PERANCANGAN MODUL ANTAR MUKA UNTUK DATA LOGGER ANALISA UNSUR DENGAN TEKNIK XRF UNTUK INDUSTRI MENGGUNAKAN PORT USB

Transkripsi

1 PERANCANGAN MODUL ANTAR MUKA UNTUK DATA LOGGER ANALISA UNSUR DENGAN TEKNIK XRF UNTUK INDUSTRI MENGGUNAKAN PORT USB Ikhsan Shobari, Wahyuni Z Imran, Rony Djokorayono Pusat Rekayasa Fasilitas Nuklir BATAN, Gd 71, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan Banten. ishobary@batan.go.id ABSTRAK PERANCANGAN MODUL ANTAR MUKA UNTUK DATA LOGGER ANALISA UNSUR DENGAN TEKNIK XRF UNTUK INDUSTRI MENGGUNAKAN PORT USB. Pengukuran gramatur kertas (basis weight), kelembaban (moisture), dan kadar abu (ash content) secara on-line diperlukan untuk menjamin kualitas produksi di industri kertas. Analisa unsur dengan teknik XRF (X-Ray Fluorescence) dapat diaplikasikan untuk melakukan pengukuran unsur terutama yang mempengaruhi kadar abu. Pengukuran secara on-line dengan komputer proses dan dedicated computer dapat menghemat waktu dan mengoptimalkan pemakaian aditif. Komputer proses berfungsi sebagai data logger dan antar muka antar operator dengan mesin. Data hasil pembacaan sensor dikirim dari detektor dengan standar arus. Sinyal dikonversi menjadi nilai digital, dan dilakukan perhitungan di modul dedicated computer. Data selanjutnya dikirim ke komputer secara serial melalui port USB. Hasil rancangan telah diuji dengan nilai penyimpangan terbesar 3,21 % dan nilai penyimpangan terkecil 0,59 %. Kata kunci: data_logger, XRF_industri, USB_port ABSTRACT DESIGNING A DATA LOGGER ON ANALYSIS OF THE ELEMENTS WITH XRF TECHNIQUES FOR THE INDUSTRY USING USB PORT. The measurement of gramatur paper ( base weight ), moisture, and ash content in online, are needed to ensure the quality of production in the industry paper. Analysis of the elements with XRF (X-Ray Fluorescence) technique can be applied for measurements of elements affecting especially the levels of ashes. Measurement by online method using the computer processes and dedicated computer can save time and optimize the use of additives. Computer process serves as a data logger and the interface between machine and operator. The reading of the data are sent from a r detector with the standard current 4-20 ma. A signal is converted into digital format, and performed calculations in module dedicated computer. The data is then sent to a computer through a serial USB port. The design has been tested and the largest deviation is 3,21 % and the smallest is 0.59 %. Key words: data_logger, XRF_industri, USB_port PENDAHULUAN Pemakaian kertas untuk kegiatan seharihari saat ini masih belum dapat ditinggalkan. Masyarakat kita masih mengandalkan untuk kegiatan dokumentasi, sarana belajar, administrasi perkantoran, advertaising, media, dan lainnya masih memanfaatkan kertas. Ukuran kertas biasanya dijadikan sebagai varian dari identitas kertas, misalnya kertas HVS 70 gr, 80 gr, atau 100 gr. Jenis kertas HVS, kalkir, buram atau kertas koran sangat dipengaruhi oleh bahan dan komposisi proses produksi. Jaminan kualitas produksi kertas sangat mempengaruhi akan keekonomian suatu produk kertas yang dihasilkan [1]. Produsen berusaha secara ketat melakukan berbagai inovasi agar produk kertas yang dihasilkan 52

