Download - proposal TA Vicky Pratama

Transcript
Page 1: proposal TA Vicky Pratama

1. Judul Tugas Akhir

Judul tugas akhir yang penulis ajukan adalah ”Perancangan dan Simulasi Data

Logger Suhu pada Thermocouple menggunakan LabVIEW”.

2. Latar Belakang

Dewasa ini dalam proses produksi dan teknologi, perkembangan proses kontrol,

otomasi, kualitas kontrol, peningkatan masalah keamanan menjadi aspek yang harus

diprioritaskan. Beberapa aspek tersebut membutuhkan kualitas sensor, karakteristik dan

pendekatan ukuran aplikasinya. Sensor yang dibuat harus mempunyai kriteria tertentu

dan memiliki sensitiftas yang tinggi sehingga data yang dihasilkan cukup representatif

agar dapat diolah menjadi suatu data yang valid dan dapat dipertanggungjawabkan.

Kriteria instrumentasi yang harus dimiliki alat ukur adalah dari sisi akurasi, reliabilitas,

interchangebility, biaya dan keamanan.

Temperatur adalah besaran lingkungan yang sering diukur, karena memliki

pengaruh besar pada besaran fisik, listrik, kimia, mekanik maupun biologi. Sensor suhu

yang ada mempunyai berbagai karakteristik dan spesifikasi sendiri-sendiri, sebagai

contoh termokopel, memiliki beberapa tipe yang masing-masing tipe memiliki

karakteristik tertentu.

Oleh karena itu untuk mendukung proses aplikasi penggunaan termokopel untuk

pembuatan data logger suhu namun perlu diteliti terlebih dahulu karakteristik

termokopel yang ada, perlu dirancang perangkat keras penghubung besaran analog dari

termokopel ke komputer untuk diketahui rekaman besaran suhu terhadap waktu,

sehingga hasil akhirnya dapat ditentukan grafiknya, yang sebelumnya diperoleh dari

data-data yang telah terekam pada waktu tertentu.

3. Rumusan dan Batasan Masalah

Berdasarkan identifikasi latar belakang yang telah dijelaskan, rumusan masalah

dari pembuatan tugas akhir ini, adalah:

a) Bagaimanakah cara merancang perangkat yang dapat menghubungkan

secara langsung antara thermocouple dan komputer?

b) Bagaimanakah caranya menampilkan hasil pengukuran thermocouple di

layar komputer setiap perubahan waktu dan hasilnya dapat direkam?

Page 2: proposal TA Vicky Pratama

2

Dengan rumusan masalah tersebut, maka batasan masalah tugas akhir yang

diperhatikan, sebagai berikut:

a) Sensor yang digunakan berupa thermocouple dengan tipe tertentu

b) Perangkat lunak yang digunakan untuk mengoperasikan adalah LabVIEW,

yang berfungsi sebagai monitoring data.

c) Perangkat keras yang digunakan sebagai penghubung berupa rangkaian

elektronik amplifier dan ADC dengan mikrokontroler ATMEGA 8535,

dengan komunikasi serial.

d) Hasil keluaran dari tugas akhir ini berupa data logging perubahan suhu pada

thermocouple terhadap waktu.

4. Tujuan Tugas Akhir

Tujuan utama dari tugas akhir ini adalah merancang perangkat keras yang dapat

menghubungkan secara langsung (plug and play) antara thermocouple dengan

komputer, yang seluruh data dan perubahan data yang diperoleh dapat langsung

ditampilkan di layar monitor maupun dicetak berupa grafik logger suhu, dengan

bantuan software LabVIEW.

5. Tinjauan Pustaka

5.1 Definisi Singkat Termokopel

Berasal dari kata “Thermo” yang berarti energi panas dan “Couple”yang berarti

pertemuan dari dua buah benda. Termokopel adalah transduser aktif suhu yang tersusun

dari dua buah logam berbeda dengan titik pembacaan pada pertemuan kedua logam dan

titik yang lain sebagai outputnya[1]

. Maka termokopel adalah sebuah transduser yang

digunakan untuk mengkonversi perubahan termal suatu objek menjadi energi listrik[2]

.

