bergerak di dalam zat cair tersebut. Viskositas dalam zat cair, yang

Transkripsi

1

2 bergerak di dalam zat cair tersebut. Viskositas dalam zat cair, yang berperan adalah gaya kohesi antar partikel zat cair. Viskositas dapat dinyatakan sebagai tahanan aliran luida yang merupakan gesekan antara molekul molekul cairan satu dengan yang lain. Suatu jenis cairan yang mudah mengalir, dapat dikatakan memiliki viskositas yang rendah, dan sebaliknya bahan-bahan yang sulit mengalir dikatakan memiliki viskositas yang tinggi. Viskositas suatu luida adalah siat yang menunjukkan besar dan kecilnya tahanan dalam luida terhadap gesekan. Fluida yang mempunyai viskositas rendah, misalnya air mempunyai tahanan dalam terhadap gesekan yang lebih kecil dibandingkan dengan luida yang mempunyai viskositas yang lebih besar. Dengan siat ini zat cair banyak digunakan dalam dunia otomoti yaitu sebagai pelumas mesin. Telah diketahui bahwa pelumas yang dibutuhkan tiap-tiap mesin berbeda-beda, sehingga sebelum menggunakan pelumas merek tertentu harus diperhatikan terlebih dahulu koeisien kekentalan pelumas sesuai atau tidak dengan tipe mesin. Ada banyak metode yang bisa digunakan untuk mengukur viskositas suatu luida atau cairan. Salah satunya adalah dengan metode bola jatuh. Metode ini menggunakan sebuah bola yang dijatuhkan pada sebuah tabung berisi luida yang akan diukur, kemudian dicatat waktu tempuh bola dari satu titik ke titik yang lain. Dengan hukum Stokes waktu tempuh bola ini bisa digunakan untuk menghitung nilai viskositas luida. Akan tetapi penggunaan metode ini, terutama dengan peralatan eksperimen manual memiliki banyak kekurangan. Salah satunya yaitu pencatatan waktu tempuh bola yang kurang teliti. Ini menyebabkan nilai viskositas yang diperoleh memiliki nilai ralat yang besar atau kurang teliti. Untuk itu diperlukan otomatisasi untuk pencatatan waktu tempuh bola jatuh ini. Penggunaan sensor cahaya diharapkan bisa menjawab masalah ini. Selain itu juga dibutuhkan sebuah pengendali seperti mikrokontroler yang dapat mengendalikan sensor secara otomatis. Dari latar belakang tersebut di atas, maka masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana merancang alat ukur viskositas yang memiliki tingkat

3 ketelitian yang tinggi dengan menggunakan sensor gerak dan mikrokontroler untuk memperoleh alat yang otomatis, dengan tujuan dapat dihasilkan sebuah alat ukur viskositas otomatis yang teliti. Sedangkan batasan-batasan masalah dalam penelitian ini adalah Sensor yang digunakan adalah sensor cahaya LDR. Mikrokontroler yang digunakan adalah ATMega Tinjauan Pustaka 2.1.Hukum Stokes Viskositas berasal dari kata viscous. Suatu bahan apabila dipanaskan sebelum menjadi cair terlebih dahulu menjadi viscous yaitu menjadi lunak dan dapat mengalir pelan-pelan. Viskositas dapat dianggap sebagai gerakan di bagian dalam (internal) luida. Jika sebuah benda berbentuk bola dijatuhkan ke dalam luida kental, misalnya kelereng dijatuhkan ke dalam kolam renang yang airnya cukup dalam, nampak mula-mula kelereng bergerak dipercepat. Tetapi beberapa saat setelah menempuh jarak cukup jauh, nampak kelereng bergerak dengan kecepatan konstan (bergerak lurus beraturan). Ini berarti bahwa di samping gaya berat dan gaya apung zat cair masih ada gaya lain yang bekerja pada kelereng tersebut. Gaya ketiga ini adalah gaya gesekan yang disebabkan oleh kekentalan luida. sebagai Khusus untuk benda berbentuk bola, gaya gesekan luida dirumuskan F s 6rv (1) dengan η menyatakan koeisien kekentalan, r adalah jari-jari bola kelereng, dan v kecepatan relati bola terhadap luida. Persamaan (1) pertama kali dijabarkan oleh Sir George Stokes tahun 1845, sehingga disebut Hukum Stokes.[5] antara lain: Dalam pemakaian eksperimen harus diperhitungkan beberapa syarat Ruang tempat luida jauh lebih luas dibanding ukuran bola.

