Pemodelan Piezoelektrik Accelerometer Sebagai Sistem PendeteksiKondisi Mesin

1Deny Arief Rusamsi [ NIM: 23811302 ]

1Institut Teknologi Bandung, Bandung

Abstrak. Pemodelan Accelerometer sebagai sistem masa pegas dengan menggunakan Simulink-Matlab Ver. R2012a untuk mendeteksi akselerasi mesin. Dari model pegas masa dihubungkandengan dua buah tipe filter. Sistem diuji dengan berbagai tipe masukan dan noise yang dihasilkanoleh noise tipe sinusoida dan random noise untuk diketahui karakteristik keluaran yang dihasilkan.

Kata Kunci: piezoelectric accelerometer, sistem pegas-masa, frequency analysis.

1. PENDAHULUAN

Vibrasi merupakan salah satu indikatoryang digunakan untuk mengetahui kondisimesin. Vibrasi sendiri merupakan getaranyang dihasilkan oleh rotating machine.Mesin yang berotasi secara periodikdengan rpm tertentu akan menghasilkangetaran dengan frekuensi getar spesifik.Sebagai gambaran mesin dengan putaran3.000 rpm akan memiliki magnitudagetaran pada frekuensi 500 Hertz. Besaranmagnituda yang terdeteksi akan memilikibatasan sebagaimana tercantum dalam ISO10816 mengenai rotating machine.

Gambar 1. Zona mesin dan batasan vibrasi padastandarisasi ISO 10816

Mesin dengan kelas 1. merupakan peralatandengan motor penggerak elektrik yangmemiliki daya hingga 15 kW. Kelas 2.merupakan mesin kelas menengah denganmotor penggerak dengan daya 15 kWhingga 75 kW. Kelas 3. merupakan mesinbesar dengan daya motor penggerak yangmemiliki kecepatan lebih rendah darifrekuensi natural pondasinya, sedangkankelas 4. merupakan mesin besar dengandaya motor penggerak yang memilikikecepatan lebih tinggi daripada frekuensinatural pondasinya.

Accelerometer merupakan salah satu sensoryang dapat digunakan untuk mendeteksigetaran mesin. Accelerometer memilikibeberapa tipe berdasarkan cara kerjanya.Tipe sensor yang umum adalah tipepiezofilm, electromechanical servo,piezoelectric, liquid tilt, bulkmicromachined piezo-resistive, capasitivesensor dan micromachine surface. Tipesensor piezoelektrik merupakan tipe yangpaling banyak digunakan disbanding tipesensor lain sebagai sensor akselerasi,karena selain memiliki linearitas yang besardalam range yang dinamis, range frekuensiyang lebar, umur yang relatif panjang

karena tidak memiliki bagian yangbergerak, tidak dibutuhkannya sumberlistrik eksternal, hingga ragam besaran yangdapat dihasilkan. Pada tipe piezoelektrikkecepatan vibrasi dapat dihasilkan denganmengintegralkan nilai akselerasi yangdidapatkan, dan nilai pergeseran(displacement) dapat dihasilkan denganmengintegralkan kecepatan vibrasi.Keluaran piezoelectric accelerometerterbagi menjadi dua tipe. Tipe pertamamemberikan keluaran tegangan, dan tipekedua memberikan keluaran charge. Sensordengan keluaran tegangan tidakmembutuhkan sumber tegangan, akan tetapimemiliki impedansi yang tinggi danketidakmampuan melakukan pengukuranpercepatan yang memiliki true DCresponse. Sensor dengan keluaran chargemembutuhkan charge amplifier eksternal.

Sensor piezoelektrik akselerometerumumnya terbagi atas dua bagian. Bagiansensing dan bagian konversi. Bagiansensing terdiri atas masa seismic yangterletak tetap didalam badan sensor yangmendeteksi perubahan gaya yang diterimasensor. Bahan piezolektrik sendiri memilikikonstanta elastisitas dan redaman tertentu.Berdasarkan prinsip inilah makapiezoelektrik accelerometer dapatdimodelkan sebagai sistem pegas masa.

