Pemodelan Piezoelektrik Accelerometer Sebagai Sistem Pendeteksi Kondisi 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 dihubungkan dengan dua buah tipe filter. Sistem diuji dengan berbagai tipe masukan dan noise yang dihasilkan oleh 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 indikator yang digunakan untuk mengetahui kondisi mesin. Vibrasi sendiri merupakan getaran yang dihasilkan oleh rotating machine. Mesin yang berotasi secara periodik dengan rpm tertentu akan menghasilkan getaran dengan frekuensi getar spesifik. Sebagai gambaran mesin dengan putaran 3.000 rpm akan memiliki magnituda getaran pada frekuensi 500 Hertz. Besaran magnituda yang terdeteksi akan memiliki batasan sebagaimana tercantum dalam ISO 10816 mengenai rotating machine.

Gambar 1. Zona mesin dan batasan vibrasi pada standarisasi ISO 10816

Mesin dengan kelas 1. merupakan peralatan dengan motor penggerak elektrik yang memiliki daya hingga 15 kW. Kelas 2. merupakan mesin kelas menengah dengan motor penggerak dengan daya 15 kW hingga 75 kW. Kelas 3. merupakan mesin besar dengan daya motor penggerak yang memiliki kecepatan lebih rendah dari frekuensi natural pondasinya, sedangkan kelas 4. merupakan mesin besar dengan daya motor penggerak yang memiliki kecepatan lebih tinggi daripada frekuensi natural pondasinya.

Accelerometer merupakan salah satu sensor yang dapat digunakan untuk mendeteksi getaran mesin. Accelerometer memiliki beberapa tipe berdasarkan cara kerjanya. Tipe sensor yang umum adalah tipe piezofilm, electromechanical servo, piezoelectric, liquid tilt, bulk micromachined piezo-resistive, capasitive sensor dan micromachine surface. Tipe sensor piezoelektrik merupakan tipe yang paling banyak digunakan disbanding tipe sensor lain sebagai sensor akselerasi, karena selain memiliki linearitas yang besar dalam range yang dinamis, range frekuensi yang lebar, umur yang relatif panjang

karena tidak memiliki bagian yang bergerak, tidak dibutuhkannya sumber listrik eksternal, hingga ragam besaran yang dapat dihasilkan. Pada tipe piezoelektrik kecepatan vibrasi dapat dihasilkan dengan mengintegralkan nilai akselerasi yang didapatkan, dan nilai pergeseran (displacement) dapat dihasilkan dengan mengintegralkan kecepatan vibrasi. Keluaran piezoelectric accelerometer terbagi menjadi dua tipe. Tipe pertama memberikan keluaran tegangan, dan tipe kedua memberikan keluaran charge. Sensor dengan keluaran tegangan tidak membutuhkan sumber tegangan, akan tetapi memiliki impedansi yang tinggi dan ketidakmampuan melakukan pengukuran percepatan yang memiliki true DC response. Sensor dengan keluaran charge membutuhkan charge amplifier eksternal.

Sensor piezoelektrik akselerometer umumnya terbagi atas dua bagian. Bagian sensing dan bagian konversi. Bagian sensing terdiri atas masa seismic yang terletak tetap didalam badan sensor yang mendeteksi perubahan gaya yang diterima sensor. Bahan piezolektrik sendiri memiliki konstanta elastisitas dan redaman tertentu. Berdasarkan prinsip inilah maka piezoelektrik accelerometer dapat dimodelkan sebagai sistem pegas masa.

Gambar 2. Gambaran piezoelektrik accelerometer dan analogi sebagai sistem pegas

masa.

Sistem pegas masa sebagai analogi piezoelektrik sensor dapat dinyatakan dalam persamaan:

..(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 akselerasi dari luar maka baik tipe sensor dengan keluaran tegangan maupun sensor dengan keluaran charge akan memiliki karakteristik yang sama akan tetapi memiliki nilai sensitivitas yang berbeda. Sensitivitas

charge dinyatakan dengan dan

sensitivitas tegangan dinyatakan dengan

dalam pemodelan ini digunakan

sensor dengan keluaran tegangan dan nilai sensitivitas diwakili dengan blok gain. Pada pemodelan accelerometer kemudian akan diuji dengan beragam input (step, impulse dan sinusoidal) dan gangguan untuk kemudian dianalisa karakteristik besaran yang dihasilkan. Dapat ditunjukkan bahwa dengan mengatur besaran-besaran tersebut diatas dapat dirancang sensor yang sesuai digunakan untuk kondisi berbeda. Sensor yang telah dirangkaikan kemudian akan digunakan sebagai sistem pendeteksi kondisi kesehatan mesin, sehingga jika diberikan input gaya yang melebihi nilai tertentu maka sensor akan memicu

mekanisme shutdown pada peralatan untuk mencegah kerusakan pada mesin.

