Kawasan Puspiptek Gd. 440 Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan

Transkripsi

1 STUDI PENGATURAN DAYA PEMANAS SECARA KONTROL FASA PADA PENGENDALIAN TEMPERATUR ALAT DIFFERENTIAL THERMAL ANALYSIS (DTA) Heri Nugraha 1), Bambang Hermanto ) 1) Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI, Gd. 470 Kawasan Puspiptek Serpong, 2) Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kawasan Puspiptek Gd. 440 Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan nugrahalipi@yahoo.com Abstrak Dalam kegiatan penelitian, system thermal memegang peranan yang sangat penting untuk mengetahui karakteristik suatu material pada temperature tertentu. Namun, system thermal untuk memanaskan saja tidak cukup, diperlukan system yang dapat menjaga kestabilan temperature dengan tingkat osilasi yang seminim mungkin. Salah satu peralatan thermal analysis yaitu DTA (Differential Thermal Anlysis) mengetahui sifat dari sebuah material, dalam DTA digunakan material pembanding atau yang disebut material referensi. Didalam system control DTA terdapat system control furnace hingga temperature C. Berbagai metode pengaturan tegangan salah satunya adalah dengan control fasa Thrystor, dengan control input 4-20 ma dari thermokontrol untuk mentrigger Thrystor. Thrystor banyak digunakan pada rangkaian pengendali dan pensaklaran. Kontrol fasa Thrystor ini memberikan range pengaturan tegangan yang lebih luas pada beban heater DTA dengan tahanan 50 ohm, dimana akan diuji pada pengaturan pada daya rendah, setengah daya, dan daya penuh untuk mengamati karakteristik, kelebihan dan kekurangan dari sistem pengaturan control fasa dan pengaruhnya terhadap temperature pemanas alat DTA. Hasil pengujian menunjukan tercapainya setting temperature diinginkan pada ketiga metode pengujian dengan control fasa ini untuk daya rendah atau 25 % daya, setting temperatur tidak tercapai dengan selisih antara PV dan SV 80 0 C, sedangkan untuk setengah daya atau 50 % daya, temperature hampir mendekati setting temperature yang diinginkan dengan selisih PV dan SV sekitar 5 0 C, berbeda dengan pengaturan pada 75% menunjukan tidak terjadi osilasi dan temperatur tercapai tepat sesuai setting value C, kemudian pada metode daya penuh, setting temperature tercapai tetapi dengan nilai osilasi sekitar 5 0 C. Kata kunci : Sistem Thermal,DTA,Kontrol Fasa Abstract In the course of the study, thermal system plays a very important to know the characteristics of a material at a particular temperature. However, thermal system to heat alone is not sufficient, is necessary to maintain system stability with temperature oscillations that minimum level. One of thermal analysis equipment is DTA (Differential Thermal anlysis) determine the properties of a material, the material used in the DTA called the comparison or reference material. Contained in the system control system control DTA furnace up to temperature C. Various methods of voltage regulation one is to control the phase Thrystor. With input control 4-20 ma to trigger the thrystor from thermocontrol. Thrystor widely used in the control and switching circuits. This phase control Thrystor provide voltage regulation range wider in the DTA heater load resistance of 50 ohms, which will be tested at low power settings, half power and full power to observe the characteristics, advantages and disadvantages of the phase control system settings and their effects heating temperature DTA device. The test results show the achievement of the desired temperature setting on the third phase of testing methods to control for low power or 25% power, the setting temperature is not reached by the difference between PV and SV 80 0 C, while for the half-power or 50% power, temperature nearing temperature setting desired by a margin of PV and SV around 5 0 C, in contrast with the setting at 75% showed no oscillations occur and achieve appropriate

