PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

PERANCANGAN SIGNAL CONDITIONING TERMOKOPEL TIPE-KSEBAGAI MASUKAN ADC-0804

G. Bambang Hem K, Demon HandoyoPTRKN-BATAN

ABSTRAK

PERANCANGAN SIGNAL CONDITIONING TERMOKOPEL TIPE-K SEBAGAIMASUKAN ADC-0804. Telah dilakukan perancangan signal conditioning termokopelagar tegangan keluaran dari termokopel tersebut dapat digunakan sebagai teganganmasukan ADC-0804. Dari hasil perhitungan, didapat penguatan tegangan sebesar490 kali. Penguatan tersebut dilakukan dengan menerapkan rangkaian penguatinstrumentasi yang mempunyai impedansi masukan dan CMRR tinggi, selain itu besarpenguatan dapat diatur dengan memutar variabel resistor untuk mendapatkantegangan keluaran yang sesuai. Dari perbandingan antara hasil simulasi dengantegangan masukan ADC, dapat disimpulkan bahwa perancangan telah berhasildilakukan. Dengan demikian perancangan ini dapat digunakan sebagai bahan acuanpada tahap pembuatanKata kunci : perancangan signal conditioning dan ADC-0804

ABSTRACT

DESIGN OF SIGNAL CONDITIONING FROM K- TYPE THERMOCOUPLE AS INPUTADC-0804. The design of signal conditioning from thermocouple so that outputvoltage from thermocouple can be used as input voltage of ADC 0804 has been done.From calculation process, it is multiplication of voltage are 490 times. Theamplification is conducted by applying instrumentation amplifier which haves inputimpedance and high CMRR. Others, multiplication value can be conducted by turningvariable resistor to get the appropriate output voltage. From comparison betweensimulation results with the input voltage of ADC, that designing have succeeded.Thereby this design can be used as reference of making phase.Keyword: design signal conditioning and ADC-0804

PENDAHULUAN

Untai Uji Tennohidrolika Reaktor (UUTR)adalah salah satu fasilitas penelitian di PTRKNSATAN. Keberadaan fasilitas tersebut

dimaksudkan untuk kegiatan berbagai macampenelitian yang berhubungan dengan penelitiankeselamatall PL TN untuk tipe PWR dan PHWR.Penelitian difokuskan pada fen omenatennohidrolika yang muncul selama sekuenkecelakaan yang dipostulasikan. Fenomena

termohidrolika mencakup persoa!an perpindahanpanas dan perubahan fasa. Dalam melakukanpenelitian, beberapa besaran fisis (sebagai contoh :tekanan, temperatur, laju alir dan sebagainya) akandiukur dan diambil datanya sebagai data penelitian.Dari berbagai pengukuran tersebut, pengukuran

temperatur menjadi salah satu pengukuran yangdioptimalkan.

Untuk lebih membantu penelitian dalampengambilan data temperatur, maka pengembangansistein pengukuran temperatur terus dilakukan.Sekarang ini sistem pengukuran temperatur diUUTR sudah berbasis mikrokontroler atau

komputerisasi. Dimana data temperatur secaraotomatis diambil dan disimpan dalam komputersesuai program yang ada, selain itu sistem ini jugadimungkinkan untuk berinteraksi dengan sistemlainnya. Sebagai contoh adalah pengaturan dayaheater. Diagram alir sistem pengukuran temperaturdapat dilihat pad a Gambar I.