Termokopel dapat beroperasi dengan rentang suhu yang besar. Sebuah termokopel

terdiri dari dua buah kawat yang kedua ujungnya disambung sehingga menghasilkan

suatu open circuit voltage sebagai fungsi dari suhu, diketahui sebagai tegangan

termolistrik atau disebut dengan seebeck voltage, yang ditemukan oleh Thomas J.

Seebeck pada tahun 1821.

Hubungan antara tegangan dan pengaruhnya terhadap suhu masing-masing titik

pertemuan dua buah kawat adalah linear. Walaupun begitu, untuk perubahan yang

Page 3: proposal TA Vicky Pratama

3

sangat kecil, tegangan pun akan terpengaruh secara linear, atau di rumuskan sebagai

berikut: (National Instrument, Application Note 043).

∆V = S∆T .............................................................................................................. (1)

Dengan ∆V adalah perubahan tegangan, S adalah koefisien Seebeck, dan ∆T adalah

perubahan suhu. Nilai S akan berubah dengan perubahan suhu, yang berdampak pada

nilai keluaran berupa tegangan termokopel tersebut.

5.2 Jenis-jenis Termokopel

Termokopel diberi tanda dengan huruf besar yang mengindikasikan

komposisinya berdasar pada aturan American National Standard Institute (ANSI),

seperti dibawah ini:

Type E : Chromel – Constantan

Type J : Iron – Constatan

Type K : Chromel – Alumel

Type T : Copper – Constatan

Type B : Platinum 6% Rhodium vs Platinum 30% Rhodium

Type R : Platinum vs Platinum 13% Rhodium

Type S : Platinum vs Platinum 6% Rhodium

(Sumber : NBS Monograph 125 and Hoskins Manufacturing Company).

Tabel 1. Sifat dari beberapa tipe termokopel pada 250C

Tipe Material

( + dan -)

Temp.Kerja

(0C)

Sensitivitas

(µV/0C)

E Ni-Cr dan Cu-Ni -270 ~ 1000 60.9

J Fe dan Cu-Ni -210 ~ 1200 51.7

K Ni-Cr dan Ni-Al -270 ~ 1350 40.6

T Cu dan Cu-Ni -270 ~ 400 40.6

R Pt dan Pt(87%)-Rh(13%) -50 ~ 1750 6

S Pt dan Pt(90%)-Rh(10%) -50 ~ 1750 6

B Pt(70%)-h(30%)

dan Pt(94%)-Rh(6%)

-50 ~ 1750 6

Sumber : www.wfunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmeple_intro.cfm

Page 4: proposal TA Vicky Pratama

4

5.3 Prinsip Kerja Termokopel

Penting diingat bahwa termokopel mengukur perbedaan temperatur di antara 2

titik, bukan temperatur absolut[8]

. Prinsip kerja termokopel ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Prinsip Kerja Termokopel[4]

Termokopel bekerja berdasarkan efek Seebeck, yang mengubah perbedaan

antara suhu sambungan acuan dengan suhu sambungan ukur menjadi tegangan listrik.

Hubungan antara harga tegangan yang terkoreksi V (t1,0), harga tegangan sambungan

acuan V (ref,0) dan harga tegangan pada tabel standar kalibrasi V (t1, ref) adalah:

V (t1,0) = V (t1, ref) + V (ref,0) ........................................................................................ (2)

Agar dapat digunakan dalam pengukuran, hanya material-material khusus yang

digunakan sebagai termokopel. Syarat-syarat yang diperlukan agar dapat digunakan

sebagai sensor adalah:

1. Memiliki sensitifitas yang tinggi, dan memilki linearity yang baik.

2. Memiliki span pengukuran suhu yang lebar.

3. Memilki repeatability dan stabilitas yang tinggi, dan tidak berubah sifat karena

waktu.

