BAB IV PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM

Transkripsi

1 BAB IV PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM IV.1 Deskripsi Perangkat Perangkat yang dirancang dalam tugas akhir ini merupakan sistem instrumentasi pengukuran yang bertujuan untuk merekam data sinyal dari accelerometer dan sinyal dari strain gauge pada paku bumi saat dipancang ke dalam tanah. Hammer Impact Strain Gage Accelerometer Pengolah Sinyal ADC Gambar IV.1 Akuisisi data sinyal strain gauge dan accelerometer 18

2 Secara umum alat terdiri dari sensor, pengolah sinyal, ADC, dan komputer. Alat penerima stimulus ini adalah sensor accelerometer dan strain gauge. Stimulus mekanik yang diterima, diubah menjadi sinyal elektronik oleh kedua sensor dan masuk ke rangkaian-rangkaian pengolah sinyal yang kemudian masuk ke ADC lalu dihubungkan ke komputer. IV.2 Diagram Blok Alat PERANGKAT KERAS PENERIMA SINYAL ACCELEROMETER STRAIN GAUGE TRIGGER PENGOLAH SINYAL JEMBATAN WHEATSTONE BUFFER PENGUAT INSTRUMENTASI ANALOG TO DIGITAL CONVERTER KOMUNIKASI UNIVERSAL SERIAL BUS USB PERANGKAT LUNAK PENGOLAH SINYAL LABVIEW 8 Gambar IV.2 Diagram Blok Perangkat 19

3 Pada gambar IV.2, Bagian penerima sinyal percepatan yaitu accelerometer dipasang di sisi bagian atas dari paku bumi. Sensor accelerometer berfungsi untuk menangkap stimulus mekanik berupa getaran akibat pemancangan tiang ke dalam tanah dan mengubahnya menjadi sinyal elektronik. Selanjutnya sinyal elektronik ini diolah pada bagian pengolah sinyal. Pengolahan sinyal meliputi penguatan dan penapisan. Sinyal yang telah diolah melalui perangkat keras diubah ke dalam bentuk digital dengan ADC dan diteruskan ke komputer melalui kabel USB. Untuk pengukuran gaya yang bekerja pada paku bumi, bagian penerima sinyal yang digunakan adalah sensor strain gauge. Sensor ini berfungsi untuk mengukur regangan dari paku bumi saat dipancang. Penempatan sensor ini sama seperti accelerometer, yaitu direkatkan di ujung sisi atas paku bumi. Sifat elastis yang dimiliki oleh beton yang merupakan bahan dari paku bumi ini menyebabkan perubahan resistansi dari strain gauge setelah mengalami hantaman dari palu pemancang. Dengan menggunakan rangkaian jembatan Wheatstone akan didapatkan sinyal tegangan hasil dari perubahan resistansi. Pengolahan sinyal yang dilakukan meliputi penguatan dengan penguat instrumentasi. pengubahan sinyal dari dari analog ke digital menggunakan ADC yang sama dengan ADC yang digunakan untuk pengubahan sinyal analog dari accelerometer. Sinyal digital diteruskaan ke komputer melalui kabel USB. Perangkat lunak yang dirancang oleh penulis dalam program LabView 8 dapat menampilkan sinyal dalam bentuk kurva yang ditampilkan di layar monitor dan merekamnya untuk disimpan dalam folder penyimpanan untuk dilihat kembali pada saat akan diolah. 20

