PEMBUATAN DETEKTOR FREKUENSI TUNGGAL BERBASIS PRINSIP EDDY CURRENT UNTUK PENGUKURAN KETEBALAN LOGAM NON MAGNETIK CU DAN AL

Transkripsi

1 Jurnal Kounikasi Fisika Indonesia Jurusan Fisika FMIPA Univ. Riau Pekanbaru. Edisi April 07. p-issn ; e-579-5x Eail: PEMBUATAN DETEKTOR FREKUENSI TUNGGAL BERBASIS PRINSIP EDDY CURRENT UNTUK PENGUKURAN KETEBALAN LOGAM NON MAGNETIK CU DAN AL Santi T Sidabukke, Ari Sulistyo Rini, Tengku Erinaldi, Lazuardi Uar Jurusan Fisika FMIPAUR Fakultas Mateatika dan Ilu Pengetahuan Ala Kapus Binawidya Pekanbaru, 893, Indonesia lazuardi.uar@gail.co ABSTRAK Metode-etode yang telah dilakukan dala pengukuran ketebalan loga adalah etode anual (jangka sorong) dan etode ultrasonic thickness. Keleahan dari kedua etode ini yaitu data yang dihasilkan kurang akurat karena sulitnya proses pebacaan dan harga yang relative ahal. Pengebangan teknologi di bidang sensor eungkinkan pebuatan detektor ketebalan loga yang dapat engatasi keleahan dari kedua etode tersebut yaitu enggunakan eddy current. Sensor eddy current dapat engukur ketebalan lapisan loga non agnetik elalui hubungan tegangan dengan variasi ketebalan diana ketebalan yang digunakan untuk Cu yaitu 0,4,,,5,, 4, 4,, 5, 5, sedangkan Al yang digunakan yaitu 0,5, 0,4, 0,5, 0,6,,,,,5,,,, 3, 4, 5 dengan frekuensi yang diperoleh 700 KHz, MHz dan,33 MHz. Kurva tegangan vs ketebalan untuk aluuniu dan tebaga eiliki hubungan eksponensial. Jarak antara sensor dengan aterial non agnetik dijaga konstan sebesar. Kata Kunci : eddy current, tegangan, ketebalan ABSTRAC Studies of the easureent of the thickness for etal non agnetic using anual ethod (calipers) and ultrasonic thickness have been ade by researcher. The weakness of the both ethod were the accuratenessof datafor hard reading process and the price of aterials oreexpensive. Developentof the sensor technology allows to pubricate of etal thickness detector which can solution for the disadvantages of the two ethods with using eddy current. Eddy current sensor using to easure the thickness of non-agnetic etal layer through relations of voltage and thickness variation, for Cu 0.4,,.5,, 4, 4., 5, 5. and for Al 0.5, 0.4, 0.5, 0.6,,.,.5,,., 3, 4, 5, frequency delivered for 700 KHz, MHz and,33 MHz.The graphic of voltage and thickness for aluinu and copper have exponential. Distance between sensor an non-agnetic aterial is was constant at. Keyword: eddy current, voltage, thickness 00