2 memiliki kualitas dan sesuai standar produksi. Salah satu upaya yang dilakukan adalah melakukan automatisasi proses roduksi dengan mengendalikan gramatur (basis weight), kelembaban kertas (moisture), dan kadar abu (conten Ash) secara on-line. Produsen kertas meningkatkan kualitas kertas dengan menambahan aditif tertentu untuk mendapatkan kualitas yang baik. Aditif organic atau pigmen digunakan untuk meningkatkan printability dan opasitas di industri kertas. Penambahan filler (pengisi) dan pelapis pigmen harus dikendalikan secara ketat selama pabrik kertas berproduksi agar kualitasnya baik dan seragam serta ekonomis. Salah satu teknik yang bisa digunakan untuk melakukan pengendalian produk kertas adalah dengan menggunakan teknik XRF (xray flourecence) yang dilengkapi komputer. Cara ini digunakan untuk mengendalikan clay, TiO 2 secara optimal serta memantau secara selektip lembaran kertas dengan mengukur variable kadar abu dan opasitas secara on-line. Kertas halus atau kertas karton (board) sering menggunakan aditif filler clay (tanah liat) dan opacifier TiO 2, digunakan untuk menghasilkan kertas dengan permukaan yang halus, tetapi mudah patah. Penambahan aditif CaCO 3, dapat menambah liat sehingga kertas tidak mudah patah dan sobek. Penambahan harus dilakukan secara tepat dan dengan optimasi dari komposisi furnish di antaranya clay, TiO 2 dan CaCO 3. Jika dikombinasi dengan pengukuran opasitas maka akan mengoptimasi secara lengkap terhadap pengukuran kadar abu, kadar TiO 2 dan opasitas[2]. Saat ini sebagian besar pabrik kertas memantau Total aditif organik dengan metoda sampling (disobek). Metoda ini tidak cocok digunakan untuk pengendalian proses yang efektif karena tidak cepat dan tidak memberikan pengukuran komponen aditif yang tepat. Analisa rinci menggunakan matoda analisa kimia basah atau dengan aktivasi neutron, akan memerlukan sampel yang volumenya cukup besar, sehingga tidak layak digunakan di pabrik kertas[1]. Pengukuran parameter yang mempengaruhi kualitas produksi kertas saat ini dapat dilakukan secara otomatis dan on-line. perkembangan teknologi komunikasi dan sensor memungkinkan parameter gramatur, moisture, aditif TiO 2 dan CaCO 3 dapat dilakukan pengukuran secara tepat dan cepat. Pemanfaatan komputer untuk melakukan proses perhitungan dan menampung data pengukuran yang besar diperlukan. Komputer proses dapat difungsikan selain sebagai terminal data akan dapat difungsikan sebagai pengendali proses.[3] Komunikasi pengiriman data dari sensor dan antar muka komputer dapat dilakukan dengan berbagai cara. Serial komunikasi dengan menggunakan kabel saat ini sudah digunakan yaitu dengan menggunakan komunikasi memanfaatkan port serial RS 232 pada PC. Aplikasi program tampilan data logger dijalankan pada sistem operasi DOS versi Kelemahan dari sistem ini, perlu konverter RS 232 ke USB port dan peragkat keras komputer untuk saat ini sudah tidak mendukung. Saat ini personal komputer bahkan laptop sudah menghilangkan port komunikasi RS232, sebagai gantinya dengan menggunakan port serial USB [3][4]. Pada makalah ini disampaikan rancangan penggunaan komunikasi serial dengan USB yang digunakan untuk komunikasi data dari antar muka komputer ke komputer proses. Program aplikasi data logger dapat dijalankan pada sistem operasi Microsoft Windows Seven. Selanjutnya pada makalah ini modul antar muka disebut sebagai dedicated computer. DASAR TEORI DAN METODOLOGI Poly-Ash adalah dua sisi pengukuran dari TiO 2 dan CaCO 3 yang selektif dengan menggunakan metoda flourescence x-ray dan pengukuran total Ash dengan metoda serapan transmisi x-ray. Gambar 1. Menjelaskan prinsip pengukuran total Ash dengan metoda serapan transmisi x-ray. Sebuah sumber radioisotop x-ray Fe-55 digunakan untuk meradiasi lembaran kertas. Pemakaian sumber radioaktif Fe55 sebagai sumber x-ray karena untuk mengurangi biaya atau kegiatan pemeliharaan dan masalah kesetabilan. Berkas x-ray flourescence yang terpantul (backscater) dari lembaran kertas dideteksi oleh proporsional counter, dan serapan radiasi lembaran kertas diseberangnya diukur oleh detektor ionisasation chamber. Penggunaan energi x-ray flourescence dengan pemilah spektrum yang selektif yang diaplikasikan untuk menentukan konsentrasi unsur didalam suatu material atau bahan telah diterima oleh kalangan industri secara luas. Primer foton dari sumber radioisotop penghasil x-ray, digunakan 53