4 IV.3 Fungsi dan Cara Kerja Fungsi dan cara kerja setiap bagian alat yang terdapat pada gambar 3.1 dijelaskan lebih rinci sebagai berikut: Accelerometer Accelerometer adalah alat ukur inersial yang mengubah gelombang mekanik menjadi sinyal elektronik. Sinyal yang dihasilkan selaras dengan percepatan getaran yang menggunakan prinsip piezoelektrik. Alat ukur inersial ini mengukur gerakan yang relatif terhadap massa yang terdapat dalam accelerometer. Prinsip kerja alat ini mengikuti hukum ketiga Newton tentang aksi-reaksi: aksi yang diberikan terhadap suatu benda akan menghasilkan reaksi yang sama dari benda tersebut dengan aksi yang diberikan terhadapnya. Rangkaian Penyangga / buffer Rangkaian buffer berfungsi untuk mengisolasi bagian sensor dan bagian pengukuran pada ADC. Rangkaian buffer ini juga berfungsi sebagai bandpass filter untuk menghindari terjadinya aliasing pada proses pembacaan data. Strain gauge Strain gauge adalah suatu sensor resistive yang elastis yang mempunyai hambatan atau resistansi yang merupakan fungsi dari regangan. Suatu perubahan resistansi pada suatu material akibat dari deformasi secara mekanik disebut efek piezoresistive. Strain gauge adalah salah satu material yang mengalami efek piezoresistive tersebut. Jembatan Wheatstone Untuk mengetahui besar perubahan hambatan dari strain gauge maka diperlukan suatu rangkaian yang dinamakan rangkaian jembatan Wheatstone. Rangkaian jembatan Wheatstone ini memiliki empat buah resistor atau hambatan yang besarnya 21

5 sama. Salah satu resistor adalah sensor strain gauge yang berfungsi menerima stimulus berupa regangan. Penguat Instrumentasi Pada bagian ini terdiri atas rangkaian penguat dengan OpAmp. Sinyal yang diterima akan diperkuat sesuai dengan perbandingan nilai resistor pada rangkaian. ADC (Analog to Digital Converter) 14 bit ADC yang digunakan pada perangkat ini yaitu ADC 14 bit buatan National Instrument. Masukan sinyal analog dari accelerometer dan strain gauge setelah melalui pengolahan sinyal diubah ke digital dan masuk melalui USB ke komputer. Komunikasi USB (Universal Serial Bus) LabView8 Perangkat lunak memiliki fungsi untuk mengolah kembali sinyal untuk mendapatkan data yang dibutuhkan. Perangkat lunak juga berfungsi sebagai user interface dalam menggunakan alat ini. Bahasa pemrograman yang digunakan dalam pengembangan perangkat lunak ini adalah bahasa pemrograman pada LabView 8. Monitor dan PC Keluaran dari perangkat ini berupa kurva plot amplitudo terhadap waktu. Baik itu stimulus accelerometer ataupun stimulus dari strain gauge. Untuk menampilkan kurva plot keluaran tersebut digunakan monitor. Dari penjelasan fungsi tiap bagian sistem tersebut, dapat dideskripsikan cara kerja alat sebagai berikut: Stimulus mekanik berupa getaran akibat dari pukulan palu pemancang ke ujung paku bumi diterima oleh sensor accelerometer yang di pasang di sisi atas paku bumi. Begitu pula regangan dari paku bumi saat dipancangkan, diterima oleh sensor strain 22

6 gauge. Stimulus mekanik tersebut diubah menjadi besaran sinyal elektronik yaitu sinyal tegangan. Sinyal tegangan ini kemudian diperkuat oleh rangkaian penguat OpAmp. Dari OpAmp dihubungkan ke ADC.. Dari ADC sinyal tersebut diteruskan ke komputer dan dapat langsung dilihat di layar komputer menggunakan program. Dengan pengolahan sinyal di LabView 8 sinyal accelerometer di ubah menjadi sinyal kecepatan untuk sinyal dari accelerometer melalui proses integrasi. Nilai dari perubahan regangan akibat hantaman palu di ujung tiang dari sensor strain gauge diubah menjadi besaran sinyal elektronik berupa sinyal tegangan oleh rangkaian jembatan wheatstone. Sinyal elektronik ini kemudian diperkuat oleh rangkaian penguat OpAmp. Dari OpAmp dihubungkan ke ADC masuk ke komputer melalui kabel USB. Sinyal dari strain gauge dikalikan dengan faktor pengali yaitu modulus elastis dari paku bumi dan luas penampang dari gaya impuls untuk mendapatkan sinyal gaya. Sinyal ini kemudian ditampilkan secara bersama-sama dengan sinyal kecepatan dari accelerometer di layar komputer menggunakan perangkat lunak LabView 8. IV.4 Spesifikasi Alat Spesifikasi alat yang dirancang dan direalisasikan ditunjukkan pada tabel 4.1. Seperti yang telah dijelaskan, sistem ini terdiri dari dua bagian, yaitu perangkat keras yang menangkap sinyal dan menghubungkan alat ke komputer dan perangkat lunak aplikasi komputer yang digunakan untuk mengolah sinyal, menghitung, dan menyimpan sinyal. 23

7 Tabel IV.1 Spesifikasi Perangkat Spesifikasi Keterangan Sinyal Masukan Stimulus mekanik percepatan dan regangan dari pemancangan paku bumi Strain Gauge Panjang 60 mm Resistansi 120 ± 0.3 Ω Gauge factor 2,09 ± 1 % Tranverse Sensitivity 0,8 % Accelerometer Daerah kerja frekuensi masukan ± 1 Hz 1000 Hz Komunikasi Universal Serial Bus (USB) perangkat ke komputer Peraga Monitor komputer untuk menampilkan kurva plot sinyal kecepatan partikel dan gaya terhadap waktu. Bahasa pemrograman Bahasa pemrograman Virtual instrument LabView 8 untuk pengembangan aplikasi pengolah sinyal perangkat lunak Fungsi Bagian Perangkat Keras Menerima stimulus mekanik berupa percepatan dari getaran dari paku bumi dan mengubah menjadi sinyal elektronik Menerima stimulus mekanik berupa regangan dari paku bumi dan mengubah menjadi sinyal elektronik Memperkuat sinyal Menghubungkan dengan ADC Fungsi Bagian Menghitung kecepatan partikel yang bekerja pada paku 24

8 Perangkat Lunak bumi dari sinyal accelerometer Menghitung gaya yang bekerja pada paku bumi dari sinyal strain gauge Menampilkan kurva sinyal kecepatan terhadap waktu Menampilkan kurva sinyal gaya terhadap waktu Merekam kurva sinyal kecepatan dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm Merekam kurva sinyal gaya dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm IV.5 Perancangan Perangkat Keras IV.5.1 Sinyal Strain Gauge IV Sensor Strain Gauge Gambar IV.3 Sensor Strain gauge 25

9 Sensor ini bekerja apabila diberikan stimulus sehingga terjadi perubahan regangan. Perubahan regangan ini mengakibatkan terjadinya perubahan resistansi. Sensor yang digunakan memiliki nilai resistansi sebesar 120 ± 0.3 Ω. Untuk mendeteksi perubahan resistansi ini digunakan rangkaian jembatan Wheatstone sebagai salah satu pengolah sinyalnya. IV Jembatan Wheatstone Gambar IV.4 Rangkaian Jembatan Wheatstone Nilai resistansi dari perangkat yang dirancang untuk R1 dan R2 adalah sebesar 120 Ω. Untuk resistansi R3 sebesar 100 Ω dan Rv adalah resistor variabel antara 0 50 Ω. Tegangan input sebesar 5 Volt dan nilai gauge factor( S e ) adalah Jika diumpamakan resistor variabel di set menjadi 20 Ω dan perubahan dari strain gauge (ΔR) di set dari -1 sampai 1 Ω. ΔV V ref out 1 = Seε 4 Maka secara teori, regangan yang terjadi bernilai seperti di dalam tabel. 26

10 straingauge (Ω) Vref Vout Strain,ε R ΔR (V) (mv) (μm/m) Tabel IV.2 Hubungan tegangan masukan referensi, tegangan keluaran jembatan wheatstone, hambatan strain gauge dan regangan IV Penguat Instrumentasi Pada rangkaian penguat, digunakan IC 741 op-amp. Berikut ini adalah gambar rangkaiannya. Penguat seperti ini biasa disebut sebagai penguat instrumentasi atau Instrumentation Amplifier. 27

11 Gambar IV.5 Penguat Instrumen ( Nilai resistor yang digunakan dalam penguat instrumen ini antara lain: R5 = R6 = 100 KΩ R1 = R2 = R3 = R4 = 1 KΩ RG = 200 Ω dan multiturn 20 KΩ 2R5 R2 Vout = ( Vin2 Vin1)(1 + )( ) RG R1 (4.1) Jika diumpamakan penguat instrumentasi diberi masukan tegangan (Vin2) sebesar 5 mv, Vin1 sebesar 0 V dan nilai hambatan RG yang berbeda-beda dalam rentang KΩ. Maka sesuai teori, keluaran tegangannya yang terjadi akan menunjukkan rentang seperti pada tabel dibawah: 28

