RANCANGBANGUN OTOMATISASI POMPA UNTUK MENJAGA TEKANAN ALIRAN FLUIDA GAS SKRIPSI SAPTO ANDRIYONO

Transkripsi

1 RANCANGBANGUN OTOMATISASI POMPA UNTUK MENJAGA TEKANAN ALIRAN FLUIDA GAS SKRIPSI SAPTO ANDRIYONO DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

2 RINGKASAN SAPTO ANDRIYONO. Rancangbangun Otomatisasi Pompa Untuk Menjaga Tekanan Aliran Fluida Gas. Di bawah bimbingan I DEWA MADE SUBRATA. Pengukuran tekanan gas, baik udara, uap air, maupun gas tertentu untuk tujuan industri masih menggunakan cara yang sederhana, yaitu dengan pembacaan tekanan melalui gauge meter yang dipasang pada pipa venturi dan orifice. Sehingga pengendalian tekanan gas yang mengalir masih dilakukan dengan memanfaatkan tenaga dan ketelitian manusia yang mengamati alat tersebut. Tekanan aliran gas secara langsung maupun tidak langsung menjadi indikator dari berbagai ukuran, seperti debit, massa jenis, kecepatan aliran, dan sebagainya. Dalam industri, ukuran-ukuran tersebut digunakan untuk menentukan suatu kondisi seperti besar laju produksi hingga alasan keamanan. Peningkatan kapasitas industri akan meningkatkan volume bahan baku dan energi yang digunakan, sehingga otomatisasi menjadi penting. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan rancangbangun alat ukur tekanan udara yang mengalir dan pengendali pompa udara secara otomatis berdasarkan input yang diberikan oleh sensor pengukur tekanan. Proses industri dengan input yang terkendali menjadikannya lebih efisien sehingga dapat menghemat biaya bahan baku. Selain itu, proses yang terotomatisasi dapat mengeliminasi penggunaan tenaga manusia sehingga biaya untuk menggaji buruh dapat ditiadakan. Dalam penelitian ini, fluida yang digunakan adalah udara. Tekanan udara yang mengalir diukur melalui pipa yang dilengkapi piringan orifice dan sensor tekanan fluida gas MPX5050. Pengolahan sinyal dilakukan dengan mikrokontroler AVR ATmega Sinyal dari sensor diperhalus dengan bantuan filter dan diperkuat dengan penguat operasional sehingga sinyal yang diterima oleh mikrokontroler memiliki kebisingan yang lebih kecil. Pengendalian pompa dilakukan dengan pengendalian sinyal PWM berdasarkan set point yang telah ditentukan sehingga jika penerimaan sinyal berada di bawah set point, sinyal PWM meningkat untuk memperkuat pompa. Dan sebaliknya. Alat yang dibangun telah melalui serangkaian kalibrasi dan pengujian untuk mendapatkan persamaan empiris untuk menentukan tekanan udara yang mengalir berdasarkan tegangan yang diterima oleh sensor. Pengujian otomatisasi dilakukan sebanyak dua kali. Pengujian pertama dilakukan dengan melebihkan tegangan yang diterima pompa sehingga sensor tekanan mendeteksi tekanan yang melebihi set point. Mikrokontroler lalu memproses dan memberikan sinyal PWM yang lebih rendah sehingga tegangan pompa menurun. Pengujian kedua dilakukan dengan menutup kran pipa sebagian sehingga sensor tekanan mendeteksi tekanan di bawah set point yang telah ditentukan. Hal ini menyebabkan mikrokontroler meningkatkan sinyal PWM yang diberikan pada pompa sehingga kekuatan pompa meningkat. Dalam penelitian ini didapatkan bahwa kecepatan respon, yaitu seberapa cepat tekanan udara yang mengalir kembali ke kondisi semula, adalah paling cepat lima detik. Besarnya kebisingan sinyal sangat menentukan seberapa cepat respon alat ini. Kata kunci: fluida, pompa, otomatisasi, mikrokontroler

3

4 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skirpsi berjudul Rancangbangun Otomatisasi Pompa Untuk Menjaga Tekanan Aliran Fluida Gas adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, September 2014 Sapto Andriyono NIM F

5 ABSTRAK SAPTO ANDRIYONO. Rancangbangun Otomatisasi Pompa Untuk Menjaga Tekanan Aliran Fluida Gas. Dibimbing oleh I DEWA MADE SUBRATA. Pengukuran aliran fluida di sektor industri membutuhkan ketepatan dan ketelitian mengenai jumlah fluida yang digunakan. Kesulitan dalam menerapkan hal tersebut diantaranya adalah sifat fluida yang bersifat tidak ideal, terutama gas yang bersifat mampu-mampat (compressible). Selain itu, noise atau kebisingan sinyal dari rangkaian elektronika juga merupakan hambatan dalam pengukuran. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk meminimalisasi dampak tersebut dan menerapkan pengendalian sederhana berbasis elektronika untuk menstabilkan tekanan aliran fluida. Dalam penelitian ini, fluida yang digunakan adalah udara. Input yang digunakan adalah tegangan dari sensor tekanan yang menggambarkan besar tekanan udara yang mengalir melalui pipa melewati piringan orifice. Tekanan dideteksi dengan sensor tekanan MPX5050 yang mampu mengirimkan sinyal analog antara 0-5 volt sesuai dengan tekanan yang diterimanya. Sinyal ini diperkuat dengan penguat operasional sebelum masuk ke dalam mikrokontroler. Penguatan sinyal diatur sedemikian rupa agar tidak menimbulkan kebisingan yang dapat mengganggu pembacaan sinyal. Dalam penelitian ini, tekanan udara berhasil dikendalikan dengan kecepatan respon paling cepat lima detik. Kata kunci: fluida, pompa, otomatisasi, mikrokontroler ABSTRACT SAPTO ANDRIYONO. Designing And Building Pump Automatization To Stabilize Fluid Pressure. Supervised by I DEWA MADE SUBRATA. Flow measurement in some industrial sectors need to be accurate and precise in discharging certain amount of fluid. The difficulty to fulfill this criteria is due to parameter of this such as non-ideal fluid properties, particularly in compressible gas. In addition, signal noise from electronic circuitry is also a drawback in measurement. This research aims to minimize noise and to apply simple electronic-based controller to stabilize fluid discharge. The fluid used in this research is air. The input is the voltage of pressure sensor which indicates air pressure flow through the orifice pipe. The pressure is detected by sensor MPX5050 that is capable of transmitting analog signal in accordance with measured pressure. This signal is then amplified by an operational amplifier before inputing into microcontroller. Amplification circuitry is equipped with low pass filter so that the noise is minimum. Result of the test showed that air flow pressure could be controlled with response time as fast as five seconds. Keywords: fluid, pump, automatization, microcontroller