2. PEMODELAN PEGAS-MASA

Piezoelektrik accelerometer merupakan sensor yang terbuat dari masa seismic dengan koefisien redaman dan koefisien elastisitas yang bergerak terhadap acuan tertentu pada tubuh sensor, rangkaian ini dapat dimodelkan sebagai:

Gambar 3. Blok pemodelan sistem pegas masa.

Pemodelan dengan Simulink dan penurunan persamaan kesetimbangan gaya memperlihatkan bahwa sistem masa pegas

merupakan sistem orde 2 dengan

(frekuensi natural) bergantung pada nilai

Gambar 4. Respon frekuensi sistem pegas masa.

dengan memasukkan nilai konstanta masa, konstanta damping, konstanta elastisitas pegas dan sensitivitas sensor maka akan didapatkan respon sensor yang diinginkan. Salah satu contoh yang digunakan adalah dengan memasukkan nilai m=1, c=0.001, k=0.019, dan Sq=2 dan input fungsi sinusoida dengan frekuensi 500 Hz akan didapatkan frekuensi natural sensor pada frekuensi 0.138 Hz, sehingga sensor linear dan dapat digunakan untuk mengukur akselerasi pada daerah frekuensi diatas frekuensi natural tersebut. Grafik hubungan output dan input:

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

Hal yang sama juga ditunjukkan ketika sensor digunakan untuk mengukur input impulse dengan magnituda gelombang 1 dan lebar impulse 0.5 detik.

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

Sensor menunjukkan pembacaan relatif baik terhadap input impulse dan sinusoida, akan tetapi akan menunjukkan hasil yang sangat buruk manakala sensor digunakan

untuk mengukur input step sebagaimana terlihat pada grafik dibawah:

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

Hal ini konsisten dengan tipikal keluaran yang dihasilkan oleh piezoelectric accelerometer dengan keluaran tegangan.

Sensor accelerometer ketika dirangkaikan dengan sistem condition monitoring umumnya akan menerima noise atau gangguan. Hal ini dapat diakibatkan oleh panjang kabel yang digunakan, frekuensi jala-jala listrik maupun noise lain. Oleh karena itu dikembangkan pula model sistem dengan gangguan noise untuk kemudian dilihat karakteristiknya.

3. PEMODELAN FILTER PADA PIEZOELECTRIC ACCELERATOR

Sistem condition monitoring umumnya tersusun atas blok diagram berikut:

Gambar 8. Blok diagram sistem condition monitoring.

Sistem tersebut tersusun dari berbagai komponen individual, masing-masing

komponen tersebut menghasilkan karakteristik spesifik yang mempengaruhi informasi yang direpresentasikan oleh sensor. Oleh karena itu perlu dirancang sistem filter yang dapat mengeliminir atau mengurangi efek gangguan pada informasi yang dihasilkan. Noise akibat panjang kabel direpresentasikan dengan blok “accelerator bias”, noise dari kapasitansi rangkaian condition monitoring diwakili oleh drift, dan noise dari frekuensi listrik maupun noise lain direpresentasikan oleh blok random noise dengan zero mean value atau blok gelombang sinus.

Pada laporan ini ditawarkan dua buah sistem filtering. Sistem filtering yang ditawarkan menggunakan filter dengan respon frekuensi orde-1 tipe-1 dan dua buah filter orde-1 dengan tipe-0. Kedua sistem filtering akan diberikan beragam input untuk kemudian dianalisa karakteristiknya.

3.1 Filter orde-1 tipe-1.

Sistem condition monitoring yang telah dirangkai disimulsikan dalam simulink dengan blok diagram sebagai berikut:

Gambar 9. Blok diagram sistem condition monitoring dengan filter orde-1 tipe-1 dan beragam input.