Ada beberapa jenis sensor suhu yangdipakai di UUTR, yaitu RTD, PT -100, dantermokopel. Sesuai dengan diagram alir pada

142 ISSN 1410 - 8178 G. Bambang Heru K, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don ProsesBahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Gambar I, maka harus ada pengkondisian darisinyal keluaran sensor agar dapat digunakan sebagaimasukan ADC (Analog to Digital Converter).Dalam makalah ini dibahas lebih lanjut mengenaiperancangan signal conditioning untuk sensortemperatur termokopel tipe-K yang akan digunakansebagai masukan ADC-0804. Dengan adanyaperancangan ini diharapkan dapat dilanjutkan ketahap pembuatan. Lebih dari itu, perancangan inidimungkinkan pula untuk sensor temperatur yanglainnya atau sensor besaran fisis yang lainnya(sebagai contoh laju alir, tekanan dan sebagainya)

Gambar I. Diagram alir sistem pengukurantemperatur

DASAR TEORI

Deskripsi termokopel tipe-KDalam dunia elektronika, termokopel

adalah sensor suhu yang digunakan untukmengubah perbedaan panas dalam benda yangdiukur temperatumya menjadi tegangan listrik.Termokopel sendiri adalah dua buah kawat logamyang berbeda jenisnya, dimana salah satu ujungnyadisatukan. Jika kedua kawat yang telah disatukantersebut menerima perlakuan panas, maka akan adabeda tegangan pada kedua ujung kawat lainnya.Besar beda tegangan tergantung dari bahan atau tipedari termokopel tersebut. Perubahan tegangan yangdiberikan oleh termokopel tersebut diproses lebihlanjut sehingga didapat nilai temperatur yangsedang terjadi. Dalam makalah ini yang dibahasadalah termokopel tipe-K.

Termokopel tipe-K terbuat dari bahanChromel (Ni-Cr alloy) - Alumel (Ni-Al alloy) yangmempunyai kemampuan untuk mengubahtemperatur menjadi tegangan Iistrik secara linierdari OOC- 1372oC. Beda tegangan yang diberikanuntuk perubahan setiap 1°Cberkisar ± 4011V.

Deskripsi ADC-0804

ADC (Analog to Digital Converter)merupakan sebuah interface yang dapat merubahtegangan analog menjadi digital. Interface inidiperlukan karena mikrokontroler atau komputerhanya dapat mengolah sinyal digital, dengan

demikian keberadaan dari ADC ini sangatdiperlukan pada sistem pengukuran temperatur yangberbasis mikrokontroler atau komputer. Batasantegangan yang dapat diubah oleh ADC sesuaidengan lebar data dan tegangan referensi yangdiberikan. Tegangan referensi menentukan minimaldan maksimal tegangan masukan yang dapatditerima oleh ADC, sedangkan lebar data (dalamformat biner) akan menentukan berapa step/cacahanyang akan membagi tegangan referensi tersebut.Dengan demikian kita dapat mengetahui besarnyategangan tiap bit-nya yaitu tegangan referensidibagi dengan jumlah step/cacahan yang ada. Padaperancangan ini yang digunakan adalah ADC-0804.

ADC-0804 mempunyai lebar data 8 byte(256 bit) dan memiliki kecepatan tinggi dalammengubah sinyal analog ke digital, selain itucompatible dengan mikrokontroler. Ada dua modeuntuk mengaktifkan sistem ini, yaitu mode freerunning dan mode kontrol. Mode free runningadalah dimana ADC-0804 akan mengeluarkan datahasil pembacaan input secara otomatis danberkelanjutan (continue) setelah selesai mengubahtegangan analog ke digital. Sedangkan modekontrol adalah dimana ADC-0804 akan mulai

mengubah tegangan analog ke digital setelah diberiperintah dari mikrokontroler.