3 untuk meradiasi lembaran kertas sehingga memindahkan elektron dari kulit K orbital didalam unsur titanium dan kalsium, akibatnya terjadi kekosongan sesaat atau distorsi didalam struktur elektron atom tersebut. Kekosongan ini secara cepat diisi oleh elektron kulit terluar, pada saat perpindahan elektron akan memancarkan x-ray florescence, energi x-ray ini memiliki karakteristik dengan ikatan elektron secara spesifik untuk masing - masing unsur.[2] sebagai PWM dengan resolusi 8 bit. Memory flash 512 KB, dan SRAM 96 KB. Antar muka bahasa yang digunakan untuk melakukan pemrograman menggunakan Arduino IDE Sketch versi 1.65 yang berbasis C. Detektor x-rays Gross Counter Plastic Scintilation Kertas Uji Berkas x-rays primer Berkas x-rays fluorescent Detektor x-rays Gross Counter Plastic Scintilation Berkas x-rays primer Detektor x-rays energi sensitif Sumber radioaktif Fe 55, 100 mci Kertas Uji Berkas x-rays fluorescent Discriminator TiO2 Discriminator CaCO3 Pulse Shaping & Comparator Microcontroller Counter To current Converter Microcontroller Counter To current Converter Microcontroller Counter To current Converter Detektor x-rays energi sensitif Sumber radioaktif Fe 55, 100 mci Gambar. 1. Prinsip pengukuran total Ash dengan metoda serapan transmisi x-ray.[2] Atom titanium memancarkan flourescence x-ray dengan energi 4,5 kev, kalsium memancarkan flourescence x-ray dengan energi 3,69 kev, merupakan salah satu contoh. Jumlah cacahan (counting) atau intensitas x-ray flourescence setiap unsur menunjukan konsentrasi unsur yang terdapat didalam material atau senyawa lembaran kertas uji. RANCANGAN SISTEM Sistem pada perekayasaan perangkat analisa unsur dengan teknik XRF untuk industri, terdiri dari tiga bagian utama. Gambar 2. menjelaskan blok diagram sistem secara keseluruhan, dan Gambar 3 menjelaskan blok diagram dedicated computer proses. Dedicated computer ini merupakan antar muka antara sistem data logger dengan komputer proses. Pada makalah ini disampaikan pembahasan rancangan dedicated computer dengan data logger dan komunikasinya. Komponen utama dedicated computer yaitu mikroprosesor ATMEL berbasis ARM, SAM3X8BE. Microprosesor ini memiliki analog input sampai 12 kanal, 32 bit, 2 kanal analog output 12 bit. Digital input dan output sebanyak 54 kanal dan dengan 12 kanal dapat difungsikan Dedicated Computer Proces Basis Weight Moisture % TiO2 % CaCO3 % Clay Total Ash Gambar. 2. Blok diagram perangkat analisa unsur dengan teknik XRF untuk industri[2] Modul dedicated computer dilengkapi dengan modul catu daya 12 V dan 5 V yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan catu daya sistem. Terdapat panel layar LCD 4 baris 20 karakter untuk menampilkan informasi nilai parameter yang terbaca. Data dari mikrokontroler ditampilkan ke layar LCD dengan komunikasi I2C. Modul konversi dari arus ke tegangan berfungsi untuk merubah besaran arus dari sinyal detektor standar 4 20 ma, menjadi 0 3 V. Keluaran dari modul ini berupa tegangan antara 0 3 volt sebagai masukan sub modul mikrokontroler. Nilai tegangan akan dikonversi sebagai nilai digital dan dilakukan perhitungan sesuai degan parameter kalibrasi yang telah diuji cobakan. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sistem ini berupa toolset elektronik, Digital Multimeter Fluke 117, kalibrator Hioki 7016 Signal source. Peralatan penunjang untuk pembuatan program berupa software perangkat lunak Sketch versi 1.65, untuk pembuatan program mikrokontrolernya, dan program aplikasi tampilan dibuat dengan C#.NET Microsoft Visual Studio

