Desain Sensor Getaran Frekuensi Rendah Berbasis Fluxgate

Transkripsi

1 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : Desain Sensr Getaran Frekuensi Rendah Berbasis Fluxgate 1 Yulkifli, 1 Hufri, Mitra Djamal, 3 Rahmndia Nanda Setiadi 1 KK Fisika Instrumentasi,Prdi Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Padang Jl. Prf Dr. Hamka Kampus UNP Air tawar Padang 5131, Telp. (0751)5160 KK FTETI, Prdi Fisika, FMIPA, Institut Teknlgi Bandung Jl. Ganesa N. 10 Bandung 3 KK Fisika Instrumentasi, FMIPA, Universitas Riau Jl. HR Subrantas km 1,5 Pekanbaru, Riau 893 Indnesia yulkifliamir@yah.cm Abstrak Makalah ini menjelaskan kemampuan fluxgate untuk mengukur getaran dalam rentang frekuensi rendah. Getaran diukur berdasarkan perubahan medan magnet luar terjadi karena adanya perubahan jarak antara prbe sensr fluxgate dengan bjek yang bergetar. Berdasarkan prinsip harmnisa kedua untuk fluxgate, besarnya intensitas medan magnet luar yang terukur sebanding tegangan keluaran sensr dan berbanding terbalik dengan jarak. Optimasi statik terhadap jarak maksimum (amplitud) antara prbe fluxgate dengan bjek bergetar diperleh ketika jarak cm. Sebagai sumber getaran digunakan peralatan mekanik frekuensi rendahmekanik yang dikembangkan leh KK FTETI di Labr Elektrnika dan Instrumentasi Fisika ITB. Berdasarkan pengukuran terhadap getaran frekuensi rendah, Fluxgate mampu mendeteksi frekuensi 0.14 sampai 1.15 Hz dengan kesalahan abslut Hz dan kesalahan relatif 1.3 %. Keywrd: Desain, sensr, Getaran, frekuensi rendah, fluxgate. 1 Pendahuluan Getaran adalah gejala mekanika dinamik yang mencakup peride gerak silatr di sekitar psisi referensi atau berupa gerakan blak-balik yang digambarkan sebagai amplitud atau simpangan terjauh dari titik setimbang. Getaran atau vibrasi adalah salah satu aspek pengperasian yang sangat diperhatikan pada mesin-mesin industri. Amplitud dan frekuensi vibrasi yang tinggi dapat mengakibatkan kerusakan mesin [1]. Kndisi ini selain membutuhkan waktu perbaikan cukup lama dan biaya yang mahal, juga mengakibatkan kerugian karena mesin tidak berperasi. Mesin-mesin industri vital memerlukan instrumen pengukuran amplitud dan laju perubahan yang mampu memperingatkan peratr mesin untuk mencegah pengperasian mesin pada daerah kerja yang tidak aman serta dapat menghentikan perasi mesin bila daerah kerja aman terlewati []. Untuk mendeteksi getaran suatu bjek dengan memanfaatkan infrmasi getaran diperlukan sensr getaran dengan reslusi tinggi [3]. Untuk mendeteksi getaran dikembangkan berbagai alat berupa sensr getaran. Terdapat banyak metde atau teknik yang dipakai untuk mendeteksi getaran, misalnya dengan teknik perubahan kapasitansi, perubahan muatan listrik dari material piezelectric atau perubahan psisi dalam Linear Variable Displacement Transfrmer (LVDT), menggunakan laser, dan lain-lain [1]. Sensr-sensr tersebut biasanya harus 1