4. Deviasi mutunya kecil.

5.4 Penguat (Amplifier / Pengkondisi Sinyal)

Rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi untuk mengolah sinyal dari transduser

termokopel berupa tegangan yang cukup kecil menjadi tegangan yang lebih besar,

sehingga output dari rangkaian ini dapat dibaca oleh rangkaian Analog Digital

Converter (ADC).

Page 5: proposal TA Vicky Pratama

5

Gambar 2. Rangkaian Pengkondisi Sinyal[1]

Rangkaian signal conditioning terbagi dalam 3 blok fungsi:

a) Low Pass Filter

Termokopel yang terlalu panjang bisa menangkap sinyal liar layaknya sebuah

antena, karena output dari termokopel merupakan sinyal berfrekuensi rendah, perlu

dipasang sebuah filter untuk menghilangkan sinyal frekuensi tinggi yang tidak lain

adalah noise. R4, R5, C1, dan C2 adalah komponen penyusun low pass filter yang

memiliki frekuensi cut-off sekitar 3Hz. Diode zener D1 dan D3 digunakan untuk

membatasi input yang masuk ke rangkaian. Resistor pull-up 1MΩ berfungsi sebagai

pengaman pada saat termokopel putus / tidak terhubung, karena saat termokopel tidak

terhubung input rangkaian signal conditioning menjadi besar sehingga pemanas tidak

akan menyala bila alat ini digunakan sebagai pengendali suhu.

b) Penguat tingkat I

Penguat Tingkat I adalah rangkaian non-inverting OP-AMP menggunakan IC

OP 07. Saya memilih penguat jenis non-inverting dengan pertimbangan penguat non-

inverting memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi dan impedansi keluaran yang

rendah, selain itu sinyal input dari termokopel sebanding dengan kenaikan suhu.

Didalam rangkaian ini terdapat 2 buah potensiometer. R3 sebagai zero adjustment,

berfungsi untuk mengatur besar kecilnya tegangan offset keluaran. Tegangan offset

adalah tegangan yang timbul pada keluaran saat nilai inputannya nol. Tegangan ini

digunakan untuk menentukan suhu terendah yang bisa dibaca alat ukur ini. R10 sebagai

Page 6: proposal TA Vicky Pratama

6

gain adjustment, berfungsi untuk mengatur besar penguatan pada tingkat ini, dengan

menganggap tegangan offset = 0V, besar penguatannya adalah seperti berikut:

penguatan saat potensiometer posisi minimal:

penguatan saat potensiometer posisi maksimal:

c) Penguat tingkat II

Penguat tingkat II juga menggunakan penguat non-inverting sama seperti

menguat tingkat I. Op Amp yang digunakan adalah LF 353 Pada penguat ini nilai gain

adalah tetap yaitu sebesar :

Selanjutnya bila rangkaian di analisis secara keseluruhan, rangkaian signal conditioning

memiliki penguatan sebesar:

Page 7: proposal TA Vicky Pratama

7

Penguatan saat potensiometer posisi minimal:

Penguatan saat potensiometer posisi maksimal:

Besarnya penguatan rangkaian signal conditioning adalah 210 – 279 kali. Sedangkan

tegangan outputnya sebesar:

5.5 ADC (Analog to Digital Converter)

Setelah rangkaian analog pengendali sinyal sensor telah selesai dirancang, maka

untuk menjadikan keluaran filter LPF dapat berkomunikasi dengan komputer melalui

port serial RS232, sebelumnya data analog tersebut dikonversi ke data digital dengan

menggunakan ADC, IC yang digunakan adalah IC ADC 0809 yang memiliki 8 input,

walaupun yang digunakan hanya satu input. Rangkaian selengkapnya dapat dilihat pada

Gambar 3.