Tabel I. Hubungan tegangan masukan dengan nilaikeluaran ADC-0804

VinLebar dataDesimal

(mV)

DoD,D:2D3D.DsDsD7

0

000000000

19,6

000000011

156,8

000010008

313,6

0001000016

627,2

0010000032

1254,4

0100000064

1960,0

01100100100

2508,8

10000000128

3920,0

11001000200

4900,0

11000000250

4998,0

11111111255

Jika 1 bit menyatakan perubahan setiap 1°Csedangkan lebar data yang dimiliki ADC-0804adalah 8 byte atau dalam format biner adalah 256bit, maka suhu maksimum yang dapat dibaca olehADC-0804 adalah 255°C. Jika tegangan referensiyang diberikan adalah 5 Volt, maka tegangan setiapI bit adalah 5 Volt dibagi dengan 255 yaitu 0,0196Volt/bit. Rangkaian dari modul ADC-0804 dapatdilihat pada Gambar 2, sedangkan hubungan antara

G. Bambang Heru K, dkk. ISSN 1410 - 8178 143

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan

Vogyakarta, 28 Agustus 2008

tegangan masukan dan nilai keluaran dapat dilihatpada Tabel I.

Besar tegangan keluaran dapat dihitung berdasarkanrumus :

Va

YJ

Gambar 2. Rangkaian modul ADC-0804

Signal conditioning

Seperti kita lihat pada Gambar 1, bahwasignal conditioning berada antara termokopel danADC, yang berfungsi mengkondisikan tegangankeluaran dari termokopel agar dapat dijadikansebagai tegangan masukan ADC. Dari pemahamantermokopel tipe-K dan ADC-0804 yang telahdijabarkan di depan, diketahui bahwa setiapperubahan 1°C, termokopel akan memberikanperubahan tegangan sebesar 40~V, sedangkanperubahan nilai dari ADC-0804 untuk setiap bit-nyadiperlukan tegangan 0,0196 Voltlbit. Dengandemikian signal conditioning harus dapatmengkondisikan tegangan 40~ Volt menjadi 0,0196Volt. Pengkondisian tersebut dapat dilakukandengan menerapkan rangkaian penguat tegangan.

Dalam dunia elektronika, ada berbagaimacam rangkaian penguat tegangan sesuai dengankebutuhannya. Pada permasalahan signalconditioning ini, ada beberapa hal yang perludiperhatikan dalam menentukan rangkaian penguattegangan yang akan digunakan, yaitu : impedansimasukan yang besar dan CMRR (commond moderejection ratio) yang tinggi. Berdasarkanpemahaman tersebut maka pada kegiatan ini dipilihpenguat tegangan instrumentasi. Rangkaian penguattegangan instrumentasi dapat dilihat pada Gambar3.

CS

ifd

WR

iNTii

OBr

OB,

DB,

OB, V'N I.)~

OB3 V'N(o) 7

082 ACND'DBt VRtFl2'

OBo DGND 10

1S0pf(1 )

dengan :R, = R3 dan R./ = R5 = R6 = R7Va = Tegangan keluaranV, = Tegangan masukan rendahV2 = Tegangan masukan tinggi

Sesuai dengan Gambar 3, R2 yang berupavariabel resistor dapat diatur besarnya. Hal inidilakukan untuk mendapatkan penguatan yangsesuai dengan perhitungan. Jika penguatan besar,maka nilai dari CMRR juga akan besar. Dengannilai CMRR yang besar dianggap sistem penguatanbebas dari gangguan-gangguan interferensi (contoh: desah, arus balik dan sebagainya). Besar nilaiCMRR dapat dihitung dengan rumus :

CMRR = A.Vi (2)Va

dengan :A = PenguatanVi = Tegangan masukanVo = Tegangan keluaran

Perhitungan besar penguatan

Telah diketahui bahwa signal conditioningharus mengkondisikan tegangan keluaran sebesar40flV yang berasal dari termokopel menjadi 0,0196Volt agar dapat dipakai sebagai masukan ADC­0804. Dengan demikian besar penguatan yang akandilakukan oleh signal conditioning adalah 0,0196Volt dibagi 40~V yaitu sebesar 490 kali. Dari besarpenguatan yang telah didapat, dilakukan simulasidengan software EWB (Electronic WorkBench).