4 Tidak terjadi aliran turbulen dalam luida. Kecepatan v tidak terlalu besar sehingga aliran luida masih bersiat laminer. Sebuah bola padat yang memiliki rapat massa ρ b dan berjari-jari r dijatuhkan tanpa kecepatan awal ke dalam luida kental yang memiliki rapat massa ρ, di mana ρ b > ρ. Telah diketahui bahwa bola mula-mula mengalami percepatan, namun beberapa saat setelah bergerak cukup jauh bola akan bergerak dengan kecepatan konstan. Kecepatan yang tetap ini disebut kecepatan akhir v T atau kecepatan terminal yaitu pada saat gaya berat bola sama dengan gaya apung ditambah gaya gesekan luida. Gambar 1 menunjukkan sistem gaya yang bekerja pada bola kelereng yakni F A = gaya Archimedes, F S = gaya Stokes, dan W=mg = gaya berat kelereng. Gambar 1. Gaya yang bekerja pada saat bola dengan kecepatan tetap. Jika saat kecepatan terminal telah tercapai, berlaku prinsip Newton tentang GLB (gerak lurus beraturan), yaitu F A F W (2) S Jika V b menyatakan volume bola, serta g gravitasi bumi, maka berlaku

5 W. V g (3) b b. F. V g (4) A b. Rapat massa bola ρ b dan rapat massa luida ρ dapat diukur dengan menggunakan m b b (5) Vb dan m (6) V Dengan mensubstitusikan Persamaan (3) dan (4) ke dalam Persamaan (2) maka diperoleh F s b b V g (7) Dengan mensubstitusikan Persamaan (1) ke dalam Persamaan (7) diperoleh v T 2r 2 g b (8) 9 Jarak d yang ditempuh bola setelah bergerak dengan kecepatan terminal dalam waktu tempuhnya t mempunyai kecepatan d t 2r 2 b g 9 Dengan demikian waktu tempuhnya adalah t 2 2r 9d g b (9)

6 Dengan mengukur kecepatan akhir bola yang radius dan rapat massa telah diketahui, maka viskositas luida dapat ditentukan. Untuk memperoleh nilai viskositas luida, Persamaan (9) diubah dalam bentuk dengan t 2r 2 g b = k( b ) t (10) 9d 2r 2 g k (11) 9d Satuan viskositas luida dalam sistem cgs adalah dyne det cm-2, yang biasa disebut dengan istilah poise di mana 1 poise sama dengan 1 dyne det cm-2. Viskositas dipengaruhi oleh perubahan suhu. Apabila suhu naik maka viskositas menjadi turun atau sebaliknya Mikrokontroler ATMega8535 Mikrokontroler merupakan keseluruhan sistem komputer yang dikemas menjadi sebuah chip di mana di dalamnya sudah terdapat Mikroprosesor, I/O, Memori bahkan ADC, berbeda dengan Mikroprosesor yang berungsi sebagai pemroses data.[2] Mikrokontroller AVR (Al and Vegard s Risc processor) memiliki arsitektur 8 bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 siklus clock atau dikenal dengan teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing). Secara umum, AVR dapat dikelompokan ke dalam 4 kelas, yaitu keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing adalah kapasitas memori, peripheral dan ungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir sama. ATMega8535 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR yang diproduksi secara masal pada tahun Karena merupakan keluarga AVR, maka ATMega8535 juga menggunakan arsitektur RISC. Secara singkat, ATMega8535 memiliki beberapa kemampuan:

7 1. Memiliki ADC (Pengubah analog-ke-digital) internal dengan ketelitian 10 bit sebanyak 8 saluran. 2. Memiliki Unit interupsi (internal & eksternal) 3. Memiliki PWM (Pulse Wide Modulation) internal sebanyak 4 saluran. 4. Portal komunikasi serial (USART) dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps. 5. Enam pilihan mode sleep, untuk menghemat penggunaan daya listrik. Secara garis besar, arsitektur mikrokontroler ATMEGA8535 terdiri dari : 32 saluran I/O (Port A, Port B, Port C, dan Port D) 10 bit 8 Channel ADC (Analog to Digital Converter) 4 channel PWM 6 Sleep Modes : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby and Extended Standby 3 buah timer/counter Analog comparator Watchdog timer dengan osilator internal 512 byte SRAM 512 byte EEPROM 8 kb Flash memory dengan kemampuan Read While Write Unit interupsi (internal & eksternal) Port antarmuka SPI8535 memory map Port USART untuk komunikasi serial dengan kecepatan maksimal 2,5Mbps 4.5 sampai 5.5V operation, 0 sampai 16MHz Untuk melakukan pemrograman dalam mikrokontroler AVR, Atmel telah menyediakan sotware khusus yang dapat diunduh dari website resmi Atmel. Sotware tersebut adalah AVRStudio. Sotware ini menggunakan bahasa assembly sebagai bahasa perantaranya. Selain AVRStudio, ada beberapa sotware pihak ketiga yang dapat digunakan untuk membuat program pada AVR. Sotware dari pihak ketiga ini menggunakan bahasa