4 Comunity. Komputer dengan sistem operasi Microsoft Window Seven Home Premium SEA, dengan product key MKGP2-HF3WD- KCMGY-KVQP8-CYYBH, difungsikan untuk pembuatan program dan sebagai komputer proses. Dedicated Computer Proces proses secara serial melalui port USB. Gambar 4, menunjukan langkah akuisi pembacaan data dari sensor untuk selanjutnya dikirim ke komputer proses. mulai Terima data Komunikasi I2C Sub Penampil LCD 4 x 20 Kirim data ke komputer proses USB Port Mikrokontroller ADC Bit Tampilkan data Komputer Proses Simpan data Basis Weight Moisture TiO2 CaCO3 Clay dll, maks 12 kanal Antar muka data input Konverter arus ke tegangan ( ke 0 3 V) Catu Daya AC 220V/50 Hz Selesai Gambar. 4. Flowchart terima data, kirimkan data, dan tampilkan data pada komputer informasi dari modul dedicated computer Gambar. 3. Blok diagram Dedicated Computer Bahan utama yang digunakan dalam pembuatan modul dedicated computer process adalah modul Arduino Due, modul catu daya tegangan rendah 5 dan 12 volt, modul LCD 4 x 20, modul komunikasi I2C. Capasitor dan Resistor digunakan untuk melakukan konversi arus menjadi tegangan 0 3 V. Projectboard sebagai media pembuatan prototipe uji coba modul. Langkah kerja yang dilakukan dalam perancangan ini adalah melakukan studi literatur terutama cara kerja dari sistem instrumentasi basisa weigh dan moisture di pabrik kertas. Melakukan rancangan sistem keseluruhan. Prototiping, yaitu melakukan penyusunan perangkat keras, dengan LCD 4 x 20, modul komunikasi I2C, dan modul konversi arus ke tegangan. Pembuatan software di perangkat keras untuk akuisisi dan data logger ke komputer proses. Selanjutnya adalah pembuatan aplikasi program tampilan di komputer proses. Perangkat lunak yang digunakan untuk memprogram adalah Sketch versi Perangkat lunak ini di upload ke modul mikrokontroler ARM, SAM3X8BE untuk selanjutnya modul akan menangani perintah untuk melakukan pembacaan sinyal arus yang dirubah ke tegangan. Data dikirim ke komputer Program aplikasi Sketch digunakan untuk membuat program mikrokontroler yang digunakan untuk menerima data dan mengirimkan ke komputer proses melalui port USB. Penggalan list programnya adalah sebagai berikut : //tampil dan format data logger : Serial.print ("xaa"); Serial.println (tio/1000); Serial.print ("b"); Serial.println (caco/1000); Serial.print ("c"); Serial.println (clay); Serial.print ("d"); Serial.println (basis_weight); Serial.print ("e"); Serial.println (moisture); Serial.print ("f"); Serial.println (ch_05); Serial.print ("g"); Serial.println (ch_06); Serial.print ("h"); Serial.println (ch_07); // Program aplikasi tampilan dan data logger di komputer proses dibuat terakhir, setelah prototiping di projectboard selesai dan diintegrasi dengan program akuisisi dan komunikasi data di mikrokontroler-nya. Program aplikasi yang dirancang akan menampilkan parameter yang diukur dalam bentuk digital, menampilkan dalam bentuk trend grafik, dan menyimpan dalam bentuk file dengan format *.CSV. Program aplikasi menampilkan tampilan digital (mvolt) dan 55