Gambar 3. Rangkaian ADC

Page 8: proposal TA Vicky Pratama

8

Konversi analog ke digital berlangsung pada saat pulsa Start menjadi rendah,

mengosongkan pencacah. Bila pulsa Start kembali ke keadaan tinggi, maka telah siap

beroperasi melakukan hitungan naik dari nol, sehingga keluaran konverter akan

berbentuk tegangan yang positif. Tegangan masukan akan dibandingkan dengan

tegangan referensi dari ADC itu sendiri. Jika tegangan masukan sama dengan tegangan

referensi maka keluaran ADC akan FF, tetapi jika masukan dibawah referensi maka

akan dilakukan pencacahan terhadap tegangan masukan itu sesuai dengan tegangan

tangga (step size) sehingga keluaran dari ADC sesuai dengan akurasi yang kita

inginkan.

5.6 Komunikasi Serial

Port serial sering digunakan untuk interfacing komputer dan mikrokontroler,

karena kemampuan jarak pengiriman data dibandingkan port parallel. Sistem transmisi

sinyal RS232 menggunakan level tegangan dengan respect to system common (power

ground). Tipe ini bagus untuk komunikasi data secara satu-satu (point to point

communications). RS232 port pada PC hanya diperuntukkan untuk satu alat (single

device). Misal : COM 1 digunakan untuk mouse port sedangkan COM 2 digunakan

untuk modem. Syarat sinyal RS232 dapat berfungsi adalah dengan hubungan ke ground

antara PC dengan alat (common ground). Jarak maksimal jalur komunikasi sangat

terbatas hanya 100/200 kaki untuk komunikasi data secara asinkron dan hanya 50 kaki

untuk komunikasi sinkron. Kecepatan transfer data RS232 cukup rendah, kecepatan

maksimal hanya 19200 bits/detik. Singkatnya, RS232 hanya untuk komunikasi area

lokal dan hanya untuk satu driver dan satu receiver. RS232 pada PC mempunyai dua

jenis konektor, yaitu konektor dengan 25 pin (DB25) dan konektor dengan 9 pin (DB9).

Pada dasarnya hanya 3 pin yang terpakai, yaitu pin kirim, pin terima dan ground[3]

.

Dalam setiap proses transfer data serial, RS232 memerlukan sebuah Data

Terminal Equipment (DTE) dan Data Communication Equipment (DCE) pada masing-

masing terminal. Pengiriman data dilakukan secara bit per bit (karena serial). Kecepatan

transfer data harus sama antara pengirim dan penerima, jika tidak sama akan terjadi

overflow. Kecepatan transmisi transfer data sering disebut dengan baudrate. Panjang

data bit yang sering digunakan diantaranya adalah 4, 5, 6, 7 dan 8 bit.

Page 9: proposal TA Vicky Pratama

9

Gambar 4. Penampang Konektor DB9

5.7 Mikrokontroler

Mikrokontroler yang digunakan pada perancangan alat ini adalah

ATMEGA8535. Mikrokontroler ini memiliki arsitektur RISC 8 bit, sehingga semua

instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian besar intruksi di

eksekusi dalam satu siklus instruksi clock. Dan ini sangat membedakan sekali dengan

intruksi MCS-51 (Berarsitektur CISC) yang membutuhkan 12 siklus clock. RISC adalah

Reduced Instruction Set Computing sedangkan CISC adalah Complex Instruction Set

Computing.

Gambar 5. Mikrokontroler ATMEGA8535

Page 10: proposal TA Vicky Pratama

10

ATMEGA8535 mempunyai empat buah port yaitu port A, port B, port C, dan

port D. Keempat port tersebut merupaka jalur bi-directional dengan pilihan internal

pull-up. Tiap port mempunyai tiga buah register bit, yaitu DDxn, PORTxn, dan PINxn.

Huruf ”x” mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf ”n” mewakili nomor bit. Bit

DDxn terdapat I/O address DDRx, bit PORTxn terdapat pada I/O address PORTx, dan

bit PINxn terdapat pada I/O address PINx.