2 Seminar Nasional Fisika 2013 ISSN Pusat Penelitian Fisika-LIPI Serpong, 4 September 2013 temperature setting value C, then the full power of the method, the setting temperature is reached but with values oscillating around 5 0 C. Keyword : Thermal System, DTA, Phase Control PENDAHULUAN Karateristik thermal material pada proses rekayasa material, ekstraksi material dan nano sangatlah diperlukan. Salah satu metoda untuk mengetahui karakteristik material adalah dengan perbedaan temperature. Alat yang digunakan adalah Differential Thermal Analysis (DTA). DTA merupakan alat analisis thermal dengan menggunakan metoda pembandingan perubahan temperature terhadap sampel referensi. Pusat Penelitian Fisika pada saat ini sedang mengembangkan alat analisa thermal DTA (Differential Thermal Analysis). Didalam system control DTA terdapat system control furnace hingga temperature C. Berbagai metode pengaturan tegangan salah satunya adalah dengan control fasa Thrystor. Thrystor banyak digunakan pada rangkaian pengendali dan pensaklaran. Kontrol fasa Thrystor ini memberikan range pengaturan tegangan yang lebih luas pada beban heater DTA dengan tahanan 50 ohm, dimana akan diuji pada pengaturan pada daya rendah, setengah daya, dan daya penuh untuk mengamati karakteristik, kelebihan dan kekurangan dari sistem pengaturan control fasa dan pengaruhnya terhadap temperature pemanas alat DTA. Pada sistem termal untuk memanaskan saja tidak cukup, tetapi sangat diperlukan sistem yang juga dapat menjaga besarnya temperatur dalam proses agar tetap stabil pada nilai yang diinginkan atau diperlukan tanggapan sistem dengan osilasi yang seminim mungkin. Untuk keperluan ini, maka digunakan suatu sistem pengaturan temperatur. Pada banyak aplikasinya, sistem pengaturan temperatur menggunakan pemanas (heater) yang menerapkan prinsip pemanasan secara listrik. Umumnya untuk pengaturan tegangan pemanas digunakan prinsip pengaturan tegangan secara on-off. Namun karena keterbatasan range pengaturan tegangan yang dapat diberikan, maka kontrol tegangan secara on-off kurang dapat memberikan akurasi nilai keluaran yang dibutuhkan oleh sistem pengaturan, sehingga untuk beberapa aplikasinya dapat menimbulkan tanggapan sistem pengaturan temperatur yang berosilasi. Terdapat alternatif lain untuk pengaturan tegangan pemanas, yaitu dengan pengaturan tegangan secara kontrol sudut fasa. Kontrol secara sudut fasa memberikan range pengaturan tegangan yang lebih luas, sehingga dapat memberikan akurasi nilai keluaran yang dibutuhkan oleh sistem pengaturan, dengan demikian dimungkinkan untuk memperoleh tanggapan sistem yang lebih halus (amplitudo osilasi yang minimum). Karena itu dirancang Studi Pengaturan Daya Pemanas Secara Kontrol Fasa Pada Pengendalian Temperatur Alat Differential Thermal Analysis (DTA) (Heri Nugraha, dkk.)

3 penggunaan kontrol tegangan secara sudut fasa untuk pemanas pada sistem pengaturan temperatur. Sebagai penentu besarnya tegangan pemanas secara sudut fasa. Secara sederhana sistem control thrystor ditunjukan pada gambar 1 berikut ini: Gambar 1. Sistem control fasa thrystor Sistem control diuji pada posisi daya rendah (25%), setengah daya (50% dan 75%), dan daya penuh (100%). Pengaturan trigger dilakukan secara manual pada knot pengontrol. Hal ini dilakukan untuk melihat tanggapan yang terjadi pada beban, kemudian melihat karakteristik arus dan pengaruhnya terhadap pencapaian dari setting temperatur. PROSEDUR PERCOBAAN Sistem control beroperasi pada tegangan 220 volt dan frekuensi 50 Hz. Secara umum blok diagram rancangan alat adalah seperti yang ditunjukan pada gambar 2. Gambar 2. Blok diagram sistem control temperatur Gambar 3 menunjukan sistem control DTA secara keseluruhan dan sampai saat ini pengembangan sistem semiotomats pada mekanik DTA dilakukan untuk memudahkan penggunaan penyimpanan sampel dan menjaga sampel agar tetap pada posisi center.

4 Seminar Nasional Fisika 2013 ISSN Pusat Penelitian Fisika-LIPI Serpong, 4 September 2013 Gambar 3. Sistem Kontrol DTA Pengaturan tegangan AC dilakukan oleh blok pengontrol tegangan AC Thrystor (gambar 4). Prinsip pengaturan tegangannya adalah menggunakan prinsip kontrol fasa, yaitu besarnya tegangan AC ditentukan oleh pemicuan thrystor. Variabel keluaran dari proses yaitu temperatur akan diukur oleh sensor temperatur yang kemudian menghasilkan sinyal sebagai masukan umpan balik bagi kontroler pada saat present value (PV) lebih kecil nilainya daripada setting value (PV). Kontroler akan membandingkan sinyal umpan balik dari sensor temperatur, Kontroler akan terus mengolah sinyal masukan dan menghasilkan suatu nilai keluaran sehingga terbentuk suatu sistem loop tertutup. Secara keseluruhan sistem pengendalian temperatur pada Furnace dengan heater berupa lilitan nikelin (R=50Ω) yang dikendalikan oleh temperature controller dan kontrol Thrystor sebagai pengendali arus yang dialirkan ke lilitan. Digunakan hardware sebagai pembaca arus, dan software untuk monitoring Present Value (PV) dan Set Value (SV). Gambar 4. Koneksi external thrystor Studi Pengaturan Daya Pemanas Secara Kontrol Fasa Pada Pengendalian Temperatur Alat Differential Thermal Analysis (DTA) (Heri Nugraha, dkk.)