8 pemrograman tingkat tinggi seperti bahasa C, Java, atau Basic. Untuk melakukan pemindahan dari komputer ke dalam chip, dapat digunakan beberapa cara seperti menggunakan kabel JTAG atau menggunakan STNK buatan Atmel. 3. Metode Penelitian Gambar rangkaian alat ukur viskositas : Gambar 2. Rangkaian alat ukur viskositas Rancangan alat yang dibuat terdiri dari mikrokontroler ATMega8535 dan beberapa komponen elektronika lainnya (seperti pada tabel) dan komponen mekanik seperti kelereng, tabung transparan, stati, timbangan digital, wadah untuk mengukur massa luida.

9 Untuk lebih dari 1 kelereng dipilih massa dan volume kelereng yang tetap yaitu m=0.006 kg, r kelereng= 0.785cm, V kelereng= 2.025x10-6 m 3, jarak antara 2 LDR juga tetap yaitu 0.25 m. Untuk menimbang massa luida digunakan wadah yang tetap juga dengan massa wadah kg dan volume luida yang diukur tetap yaitu sebesar 10 ml. Port ADC yang digunakan 4 buah yaitu: 1. ADC0 (port A0) cermet untuk kalibrator viskositas. 2. ADC1 (port A1) Sistem LDR pencatat waktu. 3. ADC2 (port A2) LM35 pengukur suhu. 4. ADC3 (port A3) Potensiometer untuk input massa luida. Port D2 dan port B7 untuk interupt, port B6 untuk LED atas, dan port B5 untuk LED bawah. Proses pengukuran dirancang sebagai berikut. Mula-mula tabung diisi luida dan sebagian ditimbang massanya pada wadah yang disediakan. Setelah alat dinyalakan, LED atas dan bawah dihidupkan atau dimatikan dengan cara tertentu untuk memperoleh batas tengah intensitas cahaya yang diterima LDR. Intensitas cahaya yang diterima LDR dimasukkan ke dalam port A1, yang kemudian akan dipakai untuk mengeluarkan status alat (lihat gambar lowchart cek LDR). Ketika kelereng menutupi LED atas, maka mikrokontroler akan mengirimkan sinyal ke interup port D2 untuk menjalankan pencatat waktu. Ketika kelereng menutupi LED bawah mikrokontroler akan mengirimkan sinyal ke interup port D2 untuk menghentikan pencatat waktu. Dalam tahap ini waktu tempuh kelereng akan tersimpan dalam memori mikrokontroler. Namun waktu tempuh ini belum bersatuan detik, melainkan bilangan bulat tertentu yang harus dikalikan dengan suatu konstanta untuk memperoleh satuan detik. Parameter ini disebut timekal. Timekal dicari dengan mengukur waktu buka-tutup LED dan membandingkan dengan nilai yang disimpan oleh mikrokontroler, yaitu yang disebut COUNT. Jadi waktu yang ditempuh adalah COUNT x timekal. Untuk memasukkan rapat massa luida ke dalam mikrokontroler dilakukan cara sebagai berikut. Massa luida ditimbang untuk volume 10 ml (dalam wadah yang disediakan). Massa luida diberikan oleh rumus

10 m ADC Jadi massa luida dimasukkan melalui port A3 dengan bantuan potensiometer. Untuk ini diperlukan kalibrasi massa. Karena ADC3 dapat bernilai 0 sampai 255 (yaitu dari tegangan 0 volt sampai Vcc) maka dipilih nilai tengah, dalam hal ini dipilih ADC3=123 untuk massa kg sehingga diperoleh nilai β sebesar Yang terakhir, untuk mengatur nilai ukur viskositas agar sesuai dengan nilai acuan diperlukan aktor koreksi yaitu sebesar 127 ADC0 255 Dalam penelitian ini ε dipilih kecil yaitu sebesar 0.01, dan ADC0 diatur oleh cermet yang dimasukkan pada port A0. Jadi persamaan (11) dikoreksi menjadi 127 ADC0 k k1 255 Jadi viskositas dalam mikrokontroler adalah 127 ADC0 ADC3 k1 b / V COUNT timekal (12) Satuannya adalah Pa.s, untuk mendapatkan nilai satuan dalam Poise harus dikalikan lagi dengan 10. Untuk suhu LM35 menggunakan persamaan ADC2a b T Nilai a dan b diperoleh dari pengukuran 2 suhu yang berbeda. Dari hasil kalibrasi diperoleh nilai a dan b, a= b= Analisis Data Hasil percobaan dengan menggunakan sampel oli mesran SAE40 dengan massa 11g/10ml pada suhu C diperoleh Nilai rata-rata viskositas η = 4.22±0.15Poise(10 kali percobaan). Dari literatur didapatkan nilai viskositas oli SAE 40 pada suhu 20 0 C adalah 4.3 Poise. Seperti kita tahu