Gambar 6. Skematik Minimum System ATMEGA 8535

Gambar 7. Skema Konverter RS232

Page 11: proposal TA Vicky Pratama

11

5.8 Software LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) merupakan

software virtual instrument, produk dari National Instrument yang dikenal sebagai salah

satu instrumen virtual terbaik di dunia. LabVIEW adalah bahasa pemrograman

komputer berbasis grafik. Pemrograman LabVIEW tidak berbasis teks seperti halnya

Visual Basic atau Delphi. Dengan memakai program grafik ini membangun suatu

aplikasi akuisisi data dan instrumentasi/ kontrol mejadi lebih mudah dan cepat.

LabVIEW menggunakan pemrograman aliran data (dataflow), dimana aliran

data dari node pada blok diagram akan menentukan perintah eksekusi berdasarkan VIs.

VIs atau virtual instrument adalah program LabVIEW yang menirukan instrumen

sebenarnya dalam bentuk simbol-simbol.

a) Front Panel

Untuk membuat tampilan digunakan tools dan objek. Tampilan ini dikenal

dengan istilah front panel. Front panel umumnya berisikan kontrol dan indikator

sebagai masukan dan keluaran interaktif VIs. Kontrol mencakup knob, push button,

dan mekanisme masukan lainnya. Sedangkan indikator mencakup grafik, led, tank,

dan tampilan keluaran lainnya.

Gambar 8. Front Panel

b) Block Diagram

Block diagram adalah jendela tempat menuliskan perintah dan fungsi, berisikan

source code berupa simbol-simbol, node dan garis sebagai data flow untuk

mengeksekusi program, termasuk kode dari front panel.

Page 12: proposal TA Vicky Pratama

12

Gambar 9. Block Diagram

c) Tipe Data

Dalam membuat suatu aplikasi VIs, harus diperhatikan tipe data tiap simbol agar

data flow dapat berjalan tanpa kesalahan. Tipe data dari sebuah simbol dapat

diketahui dari warna node atau warna kabel (wire) ketika dihubungkan ke simbol

lainnya.

Tabel 2. Tipe Data dari Pemrograman LabVIEW[5]

Tipe Data Warna Node / Wire Keterangan

Floating point Oranye Float, double, precision

Integer Biru Byte, word, long, unsigned

Time stamp Coklat tua Indikasi waktu (ddmmyy)

Boolean Hijau muda True, false

String Merah muda Teks

Dynamic data Biru tua Sinyal dinamis

Waveform -oranye tebal

-hijau muda tebal

-gelombang kontinyu

-gelombang digital

Path Hijau tua Direktori

Array, cluster Tergantung elemen Kumpulan data

LabVIEW dapat dengan mudah dihubungkan dengan peralatan kontrol skala

industri seperti Programmable Logic Control (PLC), Distributed Control System

(DCS), maupun hanya mikrokontroler.

Page 13: proposal TA Vicky Pratama

13

6. Struktur Proses

Struktur proses ini akan menggambarkan alur perjalanan dari perancangan alat,

simulasi hingga mendapat data yang diharapkan. Secara umum,

Gambar 6.1 Flowchart Metodologi Penelitian

Page 14: proposal TA Vicky Pratama

14

7. Metode Penelitian

Proses pembuatan tugas akhir yang berjudul ” Perancangan Data Logger Suhu

pada Thermocouple menggunakan LabVIEW”, penulis mendapatkan berbagai data dan

informasi yang dibutuhkan dengan berbagai metode, yaitu:

a. Studi Literatur

Studi ini penulis gunakan untuk mempelajari literatur yang bersumber dari buku-

buku, e-book, artikel, jurnal, serta serta menemukan berbagai literatur di situs-situs

internet yang berhubungan dengan tugas akhir penulis.

b. Wawancara

Wawancara dilakukan kepada orang-orang yang ahli di bidang sensor, elektronika

dan software LabVIEW sesuai dengan tugas akhir yang sedang penulis laksanakan.

c. Perancangan Alat

Perancangan alat dilakukan, dengan pencarian datasheet komponen yang

diperlukan, serta skema rangkaian, lalu merancangnya menjadi rangkaian yang

diinginkan.

d. Pengujian dan Simulasi Sistem

Adapun cara simulasi sistem ini didefinisikan, yaitu:

1) Perancangan dan desain diagram blok LabVIEW sesuai dengan alat yang akan

di monitoring.