6 RANCANGBANGUN OTOMATISASI POMPA UNTUK MENJAGA TEKANAN ALIRAN FLUIDA GAS SAPTO ANDRIYONO Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian Pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

7

8 Judul Skripsi : Rancangbangun Otomatisasi Pompa Untuk Menjaga Tekanan : Aliran Fluida Gas Nama : Sapto Andriyono NIM : F Disetujui oleh Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M. Agr Pembimbing Diketahui oleh Dr. Ir. Desrial, M. Eng Ketua Departemen Tanggal Lulus:

9 PRAKATA Syukur Alhamdulillah penulis ucapkan atas terciptanya skripsi yang berjudul Rancangbangun Otomatisasi Pompa Untuk Menjaga Tekanan Aliran Fluida Gas. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Dr. Ir. I Dewa Made Subrata M.Agr yang telah mengarahkan penulis kepada jalan yang benar demi penyelesaian penelitian dan skripsi ini, serta Dr. Ir. Gatot Pramuhadi, M.Si dan Dr. Ir. Radite Praeko Agus Setiawan, M.Agr selaku dosen penguji skripsi. Tak lupa penulis sampaikan ucapan terima kasih kepada semua pihak yang membantu penyelesaian penelitian dan penulisan skripsi ini secara langsung maupun tidak langsung. Bogor, September 2014 Sapto Andriyono

10 DAFTAR ISI DAFTAR TABEL vii DAFTAR GAMBAR vii DAFTAR LAMPIRAN vii PENDAHULUAN 1 Tujuan Penelitian 2 Manfaat Penelitian 2 TINJAUAN PUSTAKA 2 Otomasi 2 Mikrokontroler 3 Sensor 3 Pompa 3 Piringan Orifice 4 METODE PENELITIAN 5 Waktu dan Tempat 5 Alat dan Bahan 5 Prosedur Penelitian 6 HASIL DAN PEMBAHASAN 9 Diagram Alur Otomasi 9 Rancangan Skema Otomatisasi 10 Hasil Kalibrasi 11 Hasil Pengujian Tekanan 15 Hasil Pengujian Otomasi 19 SIMPULAN DAN SARAN 21 Simpulan 21 Saran 21 DAFTAR PUSTAKA 21 LAMPIRAN 23 RIWAYAT HIDUP 30

11 DAFTAR TABEL Tabel 1. Hasil kalibrasi pada pengujian satu pompa 11 Tabel 2. Hasil kalibrasi pada pengujian dua pompa 12 Tabel 3. Tabel validasi kalibrasi untuk satu pompa 13 Tabel 4. Tabel validasi kalibrasi untuk dua pompa 14 Tabel 5. Hasil perhitungan tekanan pada berbagai kondisi aliran udara dengan satu pompa 16 Tabel 6. Hasil perhitungan tekanan pada berbagai kondisi aliran udara dengan dua pompa 16 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Gambar sederhana pompa membran 4 Gambar 2. Skema sederhana dari piringan orifice 4 Gambar 3. Diagram alir prosedur penelitian 6 Gambar 4. Diagram alur otomasi 9 Gambar 5. Skema rangkaian elektronik dari sensor ke mikrokontroler 10 Gambar 6. Skema rangkaian elektronik dari mikrokontroler ke pompa 10 Gambar 7. Grafik hasil kalibrasi pada pengujian satu pompa 12 Gambar 8. Grafik hasil kalibrasi pada pengujian dua pompa 13 Gambar 9. Grafik validasi kalibrasi untuk satu pompa 14 Gambar 10. Grafik validasi kalibrasi untuk dua pompa 15 Gambar 11. Grafik fluktuasi tekanan pada pengujian mode 1 17 Gambar 12. Grafik fluktuasi tekanan pada pengujian mode 2 17 Gambar 13. Grafik fluktuasi tekanan pada pengujian mode 3 18 Gambar 14. Grafik fluktuasi tekanan pada pengujian mode 4 18 Gambar 15. Pengujian tekanan pada perubahan mode operasi 19 Gambar 16. Grafik fluktuasi tekanan ketika pengujian otomasi pertama 20 Gambar 17. Grafik fluktuasi tekanan ketika pengujian otomasi kedua 20 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1: Kode program untuk mikrokontroler 23 Lampiran 2: Desain pipa orifice 26 Lampiran 3: Karakteristik operasi MPX Lampiran 4: Dimensi dari sensor MPX Lampiran 5: Foto alat yang telah dibuat 29