5 untuk dapat menampilkan dalam bentuk besaran yang sebenarnya harus dilakukan kalibrasi. Kalibrasi dilakukan dengan membandingkan terhadap obyek ukur standar atau dengan membandingkan dengan sistem alat lain. Nilai persamaan kalibrasi dapat langsung dimasukkan ke dalam program aplikasi. Proses yang terakhir adalah melakukan pengujian, yaitu membandingkan hasil bacaan dengan nilai yang sebenarnya. Cara ini dilakukan dengan melakukan injeksi arus dengan menggunakan kalibrator Signal source. Perangkat Dedicated Computer diinjeksi dengan arus standar 4 sampai 20 ma, dan di baca hasilnya pada layar tampilan di LCD dan di komputer proses. Pengujian dilakukan untuk setiap kanal analog input yang gunakan. Penggalan list program untuk data logger-nya adalah sebagai berikut : private void periodicsave(object sender, EventArgs e) try string pathfile Data Monitor\"; string filename = txtstarttime.text + ".csv"; if (startf == 1) System.IO.File.AppendAllText(pa thfile + filename, "XRF Data Logger Demo Version\r\n"); System.IO.File.AppendAllText(pa thfile + filename, "For technical support contact: ishobary@gmail.com\r\n\r\n"); System.IO.File.AppendAllText(pa thfile + filename, "TIME;WEIGHT (Kg);SPEED (mps);flow RATE (Kgps);TOTAL WEIGHT (Ton)\r\n"); //System.IO.File.AppendAllText( pathfile + filename, "Time; Ch1; Ch2; Ch3; Ch4; Ch5; Ch6; Ch7; Ch8\r\n"); startf = 2; System.IO.File.AppendAllText(pathfil e + filename, txttofile.text); catch (Exception ex3) MessageBox.Show(ex3.Message, "File Saving Error"); HASIL DAN PEMBAHASAN Data hasil pengujian ditampilkan seperti pada Tabel 1. Data diambil dengan melakukan injeksi arus menggunakan signal source untuk setiap kanal. Gambar 5 menampilkan skema penggujian dengan menggunakan signal source. Arus injeksi dibuat bervariasi dari 4 ma sampai dengan 20 ma, dengan kenaikan setiap 1 ma. Hasil pembacaan dibandingkan dengan nilai tampilan pada signal source, selanjutnya dilakukan perhitungan. Perhitungan kesalahan pembacaan adalah dengan menggunakan persamaan : Dengan KR merupakan kesalahan relatif, PS adalah hasil pembacaan sistem, dan PP merupakan hasil pembacaan pada kalibrator signal source, atau dari hasil perhitungan. Hasil perhitungan ditampilkan seperti pada Tabel 3, untuk masing masing kanal dan rerata kesalahan relatif masing-masing kanal, diperhitungkan dari variasi injeksi masukan arus signal source. Data hasil pembacaan dapat menggunakan file data yang tersimpan (data logger) dari hasil pengujian. File data logger dapat dibuka dengan menggunakan program aplikasi Microsoft Office Excel, yang selanjutnya dilakukan perhitungan prosentase kesalahan relatif untuk masing-masing kanal. Arus (ma) Tabel. 1. Data hasil pengukuran Kanal ADC Terbaca (mv)

6 Gambar. 5. Pengujian perangkat keras dedicated computer diinjeksi arus, dengan kalibrator Signal source dengan kesalahan relatif paling besar pada port A1, sebesar 3,21 % dan kesalahan paling kecil pada port A7 dengan penyimpangan sebesar 0,59 %. Kesalahan dapat terjadi pada pemakaian komponen resistor yang digunakan untuk mengkonversi sinyal arus menjadi sinyal tegangan 0 3 V DC. Perbaikan dapat dilakukan dengan menggunakan komponen resistor yang lebih presisi dan dikoreksi terhadap nilai hasil perhitungan pemakaian komponen resistor. Tabel. 2. Data hasil pengukuran Arus (ma) Prosentase kesalahan setiap Kanal ADC (%) ,67 3,00 2,33 2,00 1,50 0,17 0,17 3,50 5 0,80 4,00 1,87 2,40 0,13 1,47 0,13 0,67 6 0,56 5,56 2,00 1,78 1,33 1,33 0,22 0,22 7 0,86 2,76 2,10 2,29 1,24 1,81 3,43 0,57 8 1,00 4,58 2,00 2,17 1,50 1,83 1,33 0,17 9 0,37 3,56 2,74 1,33 0,81 1,33 0,15 0, ,33 4,67 2,07 1,93 0,13 1,87 1,27 0, ,76 2,79 2,36 1,33 0,24 1,76 1,39 0, ,67 3,22 2,56 0,78 1,22 2,44 1,22 0, ,90 4,21 2,51 2,36 0,36 1,44 1,33 0, ,67 3,14 1,05 1,33 1,62 0,86 1,38 0, ,27 2,98 1,11 1,73 0,67 1,56 1,20 0, ,13 2,25 2,42 0,92 0,25 1,54 0,92 0, ,71 2,27 2,39 0,55 0,47 1,45 0,55 0, ,26 1,19 1,63 1,81 0,41 0,96 0,96 1, ,88 3,02 2,35 0,67 1,02 1,68 0,63 0, ,83 1,47 2,17 2,13 0,43 1,57 0,63 0,30 rerata 1,04 3,21 2,10 1,62 0,78 1,47 1,00 0,59 Gambar. 6. Screen capture tampilan data logger pada komputer proses Hasil rancangan dedicated computer dalam prototiping projectboard ditampilkan seperti pada Gambar 7. Gambar 8 menampilkan skematik rancangan yang direalisasikan pada gambar 7. Perbaikan realisasi rancangan dapat dilakukan dengan mengganti projectboard dengan konektor terminal. Penempatan modul dalam suatu subrack atau kotak elektronik dan disatukan dengan modul catu daya akan menjadikan modul lebih ringkas dan sederhana. Gambar 6. menampilkan screen capture program aplikasi data logger yang dibuat dengan menggunakan program C# pada Microsoft Visual Studio 2013 Community. Program aplikasi secara otomatis merekam dan menyimpan data dari masing-masing kanal. Program aplikasi menampilkan trend grafik, dan nilai tampilan untuk masing-masing kanan, direktory file disimpan, tanggal dan jam. Setting komunikasi port serial dipilih sesuai port yang aktif. Seperti Tabel 2, hasil kesalahan relatif pembacaan untuk masing-masing port analog input rerata kesalahannya di bawah 5 %, Gambar. 7. Rancangan Hardware Dedicated Computer yang terintegrasi 57

7 Signal Source Basis Weight Moisture TiO2 CaCO3 Clay USB Port dll, maks 12 kanal A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 5 V SDA Mikrokontroller AT91-SAM3X8E Komunikasi I2C SCL gnd gnd 5 V 12 V VSS VDD V0 RS R/W Enable Data bus Sub Penampil LCD 4 x 20 Catu Daya 5 V, 12 V Gambar. 8. Skematik Rancangan Hardware Dedicated Computer yang terintegrasi KESIMPULAN Dari hasil pengujian dan pembahasan dapat disimpulkan sistem yang dirancang berhasil mengirimkan data dengan komunikasi kabel USB antara modul dedicated computer dengan komputer proses. Tampilan sistem dapat menyimpan file data pengukuran dengan format *.CSV. Tampilan dapat dikembangkan agar lebih informatif dan user frienly. Dalam pengujian modul dedicated computer dan komputer proses sebagai data logger dapat berfungsi dengan baik. Penyimpangan pengukuran saat dilakukan pengujian paling tinggi sebesar 3,21 % dan terendah 0,59 %. TANYA JAWAB Pertanyaan 1. Indikator apa yang digunakan untuk teknik kalibrasi kertas? 2. Bagaimana teknik XRF pada pengukuran kertas? Jawaban 1. Teknik kalibrasi dilakukan dengan kertas standar, atau dapat dibandingkan dengan hasil pengukuran laboratorium terakreditasi. 2. Alat XRF menggunakan sumber Fe-55. Spektrum dari X-ray karakteristik yang menampilkan unsur TiO, CaCO 3, dan clay. DAFTAR PUSTAKA 1. Rony Djokorayono, On-line ash analyzer reduces furnish cost, improves additive control) On line ash analyzer mengurangi biaya furnish, dengan mengendalikan material additive makalah tidak terbit. 2. Rony Djokorayono, Program Manual Perekayasaan Perangkat Analisa unsur dengan Teknik XRF untuk Industri No.Dok: PM01-WP0-WBS0-RFN , PRFN BATAN, Tahun Rony Djokorayono, dkk Rancangan dasar on-line Analyzer Batubara pada Belt Conveyor dengan Teknik Aktivasi Neutron Jurnal Perangkat Nuklir Volume 08, Nomor 01, Juni 2014, ISSN No Rony Djokorayono, dkk Perekayasaan Sistem Pencitraan Material di dalam Reaktor Petrokimia dengan Teknik Serapan Sinar Gamma Jurnal Perangkat Nuklir Volume 07, Nomor 01, Juni 2013, ISSN No