5 Didalam power regulator ini terdapat thrystor yang berfungsi untuk mengontrol keluaran tegangan terhadap heater, menerima respon tegangan dari thermocontrol dan meneruskan tegangan tersebut menjadi control terhadap heater. Untuk menggunakan control input dari thermokontrol arus DC 4-20mA digunakan koneksi terminal pin 4 dan 5, untuk control input tegangan DC 1-5V menggunakan koneksi ke terminal pin 3 dan 5. Gambar 5 a dan 5 b dibawah ini adalah panel control yang duji cobakan pada sistem DTA. Terdapat pengukuran arus, sistem start dan stop control, dan thermokontrol. 5a. Panel Kontrol 5b. Pemanas DTA Gambar 5. Sistem kontrol Pemanas Sistem control ini memiliki spesifikasi pengaman MCB 2 Ampere, bekerja pada sumber tegangan AC 220 Volt. Pada saat MCB ON dan saat push button ON maka Temperature Kontrol, Amperemeter dan SPC yang terdapat rangkaian Thrystor menyala bersamaan. Trigger Thrystor tidak akan menyala sampai setting temperatur dilakukan. Dilakukan perubahan pada knot pengontrol untuk setting kondisi daya rendah setengah daya dan daya penuh. Penerapan mode phase dilakukan dengan menyetel knot pengontrol Thrystor. Pada pengambilan data digunakan perbandingan phase mode setting output adjusment 25%, 50%, 75% dan 100% untuk tahanan lilitan R=50Ω. Pemilihan resistansi 50Ω mengacu pada spesifikasi tahanan lilitan yang digunakan pada furnace. Percobaan dilakukan dengan menaikan temperatur dari temperatur ruang ke set point I 500 C, lalu ditahan 5menit. Selanjutnya dinaikkan temperaturnya sampai set pointii 1000 C dan kembali ditahan sampai 5menit.

6 Seminar Nasional Fisika 2013 ISSN Pusat Penelitian Fisika-LIPI Serpong, 4 September 2013 HASIL DAN PEMBAHASAN Ketika Thrystor dihubungkan pada sumber tegangan AC, Thrystor dapat juga digunakan untu merubah atau mengatur jumlah daya yang diberikan pada beban. Pada dasarnya Thrystor melakukan fungsi yang sama seperti rheostat, tetapi Thrystor jauh lebih efisien. Gambar 6. Menunjukan penggunaan Thrystor untuk mengatur suplai daya pada heater dari sumber arus bolak balik (AC). Gambar 6. Sistem Kontrol Heater Rangkaian Trigger menghidupkan thrystor selama siklus AC. Pada penyetelan setengah daya dari knot kontrol, terjadi pulsa triger gerbang pada titik tengah dari setengah siklus positif. Rangkaian anoda dan katoda menghantarkan untuk sisa siklusyang mensuplai hanya setengah tegangan maksimum dan setengah arus beban. Jumlah thrystor menghantar selama tiap siklus setengah positif menentukan daya yang diberikan pada beban. Dalam kasus sistem kontrol, temperatur adalah variabel yang akan dikontrol, dan nilai inilah yang diinginkan sebagai output, kemudian input kontrol adalah output dari pemanas listrik (eletric heater). Besarnya kalor sebagai input kontrol selalu diatur dengan mengatur tegangan yang diberikan ke pemanas. Hasil monitoring arus, PV dan SV yang tercatat pada software diperoleh sebagai berikut : Pada lilitan 50Ω, mode:phase control, out adj:25%, V= 55 volt, diperoleh grafik sebagai berikut: Studi Pengaturan Daya Pemanas Secara Kontrol Fasa Pada Pengendalian Temperatur Alat Differential Thermal Analysis (DTA) (Heri Nugraha, dkk.)

7 arus (Ampere) Gambar 7 Grafik hubungan -arus untuk output adjusment 25% temperatur ( C) Gambar 8. Grafik PV-SV untuk output adjusment 25% Berdasarkan grafik diatas terlihat bahwa arus maksimal 0.84 Ampere. Nilai PV juga tidak mencapai set pointi 500 C dan hanya bertahan pada nilai 424 C lama 40 menit. Hal ini dikarenakan arus yang dialirkan ke lilitan kurang besar. Untuk mode:phase control, out adj:50%, V=110 volt, diperoleh grafik sebagai berikut:

8 Seminar Nasional Fisika 2013 ISSN Pusat Penelitian Fisika-LIPI Serpong, 4 September 2013 arus (Ampere) Gambar 9. Grafik hubungan -arus untuk output adjusment 50% temperatur ( C) Gambar 10. Grafik PV-SV untuk output adjusment 50% Berdasarkan grafik diatas terlihat bahwa arus maksimal 2.6 Ampere. Nilai PV mencapai set point I selama 40 menit dengan nilai overshot 502 C, kemudian temperatur kembali naik sampai set point II selama 1 jam 35 menit dari awal temperatur kamar 40 0 C, namun hanya mampu mencapai nilai : 995 C. Studi Pengaturan Daya Pemanas Secara Kontrol Fasa Pada Pengendalian Temperatur Alat Differential Thermal Analysis (DTA) (Heri Nugraha, dkk.)