12 Vin2(mV) RG (Ω) Vout(mV) Penguatan Tabel IV.3 Hubungan tegangan masukan, resistor variabel dan tegangan keluaran dari penguat instrumentasi Seperti yang telah dijelaskan dalam tabel maka area penguatan dari penguat instrumentasi perangkat ini berkisar antara 11 kali sampai 500 kali penguatan. Gambar IV.6 Rangkaian Jembatan Wheatstone dan Penguat Instrumentasi 29

13 IV.5.2 Sinyal Accelerometer IV Accelerometer Sensor yang digunakan dalam pembuatan tugas akhir ini adalah sensor buatan Wilcoxon Dimensi Daerah Kerja Gambar IV.7 Sensor Accelerometer ( Gambar IV.8 Basic frequency response accelerometer ( 30

14 Sensitifitas Sensitifitas dari sensor ini sebesar 10 V atau setara dengan 1,02 g V m 2 s IV Penyangga Gambar IV.9 Rangkaian Penyangga IV.5.3 ADC 14 bit Pengubah sinyal analog yang digunakan dalam perangkat ini adalah ADC 14 bit. Metode pengubahan sinyal dari ADC 14 bit ini adalah Successive Approximation Register (SAR). Memiliki batas maksimum masukan sebesar ±20 Volt. Dari kedua input tegangan yang masuk ke dalan ADC ini kemudian dicacah kemudian data cacahan dikirim ke komputer melelui komunikasi USB. 31

15 Gambar IV.10 Analog to Digital Converter 14 bit ( Gambar IV.11 Diagram Blok ADC ( IV.6 Perancangan Perangkat Lunak Perangkat lunak dari alat ini dibuat dalam pemrograman LabView 8. Fungsi yang dikembangkan dalam perangkat lunak adalah: 32

16 1. Menghitung kecepatan partikel yang bekerja pada paku bumi dari sinyal accelerometer 2. Menghitung gaya yang bekerja pada paku bumi dari sinyal strain gauge 3. Menampilkan kurva sinyal kecepatan terhadap waktu 4. Menampilkan kurva sinyal gaya terhadap waktu 5. Merekam kurva sinyal kecepatan dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm 6. Merekam kurva sinyal gaya dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm Program LabView 8 yang digunakan untuk mengolah sinyal memiliki fungsi-fungsi dasar pengolahan sinyal yang terintegrasi didalamnya, sehingga memudahkan dalam membuat sistem pengukuran untuk menganalisa stimulus mekanik dari pemancangan paku bumi. Untuk merancang dan merealisasi perangkat lunak dalam tugas akhir ini dilakukan dalam beberapa langkah. 1. Perancangan algoritma 2. Realisasi perangkat lunak dengan menggunakan Virtual Instrument. Berikut ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai langkah-langkah dalam perancangan dan realisasi perangkat lunak tersebut. IV.6.1 Perancangan Algoritma Perangkat Lunak Akuisisi Data 33

17 Start Tunggu instruksi dari user Monitoring no Logging no yes yes Aktifkan DAQ Aktifkan DAQ Manipulasi data Tampilkan data Tampilkan data Record data no yes Simpan Data Start 34

18 IV.6.2 Virtual Instrument LABVIEW 8 Pemograman Labview 8 ini berfungsi untuk membaca data keluaran dari ADC, set frequency sampling, plot data tegangan keluaran ke grafik, proses pemfilteran secara software yaitu band pass filter, serta proses pemasukan parameter-parameter fisis seperti modulus elastisitas, jari-jari dari beton paku bumi, dan pengintegralan untuk data kecepatan. Dalam program yang dibuat ini terbagi menjadi dua bagian besar yaitu bagian monitoring yang berfungsi melihat sinyal secara langsung atau real time dan bagian logging yang berfungsi untuk pengambilan data. Gambar IV.12 Block Diagram Monitoring 35

19 Gambar IV.13 Block Diagram Logging IV.7 Hasil Perancangan dan Realisasi sistem instrumentasi pengukuran 36

20 Gambar IV.14 Front Panel Monitoring and Logging 37