12 PENDAHULUAN Pengukuran tekanan gas, baik udara, uap air, maupun gas tertentu untuk tujuan industri masih menggunakan cara yang sederhana. Cara yang paling banyak dilakukan yaitu dengan pembacaan tekanan melalui gauge meter yang dipasang di pipa venturi dan orifice (Boyes, 2008). Sehingga pengendalian tekanan gas yang mengalir masih dilakukan dengan memanfaatkan tenaga dan ketelitian manusia yang mengamati alat tersebut. Metode lainnya yaitu dengan menggunakan sensor ultrasonik berbasis prinsip efek Doppler, sensor elektromagnetik berbasis hukum Faraday, dan pengukuran frekuensi getaran tuba Coriolis berdasarkan efek Coriolis. Setiap metode memiliki indikator dan batasan tertentu, seperti sensor elektromagnetik hanya bekerja pada fluida yang mengandung ion. Sedangkan sensor ultrasonik sangat bergantung pada sifat akustik dari fluida sehingga fluida yang memiliki massa jenis dan viskositas yang kecil akan lebih sulit dideteksi. Dalam penelitian ini, indikator yang digunakan adalah tekanan dengan menggunakan pipa yang dilengkapi piringan orifice karena kemudahan dalam mendesain dan besarnya beda tekanan yang bisa didapatkan. Sensor tekanan gas juga telah tersedia di pasar dalam harga yang relatif terjangkau. Kelemahan metode ini adalah berkurangnya energi aliran secara drastis sehingga debit aliran fluida berkurang jauh jika dibandingkan dengan aliran yang sama tanpa melewati piringan orifice (Liptak, 1993). Tekanan aliran gas secara langsung maupun tidak langsung menjadi indikator dari berbagai ukuran, seperti debit, massa jenis, kecepatan aliran, dan sebagainya. Dalam industri, ukuran-ukuran tersebut digunakan untuk menentukan suatu kondisi seperti besar laju produksi hingga alasan keamanan. Contoh penerapan pengukuran dan pengendalian tekanan fluida ada pada pengaliran gas dalam pipa jarak jauh, pengendalian aliran gas pada mesin gas berukuran besar dan boiler, serta proses industri yang membutuhkan fluida sebagai input (misal pengendalian debit udara panas pada proses pengeringan bahan pertanian menggunakan pengering semprot). Pengukuran dan penampilan data hasil pengukuran secara digital dapat mempercepat pembacaan dan pengambilan keputusan. Selain itu, pemrosesan secara digital mempermudah otomatisasi. Proses yang terotomatisasi dapat mempermudah dan mempercepat suatu pekerjaan jika dibandingkan dengan tanpa otomatisasi dan dapat meminimalisasi penggunaan tenaga kerja manusia. Pada negara dengan upah buruh yang tinggi, otomasi cenderung menguntungkan karena biaya penggunaan mesin secara jangka panjang dapat lebih murah dibandingkan dengan menggaji buruh setiap bulan. Pemrosesan secara elektronik untuk mengubah nilai pengukuran menjadi output yang dapat dibaca membutuhkan sensor yang dapat memberikan nilai tegangan tertentu pada besaran kondisi tertentu, yang disebut dengan sensor analog. Tegangan tersebut diterima oleh pengubah data analog menjadi data digital (analog to digital converter, ADC) agar dapat dibaca dan diproses oleh pemroses data (CPU). Terkadang tegangan dari sensor tidak cukup besar untuk dibaca oleh ADC sehingga dibutuhkan penguat sinyal.

13 2 Data keluaran dari pemroses data berupa data digital untuk pembacaan di layar dan juga untuk mengendalikan aktuator untuk otomatisasi. Aktuator dapat menerima data digital secara langsung maupun secara tidak langsung dengan mengubahnya terlebih dahulu menjadi data analog dengan bantuan transistor atau digital to analog converter, DAC. Sinyal yang diterima oleh aktuator dapat berupa hasil pemrosesan data secara proporsional, integral, dan diferensial atau kombinasinya. Dalam penelitian ini, hanya dilakukan pengendalian secara proporsional. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk melakukan rancangbangun alat ukur tekanan udara yang mengalir dan pengendali pompa udara secara otomatis berdasarkan input yang diberikan oleh sensor pengukur tekanan. Manfaat Penelitian Manfaat dari alat yang dibangun dari penelitian ini adalah untuk otomasi proses industri yang melibatkan penggunaan fluida di dalamnya, terutama fluida mampu-mampat. Proses industri dengan input yang terkendali menjadikan proses tersebut lebih efisien sehingga dapat menghemat biaya bahan baku. Sedangkan proses yang terotomatisasi dapat mengeliminasi penggunaan tenaga manusia sehingga biaya untuk menggaji buruh dapat ditiadakan. TINJAUAN PUSTAKA Otomasi Otomasi adalah penggunaan berbagai sistem kendali untuk mengoperasikan berbagai mesin dan computer serta proses yang terkait. Istilah ini dipopulerkan oleh perusahaan General Motors; pada tahun 1947 mereka mendirikan Automation Department yang bertanggung jawab terhadap otomatisasi sebagian proses pembuatan mobil (Rifkin, 1995). Namun prinsip otomasi secara elektronik sudah diperkenalkan sejak tahun 1930-an dengan ditemukannya pengendalian umpan balik (Bennet, 1993). Tak lama setelah itu, pengendalian otomatis berbasis sinyal digital telah dibuat di kilang Texaco s Port Arthur (Rifkin, 1995) dan yang pertama dilakukan dalam industri.