Gambar 2. Gambaran piezoelektrikaccelerometer dan analogi sebagai sistem pegasmasa.

Sistem pegas masa sebagai analogipiezoelektrik sensor dapat dinyatakandalam persamaan:

2

2

2

2

2

2

.dt

xdmaFky

dt

ydc

dt

ydm ..(1)

dengan:

m = masa seismic

c = koefisien peredaman

k = koefisien elastisitas

a = percepatan vibrasi

F = gaya yang diberikan.

x = simpangan masa terhadap acuan.

y = simpangan tubuh sensor.

Karena bagian sensing menerima akselerasidari luar maka baik tipe sensor dengankeluaran tegangan maupun sensor dengankeluaran charge akan memiliki karakteristikyang sama akan tetapi memiliki nilaisensitivitas yang berbeda. Sensitivitas

charge dinyatakan dengan = dan

sensitivitas tegangan dinyatakan dengan= dalam pemodelan ini digunakan

sensor dengan keluaran tegangan dan nilaisensitivitas diwakili dengan blok gain. Padapemodelan accelerometer kemudian akandiuji dengan beragam input (step, impulsedan sinusoidal) dan gangguan untukkemudian dianalisa karakteristik besaranyang dihasilkan. Dapat ditunjukkan bahwadengan mengatur besaran-besaran tersebutdiatas dapat dirancang sensor yang sesuaidigunakan untuk kondisi berbeda. Sensoryang telah dirangkaikan kemudian akandigunakan sebagai sistem pendeteksikondisi kesehatan mesin, sehingga jikadiberikan input gaya yang melebihi nilaitertentu maka sensor akan memicumekanisme shutdown pada peralatan untukmencegah kerusakan pada mesin.

2. PEMODELAN PEGAS-MASA

Piezoelektrik accelerometer merupakansensor yang terbuat dari masa seismicdengan koefisien redaman dan koefisienelastisitas yang bergerak terhadap acuantertentu pada tubuh sensor, rangkaian inidapat dimodelkan sebagai:

Gambar 3. Blok pemodelan sistem pegas masa.

Pemodelan dengan Simulink dan penurunanpersamaan kesetimbangan gayamemperlihatkan bahwa sistem masa pegasmerupakan sistem orde 2 dengan(frekuensi natural) bergantung pada nilai=

Gambar 4. Respon frekuensi sistem pegas masa.

dengan memasukkan nilai konstanta masa,konstanta damping, konstanta elastisitaspegas dan sensitivitas sensor maka akandidapatkan respon sensor yang diinginkan.

Salah satu contoh yang digunakan adalahdengan memasukkan nilai m=1, c=0.001,k=0.019, dan Sq=2 dan input fungsisinusoida dengan frekuensi 500 Hz akandidapatkan frekuensi natural sensor padafrekuensi 0.138 Hz, sehingga sensor lineardan dapat digunakan untuk mengukurakselerasi pada daerah frekuensi diatasfrekuensi natural tersebut. Grafik hubunganoutput dan input:

Gambar 5. Grafik hubungan output-input padasistem masa-pegas (kiri-output, kanan-input)dengan input sinusoida.

Hal yang sama juga ditunjukkan ketikasensor digunakan untuk mengukur inputimpulse dengan magnituda gelombang 1dan lebar impulse 0.5 detik.

Gambar 6. Grafik hubungan output-input padasistem masa-pegas (kiri-output, kanan-input)dengan input impulse.

Sensor menunjukkan pembacaan relatifbaik terhadap input impulse dan sinusoida,akan tetapi akan menunjukkan hasil yangsangat buruk manakala sensor digunakanuntuk mengukur input step sebagaimanaterlihat pada grafik dibawah:

Gambar 7. Grafik hubungan output-input padasistem masa-pegas (kiri-output, kanan-input)dengan input step.