Software EWB (Electronic WorkBench)merupakan sebuah piranti lunak untuk rnembantuperancangan elektronika. Berbagai komponenelektronika dapat dimodelkan dengan software ini.Selain itu berbagai alat ukur juga tersedia (sebagaicontoh multimeter, osiloskop, display dansebagainya) dimana dapat dipasang pada bagiantertentu dari rangkaian sesuai yang diinginkan.Setelah pemodelan rangkaian selesai, dapatdieksekusi atau dijalankan karena fasilitas ini jugatersedia. Berdasarkan nilai yang tampil pada alatukur, dapat disimpulkan apakah pemodelan yangtelah dilakukan sesuai dengan rancangan atau tidak.

Pemodelan rangkaian penguatinstrumentasi menggunakan software EWB dapatdilihat pada Gambar 4 dengan penguatan sebesar490 kali.

Gambar 3. Rangkaian penguat instrumentasi

144 ISSN 1410 - 8178 G. Bambang Heru K, dkk

PROSIDING SEMINARPENELlTlAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Va

489:i!iJ :YJ

Gambar 4. Rangkaian penguat instrumentasi denganEWB

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dengan melakukan pensimulasianrangkaian penguat tegangan instrumentasi yangsudah diperkuat 490 kali menggunakan EWBseperti pada Gambar 4, diperoleh data hasilpenguatan seperti dalam Tabel 2.

Tabel 2. Hasil simulasi rangkaian penguat teganganinstrumentasi

InDut Tegangan .Temperatur (0C)

Tegangankeluaran (mV)termokopel (uV)0

00

1

3919,118

317155,316

637312,132

1285629,664

26011274100

40952006

128

52462570

200

81373987250

101514974255

103555074

Tabel 3. Hubungan antara nilai keluaran signalconditioning dengan masukan ADC-0804

Tegangan keluaran TeganganSimpangansignal conditioning

masukan ADC-Tegangan

Pembacaan(mV) 0804 (mV)

(mY)suhu (%)

0

000

19.11

19.60,490,39

155,3

156,81,50,39

312,1

313,61,50,39

629,6

627,22,40,39

1274,0

1254,419,60,79

2006,0

1960,0460,39

2570,0

2508,861,21,56

3987,0

3920,0671,56

4974,0

4900,0741,56

5074,0

4998,0761,56

Jika tegangan keluaran hasil simulasi padaTabel 2 dibandingkan dengan nilai teganganmasukan ADC-0804 sesuai Tabel I, maka akan

terlihat adanya selisih / penyimpangan. Simpanganyang terjadi dapat diperkecil dengan mengubahnilai penguatan pada rangkaian penguatinstrumentasi, perubahan tersebut dilakukan denganmemutar variabel resistor (R]). Nilai simpanganantara keluaran signal conditioning denganmasukan ADC-0804 dapat dilihat pada Tabel 3,sedangkan penampilan dalam bentuk grafik dapatdilihat pada Gambar 5.

60000y & 0.1236<

R=150000

c

~ 40000~Iii 30000I!'

~ 20000...

10000

00

0.0 1000.0 2D000 30000 40000 50000 GOooO

Teg"'gon MastJ<",

Gambar 5. Grafik tegangan keluaran signalconditioning dan tegangan masukanADC-0804

KESIMPULAN

Dari hasil perhitungan dan simulasi, makadapat disimpu1kan bahwa perancangan signalconditioning termokope1 tipe-K yang dipakaisebagai masukan ADC-0804 telah berhasil. Besarsimpangan yang terjadi seperti ditunjukan padaTabel 3 masih dalam batas yang wajar, dengandemikian rancangan tersebut dapat dipakai sebagaiacuan untuk tahap pembuatan.

DAFT AR PUST AKA

1. MISURA DI TEMPERATURA, GruppoImprese Strumentazione Italia, EDIZIONE1987.

2. W ASITO.S, Vademekum Elektronik, Gramedia,Jakarta, 1987.

G. Bambang Heru K, dkk. ISSN 1410 - 8178 145