9 Untuk, mode:phase control, out adj:75%, V = 165 volt, diperoleh grafik sebagai berikut: arus (Ampere) temperatur ( C) Gambar 11. Grafik hubungan -arus untuk output adjusment 75% Gambar 12. Grafik PV-SV untuk output adjusment 75% Untuk variasi out adj 75%, terlihat bahwa arus maksimal 4.2 Ampere. Nilai PV mencapai set pointi selama 40 menit dengan nilai overshot 501 C, kemudian temperatur kembali naik sampai 1000 C selama 1 jam 40 menit dengan tidak munculnya overshoot saat set pointii. Untuk, mode:phase control, out adj:100%, V = 220 volt, diperoleh grafik sebagai berikut:

10 Seminar Nasional Fisika 2013 ISSN Pusat Penelitian Fisika-LIPI Serpong, 4 September 2013 arus (Ampere) temperatur ( C) Gambar 13. Grafik hubungan -arus untuk output adjusment 100% Gambar 14. Grafik PV-SV untuk output adjusment 100% Untuk variasi out adj 100%, terlihat bahwa arus maksimal 4.6 Ampere. Nilai PV mencapai set pointi selama 40 menit dengan nilai overshot 502 C, kemudian temperatur kembali naik sampai set pointii selama 1 jam 40 menit dengan nilai max. overshoot 1005 C. KESIMPULAN Berdasarkan perancangan, pengujian dan analisa yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut. 1. Pada perancangan alat, menunjukkan bahwa penggunaan pengatur tegangan pemanas secara kontrol sudut fasa memberikan cakupan nilai pengaturan tegangan yang cukup besar, sehingga memudahkan dalam menentukan besarnya keluaran dari pengendali. Studi Pengaturan Daya Pemanas Secara Kontrol Fasa Pada Pengendalian Temperatur Alat Differential Thermal Analysis (DTA) (Heri Nugraha, dkk.)

11 2. Sistem pengaturan temperatur yang dirancang dapat bekerja dengan baik, yaitu secara umum diperoleh respon sistem dengan amplitudo osilasi yang rendah. 3. Dari hasil pengambilan data yang telah dilakukan, terlihat bahwa pada mode phase control. Arus yang diberikan bergantung pada nilai out adj. yang disetel. Nilai arus yang dihasilkan merupakan hasil kali nilai setelan adjusment dikali nilai resistansi. Misalkan untuk nilai setelan adjusment 100%, arus maksimal yang mampu dihasilkan adalah (100% x 220V): 50Ω = 4.4 Ampere. Namun pada hasil percobaan nilai arus maksimal yang tercatat adalah 4.6 Ampere. Selisih nilai ini disebabkan dari inputan tegangan dari PLN yang fluktuatif.. Disamping itu, meskipun overshot masih tidak dapat dihindari namun nilai yang dihasilkan lebih kecil daripada mode on/off. Bahkan pada nilai nilai setelan output adjusment 75%, tidak terjadi overshot dimana nilai PV sama dengan SV pada nilai set point pada temperatur 1000 C. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia yang telah membiayai penelitian ini melalui Program Kompetitif Material Maju dan Nano Teknologi pada Kegiatan Pengembangan Instrumen Differential Thermal Analisis Material Maju dan Nano Material dengan Peneliti Utama Dr. Agus Sukarto Wismogroho. DAFTAR PUSTAKA [1] D.Petruzella, Frank Elektronik Industri. Yogyakarta : Andi Publisher. [2] Budiharto,Widodo. Sigit Firmansyah Elektronika digital dan Mikroprosessor. Yogyakarta : Andi Publisher. [3] Budiharto, Widodo Interfacing Komputer dan Mikrokontroller. Jakarta : PT.Elex Media Komputindo. [4] Surya, Hasan Bahan Ajar Elektronika Daya. Bandung : Politeknik Negeri Bandung. [5] Autonics Manual. diakses 1 Agustus [6] Bambang Herlambang, Djuhana. Rancang bangun sistem pengamatan temperatur air berbasis PC untuk pengukuran nilai air calorimeter suatu prototype calorimeter bahan bakar. Volume 28 No.2 Juli Desember 2004 [7] Enny Purwanti, Fitriyanti. Rancang bangun sistem control dengan menggunakan termokopel tipe K yang dilengkapi remote indicator. Jurnal ilmiah Universitas Batanghari vol.9 No.1 Februari.2009.