11 semakin tinggi suhu, nilai viskositas akan berkurang, jadi nilai viskositas oli SAE40 pada suhu C kurang dari 4.3 Poise. Sedangkan pada suhu 40 0 C massa menjadi 9g. Nilai viskositas oli mesran SAE40 dari hasil percobaan adalah ± 0.07 P. Dari data resmi PERTAMINA, nilai viskositas oli Mesran SAE 40 pada suhu 40 0 C adalah P. Dari sampel oli Mesran Super SAE 20W50, dengan massa 11 g/10ml pada suhu C diperoleh nilai η= 4.3 P ± 0.1.sedangkan dari hasil perhitungan manual nilai viskositas oli tersebut adalah 4.6 P. Dari percobaan SAE 20W50 pada suho 40 0 C dengan massa 10 g/ 10ml diperoleh nilai η= 2.3±0.1 P. Dari perhitungan manual didapatkan nilai viskositas oli tersebut adalah P. Dari percobaan dengan sampel minyak goreng Bimoli dengan massa 11g pada suhu C diperoleh η = 1.41 ± 0.03 P. Dari perhitungan manual didapatkan nilai viskositasnya adalah 1.52 P. Dari data perbandingan hasil percobaan dengan data reerensi ataupun dari data perhitungan manual, maka didapatkan nilai ralatratarata alat ukur viskositas ini adalah 6 %. Jadi ketepatan alat ukur viskositas dengan sensor LDR dan mikrokontroler ATMega8535 ini mencapai 94%. 5. Kesimpulan dan Saran Pembuatan alat ukur viskositas luida metode bola jatuh dengan menggunakan mikrokontroler ATMega 8535 dan sensor cahaya LDR dapat membantu mengukur nilai viskositas luida dengan ketepatan ukur mencapai 94%. Sensor cahaya LDR bisa membantu otomatisasi penghitungan waktu tempuh bola jatuh pada metode ini. Kedepannya alat ukur viskositas ini dapat dikembangkan sehingga dapat mengukur nilai viskositas semua luida dengan ketelitian yang tinggi. Selain itu perangkat untuk tabung bisa dibuat lebih baik, sehingga tidak menimbulkan kesalahan pada saat mengukur. Sistem LDR bisa dikembangkan lagi sehingga bisa lebih peka terhadap perubahan intensitas cahaya, jadi alat ini bisa digunakan untuk mengukur viskositas luida yang berwarna gelap atau pekat. Penggunaan kelereng

12 juga perlu diperhatikan, yaitu mengenai dimensi kelereng dan massa jenisnya. Jadi kalau kita menggunakan banyak kelereng untuk pengukuran, semua kelereng harus sama, baik ukuran isik maupun massa jenisnya. Penggunaan wadah untuk menimbang luida bias diganti dengan wadah yang memiliki nilai ralat volume yang kecil. 6. Reerensi Budianto, Anwar. Metode Penentuan Koeisiensi Kekentalan Zat Cair dengan menggunakan Regresi Linear Hukum Stokes.Seminar Nasional IV SDM Teknologi Nuklir Yogyakarta. Agustus ISSN Mujiman. Simulasi Pengukuran Nilai Viskositas Oli Mesran SAE Dengan penampil LCD. Telkomnika Vol. 6, No. 1. April 2008 : Heryanto, M.A. dan Ir. Wisnu Adi P. Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontroler ATMega8535. Penerbit ANDI, Yogyakarta

13 Lampiran 1. Flowchart kerja alat

14 2. Flowchart Cek LDR LED 1= On LED = On Delay 100 Delay 100 LDR2 h= ADC1 LDR 1h = ADC1 Delay 100 Delay 100 LED 1= O LED 2= O Delay 100 Delay 100 LDR2m= ADC1 Delay 100 LDR1m = ADC1 Delay 100 LED 1 On LED 2 On 1. LOW = max ( LDR1 h, LDR2 h) ; HIGH = min ( LDR1 m, LDR2 m) ; Level = HIGH LOW 2 int eger Jika ( abs ( LOW HIGH ) > 10 ) maka status Ok

15 3. Tabel komponen elektenika No Nama Komponen Jumlah 1 ATMega LCD 1 3 LM LDR 2 5 LED Putih 2 6 Potensiometer 50KΩ 1 7 Cermet 50KΩ 1 8 Kapasitor 10μF 2 9 Kapasitor 22μF 6 10 Resistor 6 11 Aki LED merah 1 13 Push Up button 1

16 4. Rangkaian Elektronika Pada ATMega8535 B5 B6 B7 A0 A1 A2 A3 ATMega8535 Lm35 D2 C0-C7 LCD