14 3 Mikrokontroler Mikrokontroler merupakan sebuah komputer pada satu sirkuit terintegrasi yang telah termasuk di dalamnya yaitu mikroprosesor, memori, dan komponen input/output sederhana. Dalam komputer, prosesor mengolah input yang diterimanya dan mengeluarkan sinyal berdasarkan perintah yang dieksekusi. Mikrokontroler mengeksekusi perintah yang disimpan di dalam memori. Sensor Sensor merupakan sebuah transduser yang menghasilkan resistansi atau tegangan untuk menjadi masukan bagi komponen elektronika lainnya. Contoh transduser yang menghasilkan resistansi adalah light dependent resistor (LDR) dan thermistor. Contoh transduser yang menghasilkan nilai tegangan adalah piezoelektrik dan fotovoltaik. Sensor kini dapat dibuat pada ukuran kecil dengan ketelitian tinggi menggunakan teknologi mikroelektromekanik (microelectromechanical system, MEMS) (Poslad, 2009). Dalam penelitian ini, digunakan sensor tekanan berbasis piezoelektrik dengan seri MPX5050 buatan Freescale Semiconductor. Tekanan fluida menekan membran piezoelektrik di dalam sensor, dan perubahan dimensi dari membran ini menghasilkan tegangan listrik. Besarnya tekanan yang diterima oleh membran piezoelektrik ini proporsional dengan tegangan yang dihasilkan. Pompa Pompa merupakan mesin yang digunakan untuk memindahkan fluida (gas, cairan, dan benda semi padat). Berdasarkan metode pemindahannya, FAO mengklasifikasikan pompa ke dalam enam kategori utama, yaitu direct lift, displacement, velocity, buoyancy, impulse, dan gravity. Jenis pompa yang paling tepat untuk memindahkan fluida jenis gas diantaranya pompa membran, pompa piston (tipe displacement), dan pompa sentrifugal (tipe velocity). Dalam penelitian ini, digunakan pompa membran. Pompa membran atau pompa diafragma bekerja dengan diafragma yang bergerak naik dan turun secara siklus. Pergerakan membran ini dapat dilakukan secara mekanik (dengan kombinasi tuas dan roda gigi) maupun magnetik (dengan perubahan kutub elektromagnetik). Pompa membran memiliki keistimewaan, diantaranya adalah penggunaan membran yang bersifat elastis dan tidak terbuat dari logam. Penggunaan bahan yang elastis dan bersifat ringan mengurangi daya yang terbuang dari pompa, dan penggunaan bahan non-logam dalam pompa membran mengurangi risiko karat, terutama jika gas yang dialirkan bersifat korosif. Namun pompa membran memiliki kelemahan, yaitu debitnya dapat berubah-ubah tergantung pada hambatan di sepanjang pipa. Hambatan

15 4 menyebabkan performa pompa membran tidak maksimal karena adanya tekanan balik. Berikut adalah gambaran sederhana dari pompa membran: Gambar 1. Gambar sederhana pompa membran. Piringan Orifice Piringan orifice merupakan piringan yang memiliki lubang kecil dan diletakkan di dalam pipa. Tujuan dari penggunaan orifice diantaranya adalah pengukuran tekanan udara pada dua titik yang berbeda. Terdapat berbagai jenis orifice yang digunakan untuk pengukuran tekanan, namun yang paling sederhana adalah berupa piringan dengan lubang berbentuk lingkaran dan dipasang sejajar dengan lubang penampang pipa. Berikut adalah skema sederhana dari piringan orifice: Gambar 2. Skema sederhana dari piringan orifice Keterangan gambar: d1 : diameter pipa d2 : diameter lubang orifice P1 : pengukuran tekanan udara sebelum melewati piringan orifice P2 : pengukuran tekanan udara setelah melewati piringan orifice

16 5 METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian dilakukan di lingkungan Institut Pertanian Bogor sejak bulan Juni Juni Alat dan Bahan Bahan yang digunakan untuk merancangbangun pipa orifice diantaranya: a. Pipa b. Papan akrilik c. Lem PVC d. Lem sianoakrilat e. Kran f. Selang plastik Bahan yang digunakan untuk merancangbangun komponen elektronika diantaranya: a. Papan akrilik b. Papan PCB c. Kabel d. Kapasitor e. Resistor f. Transistor g. Sirkuit terintegrasi LM741 h. Sensor tekanan MPX5050 i. Papan mikrokontroler AVR ATmega 8535 j. Dioda k. Trafo 2 A l. Pompa DC Alat dan bahan yang digunakan untuk melakukan pengujian tekanan yaitu: a. Suplai daya dengan tuas pengatur tegangan keluaran b. Resistor daya tinggi c. Multimeter digital

17 6 Prosedur Penelitian Gambar 3. Diagram alir prosedur penelitian Penelitian diawali dengan mengidentifikasi permasalahan yang umum terdapat dalam industri mengenai pengendalian aliran fluida dan merumuskan solusi dari permasalahan tersebut. Setelah perumusan masalah, ditentukan rancangan penelitian yang akan dilakukan untuk menyelesaikan masalah tersebut. Rancangbangun dimulai dengan pembuatan pipa orifice dengan bahan yang tersedia di pasar. Setelah itu dilakukan pengujian dengan menggunakan sensor untuk mengetahui jangkauan tegangan yang dikeluarkan oleh sensor tekanan. Data yang didapatkan digunakan untuk merancangbangun sistem penguat sinyal sebelum diterima oleh mikrokontroler. Setelah sistem penguat sinyal selesai dibangun, disambungkan dengan mikrokontroler yang telah diprogram. Setelah disambungkan, dilakukan pengujian untuk mengetahui tekanan aliran aktual yang dikeluarkan oleh pompa udara. Kemudian dilakukan kalibrasi dan validasi. Hasil kalibrasi dan validasi kemudian digunakan untuk memperbarui program mikrokontroler untuk melakukan pengujian tekanan. Setelah dilakukan pengujian tekanan, didapatkan persamaan empiris dan program mikrokontroler diperbarui kembali. Kemudian dilakukan pengujian otomasi.

