Prosiding Seminar Nasinal Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN 1411 -7630

RANCANG BANGUN ALAT BANTU PENGUKURAN KONSTANTABAHAN MAGNE TOSTRIKTIF

..$ ~-'Eddy Santoso, Maya Febri , Yohanes Anda Mulyana

Puslitbang IPTEK BAHAN -BATAN Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang, 15314

ABSTRAK

RANCANG BANGUN ALAT BANTU PENGUKURAN KONSTANTA BAHAN MAGNETOSTRIKTIF. Bahanmagnetostriktif adalah bahan yang mampu menghasilkan regangan elastis dibawah pengaruh medan magnet daD sebaliknya dapatmenghasilkan perubahan medan magnet dibawah pengaruh tekanan. Dalam bahan tersebut energi magnetik dapat dikonversimenjadi energi mekanik daD sebaliknya. Efisiensi dari konversi energi tersebut dinyatakan dalam suatu konstanta yang disebutkonstanta magnetomekanik. Dalam kegiatan penelitian tentang bahan magnetostriktif, telah dilakukan usaha untuk mengukurkonstanta tersebut. Berkaitan dengan hal tersebut, diperlukan suatu alat bantu yang dapat menghasilkan tekanan daD dapat diaturbesar tekanannya pada sampel. Sam pel magnetostriktif dibuat di P3IB-BATAN, berbentuk silinder dengan diameter 6 mm,panjang 1-2 cm. Penekanan dilakukan pada permukaan sejajar sililider, searah dengan sumbu silinder. Gaya maksimal yangdiperlukan adalah kurang lebih 2800 ill. Untuk itu dibuat suatu rancangan alat penekan yang menggunakan pegas yang ada dipasaran dengan tetapan pegas:!: 40 kN/mm daD jarak penekanan maksimum 35 mm, menghasilkan gaya pegas maksimum 1400ill. Diperlukan dua buah pegas sejenis yang dapat menghasilkan gaya maksimal2800 ill. Untuk mengatur besar tekanan, alatterse but dikalibrasi menggunakan load cell berkapasitas 1000 ill. Diketahui bahwa sampai 1000 ill, masing-masing pegasbersifat linear.

Kala Kunci : Bahan magnetotristik, medan magnet, load cell, konstanta magnetomekanik.

ABSTRACT

ENGINEERING OF AUXILIARY EQUIPMENT FOR MAGNETOSTRICfION COEFFICIENT MEASURE-MENT. Magnetostrictive material can be defined as a material that elastically deforms when its magnetic state changes andvice versa, it produces a change of magnetic field under the change of mechanical state for example by compression. Theefficiency of the energy convection between magnetic and mechanical energy can be expressed in terms of a coefficient calledmagnetomechanical coupling coefficient. In our attemp to measure the coupling coefficient of our magnetostrictive samples, anauxilairy equipment was nedded, i.e. an equipment to produce and measure the compressive force applied to the sample. Thesamples are in cylindrical form, with 6 mm diameter and 10 to 12 mm lengths. The compression was to be applied in thedirection of the cylinder axis, on the parallel surfaces. For than purpose, compressive equipment was desinged and built. Itused two identical springs with the spring constant of 40 kN/mm each, and maximum deflection of 35 mm leading to a maxi-mum force of 1400 kN each. The equipment was calibrated using a load-celli and it was found that the spring behave linearyup to 1000 kN.

Key Word: Magnetostrictive material, magnetic field, load cell, magnetomechanical, coupling coefficient.

PENDAHULUAN

Penelitian dan pengembangan iptek bahanmemegang peranan yang sangat penting baik dalamindustri maupun litbang itu sendiri, termasukpengembangan teknik pembuatan alat penunjang untukpenelitian yang memerlukan penanganan khusus dalampembuatannya. Demikian juga dengan penelitian tentangbahan magnetostriktif yang sedang dikembangkan diPuslitbang lptek Bahan (P3IB)-BATAN. Bahanmagnetostriktif ada1ah bahan yang mampu menghasilkanregangan elastis dibawah pengaruh medan magnet dansebaliknya mampu menghasilkan perubahan medan mag-net dibawah pengaruh tekanan. Dalam bahan tersebutenergi magnetik dapat diubah menjadi energi mekanikdan sebaliknya. Efisiensi dari konversi energi tersebut

dinyatakan dalam suatu konstanta yang disebutkonstanta magnetomekanik.

Dalam kegiatan penelitian ini telah dilakukanusaha untuk mengukur konstanta tersebut. Berkaitandengan hal tersebut maka dilakukan rancang bangun alatbantu pengukurankonstanta bahan megnetostriktif. Alatini dirancang dapat menghasilkan gaya tekan pactasampel dan dapat diatur besar tekanannya sesuai dengankebutuhan. Sampel magnetostriktif yang dibuat di P3IB-BATAN, berbentuk silinder dengan diameter 6 mm danpanjang 1-2 crtl. Penekanan dilakukan pacta keduapermukaan silinder, searah dengan sumbu silinder. Untukperlakuan sampel diperlukan gaya maksimal kurang lebih2800kN.

62

Rancang Bangun Alat Bantu Pengukuran Konstanta Bahan Magnetostriktif (Eddy Santoso)

TEORI daD kapasitasnya mendekati 1400 kN, yaitu dengankapasitas 1000 kN.

a. Bahan:.a. Prinsip pengukuran konstanta magnetomekanik.

Cara pengukuran konstanta magnetomekanik longitudi-nal, ~3 adalah sebagai berikut: Sampel diberi eksitasimedan magnet altematif pada frekuensi dan amplitudotertentu, dengan cara mengaliri arus bolak batik padasebuah kumparan yang dililitkan pada sampel, kemudian

respons berupa perubahan impedansi kumparan (yangberintikan sampel) diukur fungsi daTi frekuensi

eksitasinya. Pengukuran diulang-ulang 'denganmengubah tekanan pada sampel daD frekuensi eksitasi.Dari pengukuran impedansi kumparan berintikan sampelfungsi daTi frekuensi didapatkan frekuensi resonansi (fJdan anti resonansi (fA), Harga ~3 diperoleh secara tidallangsung, yaitu melalui rumus : [1]

21l'k;3 = 8 _(~)2

fA(1)

Dalam pembuatan alat bantu pengukuran konstantabahan magnetostriktif ini, diperlukan bahan-bahansebagai berikut :1. Kuningan segi "6" : Ukuran 4 cm, panjang 50 cm

untuk rumah pegas. Ukuran 2,5 cm, panjang 20 cmuntuk ulir pendorong pegas.

2. Plat besi teball cm dengan ukuran 20 x 40 cm untukalas tumpuan alat.

3. Besi siku ukuran 7 x 7 cm, panjang 17,5 cm untukmemegang atau menahan load cell pada kalibrasi.

4. Besi "U" ukuran 4 x 5 x 4 cm, panjang 30 cm untukmemegang rnmah pegas.

5. Besi "c" ukuran 2,5 x 10 x 2,5 cm, panjang 20 cmuntuk memegang besi "U" ke alas.

6. Mur -baud ukuran 6 mm, 10 mm dan 12mm.7. Pegas diameter luar 24 mm, panjang 10 cm untuk

menekan sampel..8. Besi as diameter 10 mm, panjang 20 cm untuk kopel

antara pendorong dengan pegas.9. Acrilik dan polietilin secukupnya10. Kertas ampelas dan Cat

b. Prinsip pegas.

Menumt hukum Hooke [2] apabila pegas ditekanatau ditarik sebesar x maka pegas akan melakukanpemulihan yang disebut gaya pegas sebesar:

F= -kx. (2)

k adalah konstanta positif yang disebut tetapan pegasdaD x adalah jarak penekanan atau penarikan. Harga xakan negatif bila pegas ditekan daD sebaliknya positifbila pegas ditarik seperti pada Gambar 1. Satuan tetapank adalah Newton/meter, k menunjukkan kekakuan daTisuatu pegas. Hampir semua pegas memenuhi hukumHooke, selama simpangan x tidak melampaui bataselastisitas pegas tersebut.

b. Alat

Peralatan yang dipergunakan untuk pembuatan alatbantu pengukuran konstanta bahan magnetostriktif clanaksesorisnya adalah sebagai berikut:

1. Mesin bubut.2. Mesin bOT.3. Mesin gerinda tangan.4. Alat las listrik.5. Mesin potong.6. Mesin skrap.7. Alat tap clan snai.8. Alat-alatukur.

c. Tata Kerja Pembuatan.

METODE

Alat penekan dibuat dengan menggunakan pegasyang ada di pasaran, tetapan pegas; k =:!: 40 kN/mm danjarak penekanan maksimum x = 35mm, sehingga

menghasiIkan gaya maksimal1400 kN. Untuk menekankedua pennukaan secara bersamaan maka dibutuhkandua buah pegas sejenis yang dapat menghasilkan gayamaksimal2800 kN. Besar tekanan dapat diatur denganmemutar pendorong pegas dan membaca penunjukkanskalanya. Alat ini telah dikalibrasi di Lembaga UjiKonstruksi (LUK-BPPT) dengan load cell yangtersedia

Pertamakali plat besi teball cm dipotong denganukuran 33,5 x 18 cm, laIu diratakan dengan menggunakanmesin skrap sehingga ukuran menjadi 33 x 17,5 cm.Kemudian di bOT dan di tap ukuran M 12 pada keempatsudut untuk kaki -kakinya, juga pada beberapa tempattertentu untuk dudukan rumah pegas dan penahan loadcell pada waktu kalibrasi dilakukan. Besi siku penahanloadcellukuran 7x 7 x 17,5 cmdi borpada posisi tertentuuntuk memasang penahan kealas alai bantu pengukurkonstanta. Kemudian bagian belakangnya dilas denganbesi "U" yang berfungsi sebagai penguat.

Kuningan segi "6" ukuran 17 cm dipakai sebagairumah pegas, dibentuk dengan mesin bubut dandilubangi seperti berikut, di bOT dan dibubut dengan di-ameter 24,5 mm dan dalam 9 cm. Pada bagian belakangnya

63

Prosiding Seminar Nasinal Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN 1411 -7630

Load cell yang digunakan pacta pengujian iniberkapasitas 1000 kN, pengujian di1akukan denganmenentukan titik nol (asal) kemudian memutar pendorongpegas setiap satu skala (1 mm) lalu penunjukkan loadcell dibaca dan seterusnya sampai mendapatkan basilpengujian yang dapat dilihat pacta Tabel1.

Tabel I. Hasil Pengujian.

Pembacaan Gaya [ kN ] ke~--Simpangan

(x) lInIn])Rata-rata

[kNJ

23,6

61,1

100,3

137,2

179,0

224,3

267,0

310,9

344,2

392,5

438,6

479,0

526,6

566,3

609,5

654,4

700,0

741,7

~819,4

859,7901,3

948,7

990,5

1.038,7

22,9

65,3

103,2

137,8

179,1

221,8

267,6

310,8

340,2~~~7:7l~Is28;7l~~

607,8 l,

_65~,~ I

701,2

744,6

783,5

820,0

862,7

898,5

948,1

990,0

1.037,6

2

24,8

61,3

98,5

139,7

180,0

225,7

264,8~

350,4

394,8

437,7

479,2

523,6

567,5

612,8

654,7

705,8

738,9

784,6

816,1

854,4

898,3

946,7

987,4

3

23,2

56,6

99,2

134,1

178,0

225,3

268,6

309,9

342,1

391,3

440,5

476,5

527,4

567,1

608,0

655,1

693,0

741,5

784,6

822,0

862,1

907,1

951,4

994,0

2

4

5

6

di bor daD di tap dengan ukuran M-12 sedalam 8 cmuntuk ulir pendorong daD pada bagian bawah dibuat 3lubang dan di tap dengan ukuran M-6 untuk pemegang.Pangkal bagian atas di bor dan ditap ukuran M-4 untukdudukan skala pembacaan seperti pada Gambar 3.

Kuningan segi "6" ukuran 2,5 cm panjang 10 cmuntuk pendorong pegas dibubut sesuai dengankebutuhan,bagian depannya di snai dengan ukuran M-12 sepanjang 5,2 cm, pada ujungnyadi bordengandiam-eter 6 mm untuk sambungan ke kopel. Pada ujung pangkalsatunya yang masih segi 6 sepanjang 1 cm dibuat sebagaipemegang kunci pemutar,sisanya sampai ke bagian yangtidak berulir diperkecil diameternya menjadi 9 mm dandekat pangkalnya dibuat alur untuk penunjuk skala.

Besi as diameter 10 mm dibentuk sesuai kebutuhanuntuk kopel, salah satu ujungnya dibubut diameteJ; 6 mmsepanjang 1 cm dan ujung lainnya dibubut denganukuran yang sarna sepanjang 2,5 cm.

Besi "U" di-bor pada bagian punggungnya, pada3 titik tertentudengan diameter 6,5 mm kemudian di lagdengan besi "c" yang telah dilubangi untuk bautpengikat ke alasnya.

d. Perakitan

8

9

10II-12"-1314

15

16

17

18

191l!.:

21

22

23

24

25 1.040,0 I 1.038,4

Dengan menggunakan program excel dapatdigambar grafIk pada Gambar 2 dan persamaan garisnyasebagai berikut:

Y=42,516*X-28,736 (3)

Rumah pegas digabungkan dengan besi "U"memakai 3 buah baut M-6, kemudian dipasang padaalasnya dengan menggunakan 2 buah mur-baut M-12.Pada keempat sudut alas alat ini dipasang mur-baur M-12 yang berfungsi sebagai kaki-kakinya.

Kopel dipasang diantara pendorong pegas danpegas penekan sampel, agar pegas tidak ikut berputarpada saat pendorong diputar maka dipasang besi bulatdengan diamater 8 mm diantara pendorong pegas dengankopel. Pada ujung pegas yang lainnya dipasangkuningan sebagai isolasi magnet dengan pegas.Selanjutnya dimasukkan ke dalam mmah pegas sepertitampak pada Gambar 3. Pada pangkal pendorong pegasdipasang penunjuk skala yang terbuat daTi acrilik.

Skala pembaca dipasang pada pangkal mmahpegas dimana penunjuk skala masuk kedalam alur non iusskala dengan menggunakan 2 buah bautM-4. Dari skalaini dapat dibaca berapa tekanan yang diberikan padasampel. Untuk merakit penekan yang sebelah lagidipasang sesuai dengan umtan seperti tersebut diatas.

dimana

Y = Gaya tekan alat [kN]X= posisi skala = simpangan(x) [dalammm]

Dan faktor realibilitas:PENGUJIAN

Pengujian alat bantu pengukuran konstantabahan magnetostriktif ini dilakukan dengan mengguna-kan load cell yang dihubungkan dengan pembacaandigitalnya, pengujian ini dilakukan di Lembaga UjiKonstruksi (LUK-BPPT). Pada pengujian mekanikpenekan yang sam dilepas dan diganti dengan penahanyang telah dibuat. Load cell dipasang pada posisi sampel(diantara pendorong dan penahan) seperti padaGambar 4. Dengan memutar maju kepala pendorongpegas maka load cell akan mendapat gaya yang

R2=0,9998

Dan Gambar 2 dapat dilihat bahwa respons darialat ini linear untuk x ~ 3 mm yang menunjukkan gayadiatas 100 kN, untuk x yang 1ebih keCl1 elastisitas pegasbe1um sempuma sehingga respons tidak linear. 01ehkarena itu maka disarankan alat ini digunakan pada gayadi alas 100 kN.

64

Rancang Bangun Alat Bantu Pengukuran Konstanta Bahan Magnetostriktif (Eddy Santoso)

1400 I ~

:T1"

Tabel 2. Tabel perhitungan gaya tekan1~~i=~T(Gar ;~n -

I v" ,; , ISimpangan(x)~)

~

S6,~19202122

13

Gaya tekan[kN)

779,041

821,557864,073

906,589

949,10S991,6211034,137

1076,653

1119,1691161.,68~

I 1204;201I 1246,717

1289,2331331,749

1374,265

1416.781

t=t

~

~~226,333

4

.50 10 20

30

24

25

~2728

2930

31

~33

34

268.8~

~

X(mm)Gambar 2. Gaya Pegas [kN]vs Simpangan (X) [mrn]

-3.'!6,:~8,!

I II

I 1213 523,945

56~60~7.~651,493

35 145~7

Y=42,516*X-28,763

maka dapat dihitlmg gaya tekan alat untuk masing-masingsimpangan skala yang diekstrapolasi sampai gayamaksimum, sehingga diperoleh basil seperti pactaTabel 2. Untuk selanjutnya pengukuran gaya dapatdilakukan dengan mengacu pacta data basil kalibrasisebagaimana ditampilkan pacta Tabel 2. Data tersebutberlaku mulai dari x = 3 sampai harga maksimal.

besarannya dapat dibaca langsung pada pembacaan

digitalnya.Load cell yang dipakai pada pengujian mempu-

nyai kapasitas 1000 kN maka dalam pengujian tersebut,alai penekan ini hanya ditekan sampai x=26 mm, meskipunsebenarnya kemampuan alai ini dapat mencapai x = 35

nun. Kalau dihitung dengan menggunakan peIbandinganLoad cell yang dipakai pada pengujian mempunyaikapasitas 1000 kN maka dalam pengujian tersebut, alaipenekan ini hanya ditekan sampai x=26 nun, meskipunsebenarnya kemampuan alai ini dapat mencapai x = 35

nun. Kalau dihitung dengan menggunakan peIbandinganx= 1 nun setara dengan gaya % 40 kN, maka satu pegasdapat menekan sampai maksimal % 1400 kN.

Bila gaya pegas dihitung menggunakan

persamaan (3)

Gamba! 3. Gamba! alat penekan untuk pengukuran konstanta bahan megnetostriktif.

Gambar 4. Gambar kalibrasi alat penekan

65

Prosiding Seminar Nasinal Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN 1411 -7630

Karena diperlukan untuk gaya penekanan maksimal2800kN .maka alat ini dibuat dengan menggunakan dill buahpegas yang sejenis beserta penekannya dan dipasangberhadapan seperti pacta Gambar 3 .

TANYA-JAWAB

Nama Penanya : Suyatno (P3ffi)Pertanyaan :1. Kenapa dibuat dengan 2 versi/bukan satu versi,

tolong dijelaskan !KESIMPULAN

1.

2.

3.

Alat bantu pengukuran konstanta magnetostriktifini mampu menekan sampai 2800 kN, dengan cukuplinear.Alat ini tidak dapat digunakan untuk penekanandibawah 100 kN.Untuk penekanan hams dilakukan dengan memutarpendorong kanan dan kiri secara bersamaan.

lawaban:Dibuat dengan 2 versi yaitu :1. Dengan 2 buah pegas (Gambar3), untuk mendapatkan

daya tekan :i:2800KN. Karena pegas yang actadipasaran tidak acta yang mampu menekan :i:2800kN(hanya mampu menekan :i:1400KN/pegas)

2. Dengan 1 pegas (seperti Gambar 4), untuk keperluankalibrasi pegas penekan dengan load cell.

DAFTAR PUSTAKA

2.

MASON, P. W : Piezoelectric Crystal & Their Ap-plications to Ultrasonic.\", 5th Ed. Van Nostrand,New York, 1990,p. 56-86DAVID HALLIDAY & ROBERT RESNICK, AlihBahasa: : Pantur Silaban .Ph. D, Drs Erwin SuciptoM.Sc. Fisika Jilid I, hat 200, Penerbit Erlangga,Jakarta.

66