Dari sistem ini dihasilkan karakteristik sistem yang menyerupai sistem orde-2 dimana sensor dapat digunakan untuk mengukur akselerasi dengan frekuensi tinggi, akan tetapi akan menghasilkan respon yang jelek untuk masukan dan

gangguan dengan frekuensi rendah. Grafik respon frekuensi yang dihasilkan oleh sistem diatas:

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

Sistem menunjukkan karakteristik yang baik ketika diberi input dan gangguan dengan frekuensi tinggi, akan tetapi menunjukkan karakteristik yang buruk ketika sistem diberikan input dan gangguan dengan frekuensi rendah. Grafik hubungan input ideal, input terukur dan hasil filtering dapat dilihat pada gambar dibawah:

Gambar 11. Grafik output filtering, output ideal dan output terukur dari piezoelectric accelerometer. Warna hijau merupakan sistem dengan input frekuensi tinggi sedangkan warna biru merupakan sistem dengan input frekuensi rendah.

Dari gambar tersebut terlihat bahwa sistem akan menunjukkan kesesuaian yang baik ketika diberi input frekuensi tinggi dan gangguan dengan frekuensi rendah, tetapi akan menunjukkan kesesuaian yang buruk dengan input frekuensi rendah dan gangguan dengan frekuensi tinggi. Hal ini karena filter tidak dpat membedakan antara sinyal masukan dan sinyal noise. Hal yang sama juga ditunjukkan ketika diberi input yang berbeda.

3.2 Filter orde-1 tipe-0

Pemodelan filter yang kedua dengan menggunakan dua buah filter orde-1 tipe-0. Filter ini dapat berfungsi sebagai band pass filter dengan kondisi range frekuensi yang disesuaikan antara informasi sinyal masukan dan noise yang ada. Dengan filter ini noise dari frekuensi tinggi maupun frekuensi rendah dapat dihilangkan selama berada diluar range frekuensi pengukuran.

Blok diagram simulink yang digunakan adalah sebagai berikut:

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

Filtering tipe ini memberikan batas bawah dan batas atas frekuensi yang dapat dianalisa oleh sensor, dalam hal ini sistem seolah-olah menjadi band pass filter yang akan melewatkan frekuensi dalam selang tertentu. Dari analisa respon frekuensi didapat sensor akan bernilai linear pada rentang frekuensi 3 s/d 70 Hz. Diagram bode yang dihasilkan oleh sistem:

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

Hasil uji sistem dengan masukan step dan noise sinusoida menunjukkan kesesuaian yang baik antara sinyal hasil filtering, sinyal akselerasi ideal dan sinyal akselerasi terukur sebelum filtering. Grafik yang dihasilkan antara lain:

Gambar 14. Grafik output filtering, output ideal dan output terukur dari piezoelectric accelerometer.

Dari grafik terlihat bahwa filter mampu menyaring gangguan yang diberikan tanpa kehilangan informasi akselerasi yang didapat oleh sensor.

4. KESIMPULAN

Sensor Piezoelectric Accelerometer dapat digunakan sebagai sistem monitor kondisi mesin. Sensor ini memiliki range dinamik yang luas sehingga lebih disukai dibandingkan tipe sensor lain. Pemodelan dengan Matlab-Simulink memperlihatkan bahwa pemilihan filter akan mempengaruhi karakteristik sistem condition monitoring. Karakteristik ini akan menentukan batasan frekuensi akselerasi yang dapat dideteksi. Informasi akselerasi yang diterima dapat digunakan sebagai metoda pencegahan kerusakan pada mesin dengan memperhatikan zona vibrasi pada ISO 10816.

5. DAFTAR PUSTAKA1. K. Agoston, Studying and

Modeling Vibration Transducer and Accelerometer, Scientific Bulletin of The Petru Maior University of Tirgu Mures, Vol.7 No.2, 2010.

2. Ernest O. Doebelin, Measurement Systems, Application and Design, Mc Graw-Hill International Editions, 1990.

3. 01 dB Vibration Engineer Course Level 1, Origins of Vibration, 2006.

4. Johannes Wagner and Jan Burgemeister, Piezoelectric Accelerometers, Theory and Application, Metra Mess– und Frequenztechnik Radebeul, Germany, 2012.

5. PCB Piezotronic Quartz Accelerometer series 303A datasheet.