18 7 Identifikasi dan Perumusan Masalah Pembacaan tekanan aliran sebagian besar masih menggunakan alat sederhana berupa gauge meter yang dipasang pada pipa venturi atau orifice, sedangkan pengendaliannya masih menggunakan tenaga manusia yang juga memantau tekanan dari alat tersebut. Beberapa bahkan hanya memantau tekanan pada titik penampungan awal dan akhir. Hal ini dinilai membahayakan karena jika pemantauan pada pipa diabaikan ketika tekanan terlampau tinggi, risiko ledakan dapat terjadi. Dalam merumuskan permasalahan ada beberapa hal yang harus dijawab, diantaranya: a. Bidang penerapan alat secara spesifik, yaitu tekanan fluida gas yang mengalir b. Metode pembacaan indikator tekanan, yaitu menggunakan pipa yang dilengkapi dengan piringan orifice dan dipasangkan dengan sensor tekanan c. Pengolahan data yang digunakan, yaitu dengan menggunakan mikrokontroler d. Pengendalian aktuator, yaitu dengan PWM e. Tampilan data, yaitu dengan layar LCD Rancangbangun Rancangbangun adalah proses merancang dan membangun alat atau mesin. Dalam penelitian ini, rancangbangun diawali dengan pengumpulan bahan-bahan, pembuatan rancangan dalam bentuk sketsa, lalu membangun struktur yang mendukung sistem. Target dari proses ini adalah rancangan sirkuit pengupat operasional dan filter dan struktur dengan ukuran seramping mungkin. Kalibrasi dan Pengujian Tekanan Kalibrasi dilakukan dengan membandingkan performa sensor dengan manometer kolom udara standar dengan kinerja satu pompa dan kinerja dua pompa. Tegangan listrik yang diterima pompa divariasikan dengan menggunakan potensiometer. Pompa mengalirkan fluida ke pipa yang telah dilengkapi dengan piringan orifice dan pipa manometer dihubungkan ke salah satu titik pengukuran pada orifice, sedangkan pipa manometer lainnya dibiarkan terbuka. Beda tinggi permukaan air pada manometer ditentukan yaitu setiap kelipatan 2.5 mm hingga 10 mm pada pompa tunggal, dan hingga 20 mm pada pompa ganda. Kekuatan pompa yang sama digunakan untuk mengalirkan udara dengan pembacaan tekanan yang dilakukan oleh sensor. Hasil yang didapatkan dari kalibrasi adalah nilai beda tegangan dari sensor yang akan dikonversi menjadi nilai tekanan, dan lalu dibandingkan dengan nilai tekanan yang didapatkan dari pembacaan pada manometer. Beda tinggi permukaan air pada manometer diubah menjadi nilai tekanan dengan persamaan berikut:

19 8 Dengan: P P1-atm : Beda tekanan antara titik P1 dengan atmosfer (Pa) : beda tinggi permukaan air pada manometer (m) : percepatan gravitiasi bumi (m/s 2 ) : massa jenis air (kg/m 3 ) (1) Sedangkan nilai tegangan dari sensor diubah menjadi nilai tekanan persamaan berikut: Dengan: P P1-atm : Beda tekanan antara titik P1 dengan atmosfer hasil perhitungan : dari V P1-atm (Pa) : Output sensor hasil pengukuran beda tekanan antara titik P1 dan : atmosfer (mv) : Tegangan awal ketika pompa tidak bekerja ( mv) : Sensitivitas sensor (90 mv/kpa) : faktor penguatan (20.5) Setelah didapatkan hasilnya, dilakukan pemetaan pada kurva untuk masingmasing kalibrasi sehingga didapatkan persamaan yang dapat menjadi acuan untuk mendapatkan nilai tekanan pada pengujian berikutnya. Target dari kedua proses ini adalah mendapatkan persamaan empiris untuk memperbarui program mikrokontroler yang kemudian digunakan untuk melakukan pengujian pengendalian. (2) Pengendalian Tekanan Pengendalian tekanan dilakukan dengan menetapkan set point di dalam program mikrokontroler yang akan menentukan keluaran dari sinyal PWM. Kode program yang digunakan yaitu: set_point=n; if (volt<set_point) {OCR0++;} if (volt>set_point) {OCR0--;} Perintah di atas akan menurunkan nilai OCR0, yaitu bit untuk mengatur keluaran sinyal PWM, jika tegangan yang diterima lebih tinggi dibandingkan set point. Dengan demikian, kekuatan pompa akan menurun, aliran fluida melemah, dan sinyal yang diterima mikrokontroler dari sensor tekanan akan berkurang. Begitu juga sebaliknya. Target dari proses ini adalah kemampuan program dalam mengeluarkan sinyal PWM untuk mengendalikan pompa serta waktu respon yang relatif singkat.

20 9 Modifikasi Modifikasi dilakukan ketika pengujian otomasi tidak sesuai dengan yang diharapkan, misal mikrokontroler tidak memberikan sinyal PWM, respon yang lambat, dan sebagainya. Hal ini bisa disebabkan oleh berbagai hal, seperti kesalahan pada pemrograman maupun rancangan sirkuit yang menghantarkan sinyal PWM ke pompa. Namun kemungkinan kesalahan ada pada komponen penguat dan alat ukur tetap ada, terutama jika masalah tersebut mengenai lambatnya kecepatan respon yang disebabkan oleh fluktuasi berlebihan dari sinyal yang diterima mikrokontroler. Jika kesalahan ada pada alat ukur dan komponen penguat dan filter, maka kalibrasi dan pengujian tekanan harus dilakukan ulang karena persamaan empirisnya dapat berubah. Target dari tahap ini adalah perbaikan alat yang menghasilkan pengujian otomasi yang sesuai target. HASIL DAN PEMBAHASAN Diagram Alur Otomasi Aliran diawali dengan pompa yang memompakan udara melalui selang menuju pipa yang telah dilengkapi dengan piringan orifice. Udara yang melewati piringan orifice akan menyebabkan terbentuknya perbedaan tekanan udara yang dapat dideteksi oleh sensor. Beda tekanan udara akan menyebabkan sensor mengeluarkan tegangan tertentu yang kemudian menuju ke mikrokontroler melalui penguat sinyal. Mikrokontroler memproses data yang didapatkan untuk kemudian mengatur pompa. Berikut adalah diagram dari alur otomasi yang digunakan dalam penelitian ini: Gambar 4. Diagram dari alur otomasi