Hal ini konsisten dengan tipikal keluaranyang dihasilkan oleh piezoelectricaccelerometer dengan keluaran tegangan.

Sensor accelerometer ketika dirangkaikandengan sistem condition monitoringumumnya akan menerima noise ataugangguan. Hal ini dapat diakibatkan olehpanjang kabel yang digunakan, frekuensijala-jala listrik maupun noise lain. Olehkarena itu dikembangkan pula model sistemdengan gangguan noise untuk kemudiandilihat karakteristiknya.

3. PEMODELAN FILTER PADAPIEZOELECTRICACCELERATOR

Sistem condition monitoring umumnyatersusun atas blok diagram berikut:

Gambar 8. Blok diagram sistem conditionmonitoring.

Sistem tersebut tersusun dari berbagaikomponen individual, masing-masingkomponen tersebut menghasilkankarakteristik spesifik yang mempengaruhiinformasi yang direpresentasikan oleh

sensor. Oleh karena itu perlu dirancangsistem filter yang dapat mengeliminir ataumengurangi efek gangguan pada informasiyang dihasilkan. Noise akibat panjang kabeldirepresentasikan dengan blok “acceleratorbias”, noise dari kapasitansi rangkaiancondition monitoring diwakili oleh drift,dan noise dari frekuensi listrik maupunnoise lain direpresentasikan oleh blokrandom noise dengan zero mean value ataublok gelombang sinus.

Pada laporan ini ditawarkan dua buahsistem filtering. Sistem filtering yangditawarkan menggunakan filter denganrespon frekuensi orde-1 tipe-1 dan dua buahfilter orde-1 dengan tipe-0. Kedua sistemfiltering akan diberikan beragam inputuntuk kemudian dianalisa karakteristiknya.

3.1 Filter orde-1 tipe-1.

Sistem condition monitoring yang telahdirangkai disimulsikan dalam simulinkdengan blok diagram sebagai berikut:

Gambar 9. Blok diagram sistem conditionmonitoring dengan filter orde-1 tipe-1 danberagam input.

Dari sistem ini dihasilkan karakteristiksistem yang menyerupai sistem orde-2dimana sensor dapat digunakan untukmengukur akselerasi dengan frekuensitinggi, akan tetapi akan menghasilkanrespon yang jelek untuk masukan dangangguan dengan frekuensi rendah. Grafikrespon frekuensi yang dihasilkan olehsistem diatas:

Gambar 7. Grafik hubungan output-input padasistem masa-pegas (kiri-output, kanan-input)dengan input step.

Hal ini konsisten dengan tipikal keluaranyang dihasilkan oleh piezoelectricaccelerometer dengan keluaran tegangan.

Sensor accelerometer ketika dirangkaikandengan sistem condition monitoringumumnya akan menerima noise ataugangguan. Hal ini dapat diakibatkan olehpanjang kabel yang digunakan, frekuensijala-jala listrik maupun noise lain. Olehkarena itu dikembangkan pula model sistemdengan gangguan noise untuk kemudiandilihat karakteristiknya.

3. PEMODELAN FILTER PADAPIEZOELECTRICACCELERATOR

Sistem condition monitoring umumnyatersusun atas blok diagram berikut:

Gambar 8. Blok diagram sistem conditionmonitoring.

Sistem tersebut tersusun dari berbagaikomponen individual, masing-masingkomponen tersebut menghasilkankarakteristik spesifik yang mempengaruhiinformasi yang direpresentasikan oleh

sensor. Oleh karena itu perlu dirancangsistem filter yang dapat mengeliminir ataumengurangi efek gangguan pada informasiyang dihasilkan. Noise akibat panjang kabeldirepresentasikan dengan blok “acceleratorbias”, noise dari kapasitansi rangkaiancondition monitoring diwakili oleh drift,dan noise dari frekuensi listrik maupunnoise lain direpresentasikan oleh blokrandom noise dengan zero mean value ataublok gelombang sinus.