2 . PENDAHULUAN Teknologi yang dikebangkan di dunia industri dala engetahui cara endeteksi ketebalan suatu loga telah banyak diteliti. Salah satunya engukur ketebalan dengan jangka sorong.alat ini erupakan pengukur ketebalan loga secara anual. Kelebihan daripada alat ini harganya yang cukup urah dan apu engukur ketebalannya dari sisi luar dengan cara diapit. Adapun kekurangannya yaitu sulit elihat angka sehingga hasil pengukuran sering tidak akurat. Alat lainnya yang lebih canggih yaitu denganultrasonic Thickness. Alat ini cukup enggunakan satu sisi dari aterial dan persiapannya relatif udah naun kekurangan alat ini adalah alat ini cukup ahal dan kurang sesuai untuk aterial yang tipis. Maka pada penelitian selanjutnya akan dilakukan percobaan dengan enghasilkan sensor yang enggunakan prinsip eddy current. Banyak kelebihan-kelebihan yang dapat digunakan dengan enggunakan prinsip arus eddy ini yaitu hasil pengukurannya sangat akurat, eiliki sensitivitas yang tinggi, apu diujikan pada setiap loga. Metode eddy current digunakan dala berbagai aplikasi teknologi seperti pengukuran ketebalan, peeriksaan utu, penabahan dan perawatan perukaan. Pengujian enggunakan etode eddy current dapat diterapkan pada bahan agnetik aupun non agnetik.sensor eddy current berfungsi sebagai sensor induktif yang dapat digunakan pada bidang otootif serta bidang autoatisasi baik untuk industri aupun untuk penggunaan sektor pribadi dijelaskan oleh Horsky pada tahun (005). Rahondia (009) telah elakukan pengebangan sensor eddy current untuk engukur posisi linier berbasis koil datar (planar coil) dengan presisi tinggi, dengan salah satu aplikasi adalah sebagai sensor pengukur getaran dan dilanjutkan dengan engebangkan rangkaian pengolah isyarat sensor kapasitif-induktif epergunakan osilator LC untuk engukur kelebaban gabah. Sensor eddy current juga dapat engukur lapisan tipis loga dengan variasi jarak (Wang, 05) seentara Yin (006) elakukan penelitian bahwa sensor eddy current dapat engukur ketebalan bahan non agnetik dengan ulti frekuensi. Penelitian tentang sensor eddy currentberguna untuk pebuatan kubah asjid yang enentukan variasi pelat loga,pengrajin eas dan perak yang eerlukan data ketebalan pelapisan dan pengusaha sepuh (chro) dan sebagainya. Alat ini dapat ebantu pekerjaan para pengrajin sehingga hasil pengukuran ketebalan akan lebih udah dilakukan. Penelitian ini akan dikebangkan sensor induktif etode eddy currentdengan frekuensi tunggal untuk engukur ketebalan lapisan tipis non agnetik.. TINJAUAN PUSTAKA. Sensor Eddy Current Medan agnet induksi yang dihasilkan oleh listrik bolak-balik besarnya berubahubah terhadap waktu enghasilkan arus listrik yang besarnya juga berubah-ubah terhadap waktu. Arus ini enghasilkan edan agnet di sekitar konduktor yang besarnya juga berubah-ubah.prinsip kerja sensor eddy current dapat dilihat pada Gabar. Gabar. Sensor Eddy current (Wang, 05) Gabar terlihat bahwa dala loop tertutup yang terinduksi dala bidang tegak lurus terhadap fluks agnetik. Arus ini terpusat pada perukaan berdekatan dengan sebuah kuparan eksitasi dan kekuatannya enurun dengan jarak dari kuparan. 0

3 .. Sensor Koil Datar Sensor kuparan induksi adalah salah satu sensor agnetik yang enggunakan prinsip eddy current. Induktansi koil datar berubah karena gangguan dari aterial konduktif dala edan agnetik sehingga enghasilkan pusaran arus. Pengaruh dari arus bolak balik pada koil enyebabkan terjadi dua jenis induktansi yaitu induktansi diri (self-inductance) dan induktansi bersaa (utual-inductance).... Induktansi Diri (Self Inductance) Medan agnetik interval yang dikenal sebagai induktansi diri dapat dihitung enggunakan Huku Biot-Savart yang diberikan sebagai berikut. dφ dl ε = = L () dt dt.. Induktansi Bersaa (Mutual Inductance) Kuat arus yang engalir pada sebuah induktor enghasilkan induktansi diri naun hal ini dipengaruhi oleh adanya induksi agnetik luar sehingga enghasilkan induktansi bersaa atau yang dikenal sebagai Mutual Inductance. Induktansi bersaa bergantung pada bentuk geoetri kedua rangkaian serta jarak antar rangkaian ataupun aterial pengganggu. Secara ateatis induktansi bersaa didefenisikan sebagai berikut : φ = L I + M I () Nilai induktansi pada suatu koil datar dihitung dengan engasusikan bahwa koil datar tersebut tersusun enyerupai lapisan koaksial (Lazuardi, 999) seperti yang diperlihatkan pada Gabar dibawah ini : Gabar Induktansi koil datar Induktansi yang terjadi padaplat koil datar diperoleh dengan enjulahkan nilai induktansi diri (L) dengan induktansi bersaa (M) sehingga dapat dinyatakan sebagai berikut : N L = L n + M n, (3) n diana ; N µ b L = 0 n an K an ( ) E ( ) µ ο a a M n = n, n, n, n, nn, n n ( n ) K( n ) E( n ) E( n ) (4) (5).3 Osilator Osilator LC enggunakan rangkaian resonansi sebagai pebangkit gelobang dan enggunakan penguat untuk engatasi redaan oleh resistansi dala induktor dan konduktansi kapasitor. Gabar rangkaian penala dapat dilihat pada Gabar 3. Gabar 3Rangkaian penala (tank circuit) Nilai frekuensi dari rangkaian paralel diatas saa dengan tahanan kopleks Z (Lazuardi, 999) yaitu : Z = UUUU 0 = IIII = IIII 0 YYYY jjjjjjjjjjjj + RRRR+jjjjjjjjjjjj U 0 I Z = = = I 0 Y jωc R ( ωl) + jω C R + R + jωl + ( ωl) + Dari sudut fasa I Z = 0 ditentukan frekuensi resonansi ω 0 enjadi = (6) (7) 0