21 10 Rancangan Skema Otomatisasi Skema otomatisasi yang dirancangbangun memiliki komponen berupa pipa dengan piringan orifice dan sensor tekanan, pompa, dan mikrokontroler. Sensor tekanan membaca beda tekanan udara di titik sebelum dan setelah piringan orifice (desain pipa orifice bisa dilihat di lampiran). Rangkaian elektronik yang terdiri dari sensor tekanan, penguat, pengkondisi sinyal, mikrokontroler, dan aktuator. Skema rangkaian komponen elektronik dari sensor ke mikrokontroler yaitu: R2 R1 +5V Sensor R3 menuju mikrokontroler C1 C2 C3 C4-12V +12V C5 Gambar 5. Skema rangkaian elektronik dari sensor ke mikrokontroler Keterangan gambar: C1: 1 μf C2: 0.01 μf C3: 470 pf C4: 47 μf C5: 1000 μf R1: 39 kω R2: 1900 Ω R3: 68 Ω Sedangkan rangkaian elektronik pengendali pompa yaitu: 100 ohm BC639 Pompa 5V Dioda Gambar 6. Skema rangkaian elektronik dari mikrokontroler ke pompa Dengan input dari sensor sekitar 180 hingga 220 mv, digunakan resistor yang tersedia di pasar untuk mendapatkan besar penguatan hingga mencapai sekitar 4 V. Sehingga digunakan penguat non-inverting dengan R1 sebesar 39 kilo ohm dan R2 sebesar 1900 ohm. R2 merupakan gabungan dari tiga resistor sebesar 1500 ohm dan dua resistor 200 ohm yang dirangkai seri sehingga membentuk hambatan 1900 ohm, menjadikan besar penguatannya dapat dihitung sebagai berikut:

22 11 (3) (4) (5) Namun karena keberadaan hambatan dan beban yang tidak diduga, maka pembesaran aktual yang terukur hanya 20.5 kali. Demi akurasi dan minimalisasi noise dari sinyal yang dihasilkan, jumlah IC LM741 yang digunakan dibatasi yaitu hanya satu, dengan sumber tegangan simetris yang dipasangkan dengan kapasitor. Karena besar noise dari rangkaian penguat ditentukan dari jumlah IC LM741 yang digunakan dan ketidakstabilan dari sumber tegangan simetris. Pompa yang digunakan merupakan pompa yang terdiri dari dua motor DC. Setiap motor menggerakkan satu membran yang terhubung dengan mekanisme poros engkol sehingga menghasilkan gerakan translasi dari gerak rotasi motor listrik. Pengujian memanfaatkan variasi daya yang bisa diberikan kepada pompa, sehingga didapatkan empat mode penggunaan pompa untuk melakukan pengukuran tekanan, yaitu (1) satu motor dengan suplai daya 4.5 V 20 ma (2) satu motor dengan suplai daya 3 V 200 ma (3) dua motor dengan suplai daya 3 V 200 ma (4) dua motor dengan suplai daya 4.5 V 200 ma Ditambah dengan satu mode off, sebagai kontrol besar tegangan awal dari sensor. Hasil Kalibrasi Berikut adalah tabel hasil kalibrasi. Tabel 1: Hasil kalibrasi pada pengujian satu pompa h (mm) V (mv) Tekanan manometer Tekanan sensor, (Pa) (Pa)

23 12 Tabel 2: Hasil kalibrasi pada pengujian dua pompa h (mm) V (mv) Tekanan manometer Tekanan sensor (Pa) (Pa) Keterangan: h : beda tinggi muka air (mm) V : tegangan yang masuk ke dalam mikrokontroler (mv) Tekanan manometer : beda tekanan antara titik pengukuran P1 dengan : atmosfer hasil perhitungan dari h (Pa) Tekanan sensor : beda tekanan antara titik pengukuran P1 dengan : atmosfer hasil perhitungan dari tegangan sensor (Pa) Ketika dimasukkan ke dalam grafik, akan menjadi: 250 Tekanan Manometer (Pa) y = x R² = Tekanan Sensor (Pa) Gambar 7. Grafik hasil kalibrasi pada pengujian satu pompa

24 Tekanan Manometer (Pa) y = x R² = Tekanan sensor (Pa) Gambar 8. Grafik hasil kalibrasi pada pengujian dua pompa Persamaan yang didapatkan berdasarkan grafik di atas di atas, yaitu: (6) untuk satu pompa, dan: untuk dua pompa, akan digunakan untuk mengkoreksi hasil perhitungan nilai tekanan yang didapatkan dari sensor. (7) Validasi Hasil Kalibrasi Setelah didapatkan persamaan hasil kalibrasi, persamaan (6) dan (7) dimasukkan ke dalam program dengan nilai diisi dengan persamaan (2). Dan nilai yang terbaca dalam layar dicatat. Berikut adalah hasil validasi kalibrasi. Tabel 3. Tabel validasi kalibrasi untuk satu pompa h (mm) V (mv) Tekanan manometer (Pa) Tekanan sensor (Pa)

25 14 Tabel 4. Tabel validasi kalibrasi untuk dua pompa h (mm) V (mv) Tekanan manometer (Pa) Tekanan sensor (Pa) y = 0.997x R² = Tekanan manometer (Pa) Tekanan sensor (Pa) Gambar 9. Grafik validasi kalibrasi untuk satu pompa

26 Tekanan manometer (Pa) y = x R² = Tekanan sensor (Pa) Gambar 10. Grafik validasi kalibrasi untuk dua pompa Validasi menunjukkan bahwa pembacaan dengan mikrokontroler sangat mendekati hasil pembacaan manometer standar, dengan gradien kurva mendekati satu. Hasil Pengujian Tekanan Sensor memiliki dua port dan tegangan keluaran sensor merupakan beda tekanan yang diterima oleh kedua port tersebut. Nilai tekanan yang diterima oleh sensor dapat dihitung dengan persamaan (2): (2) dengan: : tegangan pada sensor (mv) : tegangan awal sensor ( mv) : sensitivitas sensor (90 mv/kpa) Dengan rumus di atas, bisa didapatkan besar beda tekanan di kedua titik (P1 dan P2), sehingga langkah berikutnya adalah melakukan pengujian dan perhitungan. Pengujian dilakukan dengan membaca tegangan secara visual sebanyak sepuluh kali dalam satu mode dan dirata-ratakan. Setelah itu, nilai tekanan didapatkan dengan menggunakan rumus (2) dengan melalui kalibrasi.

27 16 Pengujian menggunakan mode yang telah ditetapkan ditambahkan dengan beberapa mode acak yang didapatkan dengan memvariasikannya menggunakan potensiometer. Tabel 5: Hasil perhitungan tekanan pada berbagai kondisi aliran udara dengan : kalibrasi, satu pompa Mode V P1-P2 (mv) V P1-atm (mv) P P1-P2 (Pa) Acak Acak Acak Tabel 6: Hasil perhitungan tekanan pada berbagai kondisi aliran udara dengan : kalibrasi, dua pompa Mode V P1-P2 (mv) V P1-atm (mv) P P1-P2 (Pa) Acak Acak Acak Keterangan: V P1-P2 : Tegangan sensor ketika mengukur beda tekanan antara titik 1 dan : 2 (mv) V P1-atm : Tegangan sensor ketika mengukur beda tekanan antara titik 1 dan : atmosfer (mv) P P1-P2 : Beda tekanan antara titik pengukuran 1 dan 2 pada pipa orifice (Pa) P P1-P2 didapatkan dengan persamaan hasil kalibrasi seperti yang tertulis pada persamaan (6) dan persamaan (7), dengan nilai diisi dengan persamaan (2). Dengan memasukkan data pada tabel dan mengubahnya menjadi persamaan garis, didapatkan persamaan: untuk pengujian pada satu pompa, dan untuk pengujian pada dua pompa. Persamaan tersebut digunakan untuk pengujian berikutnya, yaitu pengujian stabilitas output sensor per mode. Pada pengujian hubungan tekanan dan tegangan output sensor, dilakukan juga pengujian untuk menguji stabilitas output sensor per mode. Pengujian dilakukan dengan membaca tegangan output sensor setiap 0.1 detik sehingga dalam satu detik terdapat 10 data. Berikut adalah grafik hasil pengujian sensor per mode dengan kurva per lima pergerakan rata-rata (moving average): (8) (9)

28 17 Gambar 11. Grafik fluktuasi tekanan pada pengujian mode 1 Gambar 12. Grafik fluktuasi tekanan pada pengujian mode 2

29 18 Gambar 13. Grafik fluktuasi tekanan pada pengujian mode 3 Gambar 14. Grafik fluktuasi tekanan pada pengujian mode 4 Dalam penelitian ini, diuji juga fluktuasi tekanan ketika terjadi perubahan mode untuk melihat seberapa cepat respon secara keseluruhan terhadap perubahan tekanan. Berikut adalah grafik performa ketika terjadi perubahan dari mode 1 ke mode 4 dengan kurva per 20 pergerakan rata-rata:

30 19 Gambar 15. Pengujian tekanan pada perubahan mode operasi Pada grafik di atas, pompa mengalami perubahan mode operasi pada detik ke 60 dari mode 1 ke mode 4, namun pembacaan tekanan baru mengalami respon yang signifikan pada detik ke , dan mulai stabil pada detik ke 66. Kemudian pada detik ke 120 dilakukan perubahan mode operasi dari mode 4 ke mode 1, dan didapatkan hasil yang kurang lebih sama, yaitu pembacaan tekanan mulai mendapatkan respon signifikan pada satu hingga dua detik setelah perubahan mode operasi dilakukan, dan mulai stabil enam detik setelahnya. Hasil Pengujian Otomasi Pengujian otomasi dilakukan dengan menetapkan set point terlebih dahulu dan membandingkan nilai tegangan yang didapatkan dengan set point. Pengujian menggunakan set point 209 (atau setara dengan 4.1 V tegangan yang diterima mikrokontroler dan 125 Pa tekanan fluida), dan tekanan aliran udara stabil pada sinyal PWM Pengujian dilakukan dua kali, yaitu pengujian ketika tegangan pompa dilebihkan, dan pengujian ketika tekanan udara dikurangi. Melebihkan tegangan bertujuan untuk melebihkan aliran udara sehingga pembacaan tegangan melewati set point, dan dilakukan dengan potensiometer. Sedangkan pengurangan tekanan udara dilakukan dengan menutup sebagian kran sehingga pembacaan tegangan di bawah set point. Pada pengujian pertama, melebihkan tegangan dilakukan dengan potensiometer pada detik ke 60. Dibutuhkan sekitar enam detik bagi sistem untuk kembali ke tekanan normal. Pada pengujian kedua, kran ditutup sebagian pada detik yang sama, dan menunjukkan waktu respon yang lebih singkat, yaitu lima detik.

31 20 Berikut adalah grafik hasil pengujian otomasi dengan kurva per 20 pergerakan rata-rata: Gambar 16. Grafik fluktuasi tekanan ketika pengujian otomasi pertama Gambar 17. Grafik fluktuasi tekanan ketika pengujian otomasi kedua

32 21 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Pengaturan aliran udara berdasarkan input tekanan udara dari piringan orifice sangat dimungkinkan hingga derajat tertentu, namun akurasi dan kecepatan respon sangat ditentukan dari desain piringan orifice dan kualitas komponen elektronika yang dipakai. Noise atau gangguan sinyal yang diterima oleh mikrokontroler akan mempengaruhi hasil komputasi sehingga mempengaruhi sinyal yang diberikan kepada aktuator. Dalam penelitian ini, didapatkan bahwa tekanan udara yang mengalir dapat dipertahankan pada jangkauan sinyal PWM yang luas, yaitu antara 100 hingga 170, dan dengan kecepatan respon paling cepat lima detik. Saran Diperlukan desain piringan orifice yang mampu mendeteksi nilai beda tekanan udara antara dua titik dengan lebih akurat. Penggunaan lubang orifice yang lebih kecil berpotensi mengurangi debit namun meningkatkan nilai beda tekanan yang dideteksi oleh sensor. Penggunaan penguat sinyal sebisa mungkin dihindari karena dapat menghadirkan kebisingan yang mengganggu penerimaan sinyal oleh mikrokontroler. Sangat dimungkinkan untuk mempercepat respon mesin hingga kurang dari satu detik dengan penggunaan pompa yang lebih cepat atau yang tidak memiliki siklus hisap dan tekan (misal pompa tipe kipas). DAFTAR PUSTAKA Bennett S A History of Control Engineering London: Peter Peregrinus Ltd. Boyes W Instrumentation Reference Book, Fourth Edition. Butterworth- Heinemann. FAO. Review of Pumps and Water Lifting Techniques. [8 Mei 2014]. Lipták, BG Flow Measurement. CRC Press. Lipták, BG Process Measurement and Analysis, Volume 1. CRC Press. Perry RH, Green DW, Maloney JO Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill. Poslad S Ubiquitous Computing Smart Devices, Smart Environments and Smart Interaction. John Wiley and Sons.

33 22 Rifkin J The End of Work: The Decline of the Global Labor Force and the Dawn of the Post-Market Era. Putnam Publishing Group. Rouse-Ball WW "The Bernoullis". A Short Account of the History of Mathematics. Dover. Walsh P dan Fletcher P Gas Turbine Performance. John Wiley and Sons. Zucker RD dan Biblarz O Fundamentals of Gas Dynamics. John Wiley and Sons.

34 23 LAMPIRAN Lampiran 1: Kode program untuk mikrokontroler #include <mega8535.h> #include <math.h> #include <stdlib.h> #include <delay.h> #include <alcd.h> #define ADC_VREF_TYPE 0x60 unsigned char read_adc (unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input (ADC_VREF_TYPE & 0xff); delay_us(10); ADCSRA =0x40; while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA =0x10; return ADCH;} int i; unsigned int volt8; float volt, tekanan; char kata1[32], kata2[32]; void main (void) { PORTA=0x00; DDRA=0x00; PORTB=0x00; DDRB=0x08; PORTC=0x00; DDRC=0xff; PORTD=0x00; DDRD=0x00; TCCR0=0x61; TCNT0=0x00; OCR0= 0xC8; TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00;

35 24 ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; TIMSK=0x00; UCSRB=0x00; ACSR=0x80; SFIOR=0x00; ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0xA4; SFIOR&=0x0F; SPCR=0x00; TWCR=0x00; lcd_init(16); while (1) { volt8=0; set_point=209; for(i=1;i<=8;i++){ volt8=volt8+read_adc(0); if (set_point>(volt8/i)) {OCR0++;} if (set_point<(volt8/i)) {OCR0--;} delay_ms(80);} volt=volt8/8; volt=(volt/51)*1000; ftoa(volt,2,kata1); lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,0); lcd_puts("v=");

36 25 lcd_puts(kata1); lcd_puts(" mv"); // q = x tekanan=volt* ; ftoa(tekanan,2,kata2); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts("q="); lcd_puts(kata2); lcd_puts(" l/menit"); } }

37 26 Lampiran 2: Desain pipa orifice

38 27 Lampiran 3: karakteristik operasi MPX 5050 Karakteristik Minimum Tipikal Maksimum Satuan Jangkauan tekanan 0-50 kpa Tegangan masukan Volt DC Arus masukan ma DC Tegangan output minimum Volt DC Tegangan output maksimum Volt DC Jangkauan tegangan Volt DC Beda tekanan maksimum kpa Sensitivitas mv/kpa Temperatur operasi -40 o o o C Keterangan: 1 : beda tekanan antara P1 dan P2

39 28 Lampiran 4: Dimensi dari sensor MPX 5050

40 29 Lampiran 5. Foto alat yang telah dibuat Kran Pipa orifice P1 P2 Rangkaian mikrokontroler, penguat, dan filter Sensor Pompa

41 30 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 4 September 1990 dan merupakan anak keempat dari lima bersaudara. Penulis lulus dari SMA Negeri 99 Jakarta pada tahun 2008 dan masuk Institut Pertanian Bogor pada tahun yang sama melalui Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) dan diterima di Departemen Teknik Pertanian (sekarang bernama Departemen Teknik Mesin dan Biosistem) Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor. Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif dalam organisasi perwakilan mahasiswa, diantaranya di Dewan Perwakilan Mahasiswa Tingkat Persiapan Bersama pada tahun 2009, Dewan Perwakilan Mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian pada tahun , dan Dewan Pengawas Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian pada tahun Pada tahun , penulis menjadi asisten praktikum mata kuliah Motor dan Tenaga Pertanian. Pada tahun , penulis menjadi Senior Resident Asrama Tingkat Persiapan Bersama dan menjadi pembina Klub Ilmiah Asrama. Di luar kampus, penulis menjadi pengajar di berbagai bimbingan belajar untuk siswa SMP hingga mahasiswa sejak tahun , aktif menjadi penulis dan kontributor di Wikipedia Indonesia sejak tahun 2008, serta aktif dalam mempromosikan Wikipedia Indonesia di masyarakat. Pada tahun 2011, penulis melaksanakan praktik lapangan di Koperasi Peternak Bandung Selatan Pangalengan dengan judul Aspek Teknik Pertanian pada Usaha Peternakan Sapi Perah di KPBS Pangalengan, Bandung.