Pada laporan ini ditawarkan dua buahsistem filtering. Sistem filtering yangditawarkan menggunakan filter denganrespon frekuensi orde-1 tipe-1 dan dua buahfilter orde-1 dengan tipe-0. Kedua sistemfiltering akan diberikan beragam inputuntuk kemudian dianalisa karakteristiknya.

3.1 Filter orde-1 tipe-1.

Sistem condition monitoring yang telahdirangkai disimulsikan dalam simulinkdengan blok diagram sebagai berikut:

Gambar 9. Blok diagram sistem conditionmonitoring dengan filter orde-1 tipe-1 danberagam input.

Dari sistem ini dihasilkan karakteristiksistem yang menyerupai sistem orde-2dimana sensor dapat digunakan untukmengukur akselerasi dengan frekuensitinggi, akan tetapi akan menghasilkanrespon yang jelek untuk masukan dangangguan dengan frekuensi rendah. Grafikrespon frekuensi yang dihasilkan olehsistem diatas:

Gambar 7. Grafik hubungan output-input padasistem masa-pegas (kiri-output, kanan-input)dengan input step.

Hal ini konsisten dengan tipikal keluaranyang dihasilkan oleh piezoelectricaccelerometer dengan keluaran tegangan.

Sensor accelerometer ketika dirangkaikandengan sistem condition monitoringumumnya akan menerima noise ataugangguan. Hal ini dapat diakibatkan olehpanjang kabel yang digunakan, frekuensijala-jala listrik maupun noise lain. Olehkarena itu dikembangkan pula model sistemdengan gangguan noise untuk kemudiandilihat karakteristiknya.

3. PEMODELAN FILTER PADAPIEZOELECTRICACCELERATOR

Sistem condition monitoring umumnyatersusun atas blok diagram berikut:

Gambar 8. Blok diagram sistem conditionmonitoring.

Sistem tersebut tersusun dari berbagaikomponen individual, masing-masingkomponen tersebut menghasilkankarakteristik spesifik yang mempengaruhiinformasi yang direpresentasikan oleh

sensor. Oleh karena itu perlu dirancangsistem filter yang dapat mengeliminir ataumengurangi efek gangguan pada informasiyang dihasilkan. Noise akibat panjang kabeldirepresentasikan dengan blok “acceleratorbias”, noise dari kapasitansi rangkaiancondition monitoring diwakili oleh drift,dan noise dari frekuensi listrik maupunnoise lain direpresentasikan oleh blokrandom noise dengan zero mean value ataublok gelombang sinus.

Pada laporan ini ditawarkan dua buahsistem filtering. Sistem filtering yangditawarkan menggunakan filter denganrespon frekuensi orde-1 tipe-1 dan dua buahfilter orde-1 dengan tipe-0. Kedua sistemfiltering akan diberikan beragam inputuntuk kemudian dianalisa karakteristiknya.

3.1 Filter orde-1 tipe-1.

Sistem condition monitoring yang telahdirangkai disimulsikan dalam simulinkdengan blok diagram sebagai berikut:

Gambar 9. Blok diagram sistem conditionmonitoring dengan filter orde-1 tipe-1 danberagam input.

Dari sistem ini dihasilkan karakteristiksistem yang menyerupai sistem orde-2dimana sensor dapat digunakan untukmengukur akselerasi dengan frekuensitinggi, akan tetapi akan menghasilkanrespon yang jelek untuk masukan dangangguan dengan frekuensi rendah. Grafikrespon frekuensi yang dihasilkan olehsistem diatas:

Gambar 10. Respon frekuensi blok diagramsistem condition monitoring dengan filter orde-1 tipe-1 dan beragam input.