2 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : ditempelkan ke bjek yang akan diamati getarannya, tetapi sensr fluxgate tidak perlu kntak dengan bjek yang diamatinya. Alat ukur getaran frekuensi rendah saat ini sangat dibutuhkan, seperti deteksi getaran bendungan, jembatan, bangunan dan gempa. Berdasarkan pengembangan fluxgate dan aplikasi, fluxgate mampu mengukur perubahan medan magnet dan jarak dalam rde yang sangat kecil [4-7]. Selain itu kami juga telah berhasil mengembangkan aplikasi fluxgate untuk mengukur arus dc [8], getaran frekuensi tinggi [9-11], kecepatan sudut [1] dan alat ukur muai panjang [13]. Berdasarkan hasil-hasil ini, dikembangkan aplikasi lain dari fluxgate yaitu sebagai alat ukur getaran frekuensi rendah. Permasalahan yang muncul di lapangan adalah tidak tersedianya peralatan kalibrasi yang dapat bekerja pada frekuensi rendah. Rata-rata Exciter hanya mampu bekerja di atas 0 Hz, sedangkan kebutuhan di lapangan untuk frekuensi rendah seperti getaran gempa dan bangunan adalah di bawah 10 Hz. Fluxgate Sebagai Sensr Getaran Salah satu cara kerja sensr getaran adalah berdasarkan perubahan psisi dari suatu bjek, bjek yang bergerak dapat dideteksi dengan perubahan medan magnet yang terjadi padanya. Perubahan medan magnet pada sensr magnet akibat berubahnya psisi dapat dimanfaatkan untuk mendeteksi suatu benda yang sedang bergetar. Fluxgate sebagai sensr mempunyai knsep perubahan medan magnet suatu bjek. Berdasarkan kesamaan knsep ini, maka Fluxgate dapat dijadikan sebagai sensr getaran [14-16]. Sensr fluxgate bekerja dengan cara membangkitkan medan magnet untuk dirinya sendiri sebagai medan magnet acuan, jika terdapat bahan magnet yang bergetar pada psisi x maka sensr akan mendeteksi perubahan psisi (x) dari getaran tersebut melalui perubahan acuan medan magnetik pada intinya [16]. Perubahan psisi (x) dari benda yang bergetar terhadap sensr disebut dengan simpangan, simpangan maksimum disebut dengan amplitud (A). Untuk meninjau knsep mekanik sebuah benda bergetar dimdelkan seperti Gambar 1. Gambar 1: Mdel Makanik Sensr Getaran (a) dan Diagram bebas dari massa (b) [17]. Sebuah benda dengan beban bermassa M terikat pada sebuah pegas dengan knstanta pegas k dan massa yang bergerak diredam leh peredam dengan kefisien redaman b seperti Gambar (A). Beban bisa bergeser sejauh x dari titik setimbang

3 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : terhadap sensr dengan arah hrizntal. Selama bergerak percepatan beban M bergetar sebesar d x dt, dan sinyal keluaran sebanding dengan defleksi x0 dari beban M. Berdasarkan tinjauan diagram bebas masaa M seperti Gambar (B) dan menerapkan Hukum kedua Newtn [18], memberikan : Mf dx kx b dt, (1) dengan f adalah percepatan dari massa relatif dari bumi dan diberikan leh : f d x d y () dt dt Dengan mensubsitusi persaman 1 ke didapatkan : M d x dx d y b kx M (3) dt dt dt Persamaan di atas merupakan persamaan diffrensial rde dua yang mana artinya keluaran percepatan sinyal merupakan bentuk silasi. Untuk menyelesaikan persamaan (3) di atas digunakan Transfrmasi Laplace [19]. Berdasarkan Transfrmasi Laplace didapatkan : Ms X ( bsx ( dx dt kx ( MA( = (4) dimana X ( dan A ( adalah Transfrmasi Laplace dari x(t) persamaan (4) untuk X ( adalah : dan d y dt. Slusi MA( X ( (5) Ms bs k dengan mendefinisikan variabel dapat ditulis : k M dan b M X ( s, persamaan (5) A( s 0 (6) Nilai mempresentasikan frekuensi anguler alami percepatan dan kefisien 1 G( s, maka persamaan (6) nrmalisasi redaman. Misalkan s 3

4 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : dapat dituliskan menjadi : ( G( A( peratr inverse transfrmasi Laplace sebagai : X, slusi dapat diungkapkan dalam bentuk 1 X ( L { G( A( } (7) Dengan menggunakan terema knvlusi transfrmasi Laplace dapat ditulis: t x( t) g( t ) a( ) d 0 (8) dimana a adalah impulse bergantung pada percepatan dan g(t) adalah inverse transfrm L 1 { G( }. Jika diambil mempunyai dua slusi, yaitu : Slusi I, untuk underdamped mde ( 1) : 1, maka persamaan di atas t 1 ( t ) x( t) e sin( t ) a( t) d 0 (9) Slusi II, untuk verdamped mde ( 1) : t 1 ( t ) x( t) e sinh ( t ) a( t) d 0 (10) dengan 1 Persamaan (10) menunjukkan bahwa perubahan jarak atau simpangan benda bersilasi bergantung pada waktu t. Perubahan psisi atau jarak antara beban M (target) dengan sensr akan menyebabkan perubahan intensitas medan magnet yang diterima leh sensr. Prinsip kerja pengukuran getaran berdasarkan perubahan psisi ini telihat pada Gambar. Gambar. Prinsip Kerja Fluxgate Sebagai Sensr Getaran [9]. Objek yang bergetar (target) dipilih yang bersifat magnetik. Material magnetik dapat berasal dari magnet permanen atau material ferrmagnetik. Material magnetik ditempatkan pada bjek yang akan diukur getaranya. Jika bjek bergerak mendekati 4

5 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : atau menjauhi detektr, maka medan magnetik disekitar titik setimbang akan mengalami perubahan, perubahan ini disebut fluk magnetik (Φ). Perubahan fluk magnetik bergantung pada psisi sensr terhadap bjek. Jika da adalah elemen vektr dan B adalah elemen vektr, maka fluk magnetik yang keluar dari permukaan medan adalah: B da (11) Jika medan magnetik material adalah B, maka medan magnetik yang dideteksi leh sensr pada jarak r adalah: Penurunan medan magnetik sebanding dengan 1/x [5]. B B r (1) x 3 Metdlgi Untuk mengatasi permasalahan kalibratr frekuensi rendah telah didesain peralatan seperti Gambar 3, kalibratr ini dapat menjadi sumber penggetar dengan frekuensi rendah. Gambar 3. Desain sistem mekanik (a) dan ft peralatan pengukuran frekuensi rendah (b). [0] Mekanik sumber penggetar ini terdiri dari sumbu penggetar yang salah satu ujung dipasang bjek bermuatan magnet, lengan penggetar yang berfungsi sebagai pendrng sumbu penggetar, rda gigi untuk memutar lengan penggetar dan sebuah mtr DC 1 V yang berfungsi sebagai sumber untuk memutar rda gigi. Lengan penggetar dapat menghasilkan gerakan maju mundur pada bjek, sehingga bjek akan bergerak menjauhi dan mendekati fluxgate. Gerakan maju mundur ini di deteksi leh sensr autcupler kemudian banyaknya gerakan yang terjadi di cacah dengan bantuan mikrkntrler dan ditampilkan leh LCD. Sumber penggetar yang dibuat hanya mampu bergetar dengan frekuensi maksimum 1,15 Hz. 5

6 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : Sebelum melakukan pengukuran getaran dilakukan kalibrasi untuk mencari hubungan jarak antara bjek bergetar dengan tegangan keluaran fluxgate. Panjang sumbu penggetar yang dipasang pada pistn adalah 8,4 cm. Mula-mula ujung sumbu yang sudah ditempelkan bjek bermuatan magnet ditempatkan menempel pada fluxgate kemudian sumbu ditarik menjauhi fluxgate secara perlahan-lahan sejauh 4. cm. Jarak 4, cm ini dijadikan titik tengah sumbu penggetar. Perubahan tegangan keluaran fluxgate dicatat setiap perubahan jarak. 4 Hasil dan pembahasan Hasil kalibrasi jarak ini di tunjukkan pada Gambar 3. dapat terlihat bahwa respn sensr cukup linier. Untuk mendapatkan nilai simpangan nl maka maka grafik Gambar 3. diknversi menjadi grafik Gambar 4. Tegangan keluaran (V) y = -0,0031x 6 + 0,039x 5-0,0949x 4-0,077x 3 + 0,6184x + 0,8088x - 1,6993 R² = 0,9995 Jarak (mm) Gambar 4. Grafik ptimasi jarak bjek dengan fluxgate. Berdasarkan grafik Gambar 4 dapat ditentukan hubungan jarak terhadap simpangan seperti ditunjukkan persamaan (13). Vut= -0,003x 6 + 0,004x 5 + 0,047x 4 + 0,018x 3 0,37x 1,353x + 1,109 (13) Sebelum melakukan pengukuran getaran maka persamaan (13) dimasukkan kedalam prgram mikrkntrler sehingga nilai yang terbaca pada display LCD dalam bentuk simpangan maksimum atau amplitud. 6

7 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : Gambar 5. Grafik untuk mendapatkan simpangan nl. Pengukuran amplitud getaran terhadap frekuensi dilakukan dengan memvariasikan simpangan maksimum getaran yaitu 1,0; 1,5;.0; dan.5 cm dengan cara merubah psisi lengan penggetar pada sumbu rda mtr. Hasil pengukuran ditunjukkan Gambar 6. Gambar 6. Respn frekuensi terhadap amplitud. Berdasarkan Gambar 6 dapat terlihat bahwa jika lengan digeser menjauhi sumbu rda mtr maka semakin dekat bjek bergetar ke fluxgate, hal ini terlihat dengan membesarnya amplitud terukur ketika sumbu penggetar mendekati fluxgate. Sedangkan terhadap kenaikan frekuensi keseluruhan variasi simpangan mengalami penurunan. Hubungan frekuensi terukur dengan frekuensi sumber penggetar ditunjukkan Gambar 7 7

8 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : Frekuensi FFT terukur (Hz) 1.0 cm Frekuensi sumber (Hz) Gambar 7. Respn frekuensi terukur terhadap frekuensi sumber. Terlihat dari Gambar 7, bahwa hubungannya linier untuk semua variasi simpangan. Hal menunjukkan fluxgate sebagai sensr getaran frekuensi rendah mampu mendeteksi frekuensi sumber 0.14 sampai 1.15 Hz. Untuk mencari kesalahan penyimpangan frekuensi terukur dengan frekuensi sumber dilakukan analis kesalahan abslut dan kesalahan relatif. Karena hasil pengukuran frekuensi terukur untuk semua variasi simpangan hampir sama maka analisis kesalahan diambil salah yaitu pengukuran dengan jarak amplitud,0 cm. Berdasarkan analisis diperleh kesalahan abslut dan relatif maksimum masingmasing Hz dan 1.3 %. Hasil kesalahan ini ditunjukkan leh Gambar 8 dan Gambar 9. Kesalahan relatif (%) Frekuensi sumber (Hz) Gambar 8. Grafik kesalahan relatif pengukuran frekuensi rendah. 8

9 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : Kesalahan abslut (Hz) Frekuensi sumber (Hz) Gambar 9. Grafik kesalahan abslut pengukuran frekuensi rendah. 5 Kesimpulan Telah berhasil di kembangkan aplikasi fluxgate sebagai sensr getaran dan sumber penggetar yang dapat bekerja pada frekuensi rendah. Aplikasi ini dikembangkan berdasarkan kemampuan fluxgate dalam mendeteksi perubahan medan magnet dan jarak dalam rde yang sangat kecil. Berdasarkan pengukuran fluxgate mampu mengukur frekuensi 0.14 sampai 1.15 Hz dengan kesalahan abslut Hz dan kesalahan relatif 1.3 %. Berdasarkan hasil ini, fluxgate dapat dikembangkan lebih jauh sebagai alat ukur getaran yang memiliki frekuensi rendah seperti: getaran jembatan, bendungan, gempa dan lain-lain. Untuk mendapatkan rentang frekuensi yang lebih lebar, saat ini penelitian masih terus kami lakukan terutama memperbaiki sumber penggetar yang dapat menghasilkan frekuensi rendah hingga 10 Hz. 6 Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih pada Departemen Pendidikan Tinggi Republik Indnesia yang telah mamberikan dana penelitian melalui Prgram Hibah Bersaing N. 080/H35./PG/HB/009, Hibah Penelitian Dktr N. 551/K01.1./KU/010 dan Riset PRI ITB Daftar Pustaka [1] Gldman, S., Vibratin Spectrum Analysis, New Yrk, Industrial Press Inc., [] Azhar, D., Jusan Q., & Parsaulian S., Analisis kerja Vibratin Mnitr Bently Nevada tipe 550, Prsiding SIBF, Bandung, 31 Agustus 006. [3] Pöyhönen, S., Jver, P. & Hyötyniemi, H., Independent Cmpnent Analysis f Vibratins fr Fault Diagnsis f Inductin Mtr, Prc. f the IASTED Internatinal Cnference Circuit, Sinyal and System, Cancun, Mexic, May 19-1, 003. [4] Djamal, M., & Setiadi, R.N., Pengukuran Medan Magnet Lemah Menggunakan Sensr Magnetik Fluxgate dengan Satu Kumparan Pick-up, Prsiding ITB Sains & Tek. Vl.38A, N., pp , 006. [5] Djamal, M., & Setiadi, R.N.,Displacement Sensr Based n Fluxgate Magnetmeter, Prc. n Asian Physics Sympsium (APS), Bandung, 7-8 August

10 J.Ot.Ktrl.Inst (J.Aut.Ctrl.Inst) Vl 3 (), 011 ISSN : [6] Suyatn, & Djamal. M, Develpment fluxgate magnetmeter fr prximity sensr, Prsiding Seminar Físika dan Aplikasinya, ITS, Surabaya, 007 [7] Yulkifli, Suyatn, Djamal, M. & Setiadi, R.N., Designing and Making f Fluxgate Sensr with Multi-Cre Structure fr Measuring f Prximity, Prceedings f The Cnference Slid State Inic (CSSI), Tanggerang, pp , 007. [8] Djamal, M. & Yulkifli, Fluxgate Sensr and Its Applicatin, Prceedings f ICICI-BME, Bandung, 009. [9] Djamal, M., Setiadi, R.N., & Yulkifli, Preliminary Study f Vibratin Sensr Based n Fluxgate Magnetic Sensr, Prc. f ICMNS, Bandung, 008. [10] Yulkifli, Setiadi, A., Djamal, M. & Khairurrijal, Develpment f Mathematical Mdel f Vibratin Sensr base n Fluxgate Magnetic Sensr. The 4 th Asian Physics Sympsium (APS), Ocktber, 1-13, 010. [11] Djamal, M., Yulkifli, Setiadi, A., & Setiadi, R.N., Develpment f a Lw Cst Vibratin Sensr Based n Fluxgate Element, Internatinal cnference f the Institute fr Envirnment, Engineering, Ecnmics and Applied Mathematics ( IEEEAM), Malta, Itali, September, 15-17, pp , 010 [1] Yulkifli, Anwar, Z., & Djamal,M., Desain Alat Hitung Kecepatan Sudut Berbasis Sensr Magnetik Fluxgate, Jurnal Sainstek, vl. 1,, pp , 009. [13] Yulkifli, Wahyudi, I., & Djamal, M., Develpment f Distance Measuring Instrument f a Metal Expansin Based n a Fluxgate Sensr, Prc. 3rd Internatinal Graduate Cnference n Engineering,Science and Humanities (IGCESH )Schl f Graduate Studies, Universiti Teknlgi Malaysia, 4 Nvember, pp. 1-5, 010. [14] Firmansyah. A., Fluxgate magnetmeter sebagai alat ukur Getaran, Tugas Akhir, Fisika ITB, Bandung 006 [15] Suyatn, Desain dan Pengembangan Sensr Magnetik Fluxgate dan Aplikasinya untuk Mengukur Getaran: Tesis S, ITB, Bandung, 007. [16] Hendr, & Djamal, M., Pembuatan Sensr Getaran Berbasis Fluxgate, Berita Utama LPPM ITB, Bandung, 007. [17] Fraden, J., Handbk f Mdern Sensr. New Yrk, Springer-Verlag New Yrk, Inc, [18] Symn, K.R., Mechanics, third editin, Addisn Wislye Cmpany, [19] Bas, M.L., Mathematical Methds in the Physical Sciences, Secnd Editin, Jhn Wiley & Sns New Yrk, [0] Yulkifli, Pengembangan Elemen Fluxgate dan Penggunaannya untuk Sensr-sensr Berbasis Magnetik dan Prksimiti, Disertasi Prgram Studi Dktr Fisika, ITB, Bandung,