2) Proses simulasinya sendiri akan menggunakan LabVIEW yang sebelumnya

telah diprogram agar dapat membaca kondisi perubahan suhu dari termokopel.

3) Data logger suhu hasil output simulasi, data ini selanjutnya akan diolah dalam

bentuk grafik pada Microsoft Excel.

e. Analisis dan simpulan

Dalam bagian ini akan dilakukan proses analisis dari hasil simulasi sistem

menggunakan software LabVIEW. Sehingga dapat diketahui prinsip, proses kerja,

peran, dan kinerja dari termokopel dari hasil monitoring LabVIEW, serta

menyimpulkan hasil yang diperoleh.

8. Relevansi

Tugas akhir ini disusun berdasarkan metodologi yang ada, yang pada selanjutnya

akan dilakukan pembuatan simulasi yang kemudian simulasi tersebut dianalisis dan

Page 15: proposal TA Vicky Pratama

15

disimpulkan. Sehingga diharapkan simulasi dan analisis tersebut dapat diaplikasikan

sebagai pendukung pengembangan teknologi dibidang instrumentasi maupun kontrol.

9. Jadwal Kegiatan

Kegiatan 2011

Maret April Mei Juni Juli Agustus

Pencarian Bahan

Penyusunan Proposal

Seminar Proposal

Studi Literatur

Wawancara

Perancangan Alat, Simulasi

Sistem, Analisis dan

Simpulan

Penyusunan Laporan Tugas

Akhir

Seminar dan Sidang Tugas

Akhir

Page 16: proposal TA Vicky Pratama

16

DAFTAR PUSTAKA

[1] Zal, Fahmi.2010.Perancangan Signal Conditioning.

http://fahmizaleeits.wordpress.com/2010/07/07/merancang-pengkondisi-sinyal-

termokopel/

[2] Pramudijanto, Jos.2003.Sensor Temperatur.Jurusan Teknik Elektro ITS.

[3] Adia Cahya Purnama, dkk.2010.Laporan Akhir Mata Kuliah Komputerisasi

Elektromedik - Serial Interface Microcontroler ATMEGA8535 ke PC

Menggunakan Aplikasi Grafik Delphi.Jurusan Fisika - Universitas Padjajaran.

[4] Rachman Soleh dan Sri Kadarwati.2003.Sensor Termokopel Tipe K dengan

Kompensasi Suhu Pengukuran dan Tegangan Keluaran 10mV/oC.Publikasi Ilmiah

PPI-KIM 2003, Pusat Penelitian KIM-LIPI.

[5] Pratama, Anggi.2007.Aplikasi LabVIEW sebagai Pengukur Kadar Vitamin C

Dalam Larutan Menggunakan Metode Titrasi Iodimetri.Jurusan Teknik Elektro -

Universitas Diponegoro : http://eprints.undip.ac.id/7477/

[6] Budiono, Eka.2009.Programmable Automation Controller (PAC) dengan

LabVIEW 7.1.Yogyakarta : Penerbit Gava Media.

[7] Budiharto, Widodo.2004.Interfacing Komputer dan Mikrokontroler.Jakarta :

Penerbit PT. Elex Media Komputindo Kelompok Gramedia

[8] Prinsip Kerja Termokopel.2010:

http://koponkworld.wordpress.com/2010/10/09/prinsip-kerja-termokopel/

[9] http://www.efunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmcple_intro.cfm

Page 17: proposal TA Vicky Pratama

17

Perancangan dan Simulasi Data Logger Suhu pada Thermocouple

menggunakan LabVIEW

PROPOSAL SKRIPSI

Diajukan Sebagai Syarat Menyelesaikan Tugas Akhir S1 Guna Mendapat Gelar Sarjana Pada Jurusan Teknik Elektro

Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

Disusun Oleh :

VICKY PRATAMA PUTRA

3332-071111

KEMENTRIAN PENDIDIKAN NASIONAL

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

CILEGON – BANTEN

2011