Sistem menunjukkan karakteristik yangbaik ketika diberi input dan gangguandengan frekuensi tinggi, akan tetapimenunjukkan karakteristik yang burukketika sistem diberikan input dan gangguandengan frekuensi rendah. Grafik hubunganinput ideal, input terukur dan hasil filteringdapat dilihat pada gambar dibawah:

Gambar 11. Grafik output filtering, output idealdan output terukur dari piezoelectricaccelerometer. Warna hijau merupakan sistemdengan input frekuensi tinggi sedangkan warnabiru merupakan sistem dengan input frekuensirendah.

Dari gambar tersebut terlihat bahwa sistemakan menunjukkan kesesuaian yang baikketika diberi input frekuensi tinggi dan

gangguan dengan frekuensi rendah, tetapiakan menunjukkan kesesuaian yang burukdengan input frekuensi rendah dangangguan dengan frekuensi tinggi. Hal inikarena filter tidak dpat membedakan antarasinyal masukan dan sinyal noise. Hal yangsama juga ditunjukkan ketika diberi inputyang berbeda.

3.2 Filter orde-1 tipe-0

Pemodelan filter yang kedua denganmenggunakan dua buah filter orde-1 tipe-0.Filter ini dapat berfungsi sebagai band passfilter dengan kondisi range frekuensi yangdisesuaikan antara informasi sinyalmasukan dan noise yang ada. Dengan filterini noise dari frekuensi tinggi maupunfrekuensi rendah dapat dihilangkan selamaberada diluar range frekuensi pengukuran.

Blok diagram simulink yang digunakanadalah sebagai berikut:

Gambar 12. Blok diagram sistem conditionmonitoring dengan dua buah filter orde-1 tipe-0dan beragam input.

Filtering tipe ini memberikan batas bawah danbatas atas frekuensi yang dapat dianalisa olehsensor, dalam hal ini sistem seolah-olah menjadiband pass filter yang akan melewatkanfrekuensi dalam selang tertentu. Dari analisarespon frekuensi didapat sensor akan bernilailinear pada rentang frekuensi 3 s/d 70 Hz.Diagram bode yang dihasilkan oleh sistem:

Gambar 13. Plot Bode sistem conditionmonitoring dengan dua buah filter orde-1 tipe-0dan beragam input.

Hasil uji sistem dengan masukan step dannoise sinusoida menunjukkan kesesuaianyang baik antara sinyal hasil filtering,sinyal akselerasi ideal dan sinyal akselerasiterukur sebelum filtering. Grafik yangdihasilkan antara lain:

Gambar 14. Grafik output filtering, output idealdan output terukur dari piezoelectricaccelerometer.

Dari grafik terlihat bahwa filter mampumenyaring gangguan yang diberikan tanpakehilangan informasi akselerasi yangdidapat oleh sensor.

4. KESIMPULAN

Sensor Piezoelectric Accelerometer dapatdigunakan sebagai sistem monitor kondisimesin. Sensor ini memiliki range dinamikyang luas sehingga lebih disukaidibandingkan tipe sensor lain. Pemodelandengan Matlab-Simulink memperlihatkanbahwa pemilihan filter akan mempengaruhikarakteristik sistem condition monitoring.Karakteristik ini akan menentukan batasanfrekuensi akselerasi yang dapat dideteksi.Informasi akselerasi yang diterima dapatdigunakan sebagai metoda pencegahankerusakan pada mesin denganmemperhatikan zona vibrasi pada ISO10816.

5. DAFTAR PUSTAKA1. K. Agoston, Studying and

Modeling Vibration Transducer andAccelerometer, Scientific Bulletinof The Petru Maior University ofTirgu Mures, Vol.7 No.2, 2010.

2. Ernest O. Doebelin, MeasurementSystems, Application and Design,Mc Graw-Hill InternationalEditions, 1990.

3. 01 dB Vibration Engineer CourseLevel 1, Origins of Vibration,2006.

4. Johannes Wagner and JanBurgemeister, PiezoelectricAccelerometers, Theory andApplication, Metra Mess– undFrequenztechnik Radebeul,Germany, 2012.

5. PCB Piezotronic QuartzAccelerometer series 303Adatasheet.