, yaitu perancangan rangkaian
elektronika untuk sensor load cell, membuat
rangkaian pengkondisi sinyal untuk load cell,
membuat rangkaian ADC, kemudian
pengambilan dan analisis data.
Desain sistem instrumentasi untuk analisis
kesalahan pengukuran sensor load cell terdiri
dari blok sensor massa yang menggunakan
load cell tipe CZL601,blok catu daya,blok
penguat Instrumentasi,blok adc 16 bit dengan
catu daya tunggal antara 0 sampai 5 volt dan
display lcd.
Load cell ditempatkan pada rangka
mekanis yang dibuat statis pada salah satu
ujungnya,pada ujung yang lain digantungkan
sebuah rangka besi segiempat sebagai
keranjang tempat mengukur massa.Untuk
mendapatkan hubungan antara massa dengan
tegangan pada load cell dilakukan proses
kalibrasi menggunakan anak timbangan
(timbal). Timbal ini dibuat dibengkel logam
Laboratorium Fisika Dasar jurusan FMIPA
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya. Sinyal keluaran dari load cell
dihubungkan dengan rangkaian elektrik yang
dirancang khusus untuk penelitian ini.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Kalibrasi dilakukan dengan non zero
calibration pada tegangan, di mana tegangan
keluaran tidak menunjukkan nol ketika belum
di beri anak timbangan sebagai pembeban
(tanpa pengaturan ofset nol).Timbal sebagai
pembeban dikalibrasi di Laboratorium Gaya
dan Massa Balai Pengamanan Fasilitas
Kesehatan (BPFK)Surabaya. Anak timbangan
bersertifikat yaitu merk sartorius model / tipe
YCW 553-00, nomor seri 15929662, kelas F1
dengan nominal 500 gram. Timbal
digunakkan sebagai data kalibrasi load cell
untuk mendapatkan hubungan karakteristik
antara massa,m,dengan tegangan,V. Variasi
massa di peroleh dengan menambahkan timbal
ke dalam keranjang.
Gambar 4. Grafik karakteristik kalibrasi load
cell
Kalibrasi load cell menggunakan 10
timbal dengan berat total timbal sekitar 5
kilogram.Timbal dimasukkan ke keranjang
pembeban satu persatu dan respon tegangan
yang keluar dari load cell dicatat. Grafik
karakterisasi kalibrasi load cell nampak seperti
gambar dibawah.
Bila massa beban ditambahkan maka
tegangan yang terbaca pada display juga akan
bertambah besar,dengan menggunakan ADC
16 bit maka perubahan tegangan sebesar 0,002
volt dapat diteliti. Hal ini didapatkan saat
pengambilan data penambahan massa 500
gram menjadi 1000 gram. Resolusi yang
dimiliki oleh ADC 16 bit sebesar 7.62.10-
2mV,oleh karenaitu apabila adanya perubahan
tegangan pada sistem sensor lebih besar
daripada resolusiADC16 bit akan terdeteksi.
Penempatan timbal dalam keranjang
diatur sedemikian sehingga load cell tersebar
merata (setimbang). Dalam karakterisasi load
cell, telah dilakukan penempatan timbal pada
masing-masing keempat sudutnya. Selanjutnya
dilakukan pengukuran naik dan respon
tegangan diukur. Hasil pengukuran dengan
penempatan timbal berkelompok di masing-
masing sudutnya memberikan respon tegangan
yang sama dengan respon tegangan ketika
penempatan timbal menyebar. Hal ini karena
pembebanan menekan salah satu ujung load
cell pada satu titik.Perhitungan error voltase
secara manual didapatkan dengan menggeser
garis lurus terbaik grafik massa berbanding
tegangan dengan menerapkan perumusan
.Sehingga didapatkan nilai error tegangan
sebesar 0,0025 volt. Sedangkan hasil
karakterisasi load cell secara software
,diperoleh persamaan karakteristik
Vm=0,0041850m + 36,46413volt.
Dari software didapatkan data linier seperti
tabel diatas,sehingga di dapatkan nilai error
tegangan 0,18070 volt . Dengan tingkat
kepercayaan 95 % yang berada pada rentang
36,055.
5. KESIMPULAN
Dari hasil karakterisasi dan kalibrasi
terhadap sensor massa, load cell tipe CZL601,
dapat disimpulkan bahwa:
1. Rangka mekanis dari bahan logam dibuat
khas untuk dapat ditempatkan di atas
paling palayuan, pada mana salah satu
ujung load cell dibuat statis dan ujung
lainnya digantungkan sebuah keranjang
sebagai pembeban.
2. Sepuluh anak timbangan (timbel), sebagai
pembeban kalibrator untuk load cell,
dengan berat nominal masing-masing
sekitar 500 gram telah dikalibrasi di
Laboratorium Massa dan Gaya BPFK
Depkes Surabaya untuk mengetahui nilai
benarnya di mana kalibrator timbangan
dan anak timbangan bersertifikat dna
tertelusur.
3. Load cell sebagai sensor massa, penguat
instrumentasi, dan perangkat akuisi
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011
ISBN No.
4
bekerja sebagai sebuah sistem
instrumentasi analisi kesalahan
pengukuran massa sensur load cell dengan
mengaplikasikan adc 16 bit.
4. load cell dengan disain untuk digunakan
sebagai mengukur massa
V = (0,0041850 m + 36,46431) mV
dengan nilai error yang kecil yaitu0,18070
mV dan software dengan tingkat
kepercayaan 95% sedangkan dari
perhitungan didapat error 0,0025
volt.Unjuk kerja dari load cell sangat
tinggi dan error histerisis yang sangat
rendah.
Terimakasih kepada DP2 M, atas pendanaan
penelitian melalui hibah penelitian Tim
Pasca Sarjana Tahun 2011.
DAFTAR PUSTAKA
Agus Bejo, 2008, C & AVR Rahasia
Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroller
ATMega 8535, Yogyakarta: Graha Ilmu.
Bolton, W, 2002, Sistem Informasi dan Sistem
Kontrol, Jakarta : Erlangga.
Digiware, 2010, ADC 16 bit Max 195, Data
Sheet
Introduction to Strain gages, Chris Field and
David M. Beams, Department of Electrical
Engineering, University of Texas at Tyler,
2005, David M. Beams
Imron, 2001, Data dan Pengukuran Fisis,
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kyowa Electronic Instrument co., LTD.2006.
How Strain gages Work. Diakses 23 Januari
2011 dari Kyowa. Sensor System Solutions.
http://www.kyowa-
ei.co.jp/english/product/gages/pdf/howsgw.pdf
Hardiman, Lobes dkk, 2009. Perancangan
Modul Pengendali menggunakan
Mikrokontroler AT89S52 pada prototipe alat
penimbang otomatis, Jurnal Teknik Indusri
Universitas Sebelas Maret, Surakarta.
Sugriwan, Iwan, 2010, Perancangan Sistem
Instrumentasi untuk Pengukuran Derajat Layu
Pada Pengolahan The Hitam, Tesis Program
magister Jurusan Fisika FMIPA ITS-Surabaya.
STRESS-STRAIN RELATIONS.
URL:http://www.bradford.ac.uk/staff/vtoropov
/tmp/week4.pdf. Diakses 12 Pebruari 2011.
Tadea Inc. 2009. Single Point Load Cell. Data
Sheet.
Terrel, David L. 1996. Op-Amps: Design,
Application, and Troubleshooting. Elsevier
Science and Technology. Oxford UK.
Purwanto, Dwi, 2008, Rancang Bangun Load
Cell sebagai Sensor Gaya Pada Sistem Uji,
Peneliti Balai Besar Teknologi Kekuatan