4 C ω o = R (8) LC L Untuk nilai R << ω 0 L diperoleh besarnya faktor kualitas Q sebesar L Q = (9) R C Dan frekuensi resonansi dari ω 0 yang diperoleh enjadi ω 0 = LC Q LC Q (0) f = π lc Q π LC Q () Rangkaian osilator LC pada penelitian ini akan epergunakan inverter dari IC 4007 yang erupakan Dual Copleentary Pair Plus Inverter yang terdiri atas asing-asing 3 N-channel dan P-channel enhanceent ode devices packaged..6 Rangkaian Pengunci Fasa (Phase Locked Loop) Blok diagra IC PLL 4046 dapat dilihat pada Gabar 4. Gabar 4 Blok Diagra IC PLL 4046 Rangkaian 4046 tersusun dari buah fasa koparator, buah source follower dan buah VCO. Fasa koparator eiliki dua buah sinyal asukan diana kaki 4 eneria input dari osilator LC seentara kaki 3 eneria input dari internal yang ditentukan oleh R, R dan C, setelah itu elewati koparator fasa. Koparator fasa adalah sebuah pengontrol-tepian digital eori yang berisi pengontrol gerbang dan sebuah 3 state outputnya tipe n dan p. Nilai R, R dan C pada rangkaian pengunci fasa dari IC PLL 4046 didapat dari interpolasi kurva pada Gabar 5 berikut ini. Gabar 5 Kurva Khas Frekuensi vs Kapasitansi 3. METODE PENELITIAN 3.Pebuatan Osilator LC Osilator LC dibuat dengan cara erakit koponen-koponen elektronik pada PCB (Printed Circuit Board) yang didesain enggunakan software EAGLE versi Sensor eddy current dengan aterial pengganggu akan dibuat pada jarak yang konstan sehingga dapat diperoleh frekuensi keluaran enggunakan rangkaian osilator LC. Pengujian akan dilakukan terhadap perubahan frekuensi dengan jarak konstan terhadap aterial pengganggu. Suatu set up eksperien dibuat sebagai tepat sensor pada jarak konstan dan akan diteliti pengaruh sifat bahan dan variasi ketebalan dari aterial non agnetik. 3. Pebuatan Prototipe Detektor Ketebalan Loga Pebuatan prototipe enggunakan bahan seperti PVC enjadi ruahan dilakukan untuk enghindari adanya gangguan (interferensi) yang akan diteria 03

5 koil datar sehingga akan engganggu hasil pengukuran.hal ini bertujuan agar sensor kokoh berada dala ruahan selaa pengukuran yang engeliinir perubahan set up alat. Tahap awal pebuatan rangkaian elektronik dilakukan terpisah dari ruahan prototipe keudian pada tahapan akhir rangkaian elektronik akan ditepatkan di dala ruahan seperti pada Gabar 6 dan dibuat epergunakan koponen tipe SMD (Surface Mounting Devide). Gabar6Bentuk dan geoetri irisan dari prototipe alat pengukur ketebalan lapisan non konduktif pada (a) dala 3 diensi dan (b) diensi probe 3.3 Susunan Eksperien Pengukuran Ketebalan Lapisan Loga Eksperien pengukuran ketebalan lapisan loga dilakukan di laboratoriu Fisika Terapan.Sensor eddy current diletakkan pada ruahan dengan bahan PVC agar hasil yang diteria tidak terpengaruh oleh interferensi. Susunan set up pengukuran dapat digabarkan pada blok diagra berikut : Hasil pengukuran loga yang dilakukan sensor eddy current enghasilkan data hubungan antara tegangan (Uo) dan frekuensi (f) yang selanjutnya diolah enggunakan Siga Flot berdasarkan perodelan dari grafik antara tegangan (Uo) dengan ketebalan (t). Pengukuran dilakukan dengan envariasikan ketebalan pelat yang dinyatakan sebagai t (thickness). Jarak antara sensor eddy current terhadap aterial dibuat konstan 4. Hasil dan pebahasan Data pengukuran yang didapat keudian diolah enggunakan SigaPlot. Hubungan antara ketebalan loga dengan tegangan keluaran dapat dilihat pada peodelan yang berbeda pada setiap loga. Peodelan yang dihasilkan berbeda tergantung aterial yang digunakan. Gabar 8 dan Gabar 9 enunjukkan peodelan antara ketebalan loga (d) dengan tegangan keluaran (U0) diana Gabar 8 erupakan peodelan dari aterial tebaga (Cu) sedangkan Gabar 9peodelan dari aterial aluuniu (Al). Ketebalan aterial tebaga (Cu) yang digunakan yaitu 0,4,,,5,, 4, 4,, 5, 5, sedangkan ketebalan aluuniu (Al) yang digunakan yaitu 0,5, 0,4, 0,5, 0,6,,,,,5,,,, 3, 4, 5. Gabar 8. Peodelan Tebaga (Cu) Gabar 7. Blok diagra siste pengukuran ketebalan aterial Berdasarkan Gabar 8 enunjukkan hubungan antara ketebalan (d) aterial tebaga dengan tegangan keluaran (U0) 04

6 diana seakin tebal aterial aka seakin tinggi tegangan keluarannya. Hubungan tersebut dapat dinyatakan oleh fungsi odel dengan persaaan U0= a+bd diana d erupakan ketebalan loga dengan asing-asing nilai paraeter. Data yang didapat diolah dengan perangkat lunak SigaPlot. Nilai paraeter odel sisteatis dari peodelan diatas ditunjukkan pada Tabel di bawah ini Gabar 9 Peodelan Aluuniu (Al) Hasil peodelan eberikan fungsi yang enyatakan hubungan antara ketebalan loga (d) dan tegangan keluaran (U0) diana fungsi odel persaaannya adalah U0 = a+bd+c/d. Data yang didapatkan diolah dengan perangkat lunak SigaPlot dengan nilai paraeter odel ditunjukkan pada Tabel berikut 5. KESIMPULAN Berdasarkan data yang diperoleh pada penelitian ini, didapat beberapa kesipulan, yaitu :. Menghasilkan berupa prototipe detektor enggunakan prinsip Eddy Current yang dapat endeteksi ketebalan suatu loga elalui hubungan tegangan dan ketebalan loga non agnetik.. Hubungan antara ketebalan pelat non agnetik dan tegangan sensor diana seakin tebal pelat aka seakin tinggi tegangan sensor yang dihasilkan dikarenakan adanya Arus Eddy yang disebabkan oleh tegangan yang diberikan dengan frekuensi 700 KHz, MHz dan,33 MHz. 6. DAFTAR PUSTAKA Fraden, Jacob Handbook of Modern Sensor, Physics, Designs, and Applications. Springer.San Diego USA. Horsky, P LC Oscillator Driver for Safety Critical Applications.Proc.of DATE 05 Conference, Designers Foru, Munich, Gerany, Lazuardi, 999.Studi Awal Sensor Getaran Berdasarkan Prinsip Induktif, Thesis S, Jurusan Fisika FMIPA itb Bandung. Malik, dkk. 05. Sensor Planar Induktif Berbasis Bahan PCB FR-4 Untuk Pengukuran Jarak Kecil. Prosiding Seinar Nasional Fisika Universitas Andalas (SNFUA). Rahondia NS, 009. Desain dan Pebuatan Sensor Getaran Frekuensi Rendah Berbasis Koil Datar, Thesis S, Jurusan Fisika FMIPA ITB Bandung. Wang H. Li W., dan Feng Z. 05. Noncontact Thickness Measureent of Metal Fils Using Eddy-Current Sensors Iune to Distance Variation, IEEE Transactions on instruentation and easureent, vol. 64, no. 9, Septeber Yin W, Dickinson SJ, Peyton AJ A ulti-frequency ipedance analyzing instruent for eddy current testing. Meas Sci Technol 7: