JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 1 RANCANG BANGUN RANGKAIAN PENGENDALI UNTUK VALVE YANG DIGUNAKAN SEBAGAI SALURAN MASUK GAS N 2 DAN O 2 PADA ALAT KALIBRASI SENSOR OKSIGEN Hasan Mahmud, Arif Wahjudi dan Bambang Sudarmanta Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: arif_w@me.its.ac.id Abstrak Kalibrasi sensor oksigen diperlukan agar dapat menetukan apakah sensor tersebut masih layak digunakan atau tidak. Dalam hal ini, sebuah alat kalibrasi sudah dirancang dan dibuat. Pada penelitian ini, sistem pengendalian valve akan dirancang dan dibuat untuk melengkapi alat kalibrasi tersebut agar dapat bekerja secara maksimal. Sistem pengendalian valve didasarkan pada parameter yang paling berpengaruh terhadap besarnya nilai kadar oksigen antara tekanan dan temperature. Hasil uji regresi pengambilan data awal menunjukkan bahwa parameter yang paling berpengeruh adalah tekanan dengan nilai p-value< 0,5. Dari dasar tersebut, sistem pengendalian valve akan dirancang dan dibuat. Langkah-langkah perancangan adalah perancangan dan pembuatan rangkaian elektronika (hardware), pemrograman mikrokontroler (software). pengujian terhadap rangkaian pengendali dilakukan Setelah perancangan selesaipengendali valve yang digunakan berupa solenoid valve tipe SMC VX22 dan mikrokontroler yang digunakan berupa Arduino. Hasil yang diperoleh dari perancangan adalah rangkaian pengendali dapat berjalan dengan baik dan setelah divalidasi didapatkan nilai rata-rata penyimpangan sebesar 0,29 pada varian 0,07 dengan standar deviasi 0,26. pembacaan. Hal ini menyebabkan terjadi penyimpangan hasil pembacaan sehingga menimbulkan ketidakpastian.agar hal tersebut tidak terjadi maka sebuah alat diperlukan untuk mengkalibrasi sensor oksigen. Alat kalibrasi tersebut membutuhkan sebuah kontrol valve yang diperlukan untuk mengendalikan valve supaya dapat memasukkan nitrogen dan oksigen ke dalam tabung kalibrator. Oleh karena itu sebuah rangkaian pengendali valve akan dibuat untuk mengatur jumlah nitrogen dan oksigen yang masuk kedalam tabung kalibrator agar dapat digunakan untuk mengkalibrasi sensor oksiogen. Kata Kunci kalibrasi, kadar oksigen, pengendali valve, mikrokontroler F I. PENDAHULUAN uel injection merupakan sistem mekanis dengan teknologi pengontrol berupa ECU (EngineControlUnit) yang befungsi mengatur udara serta menyuplai bahan bakar ke dalam ruang bakar secara efektif dan efisien. Fuel injection diciptakan sebagai pengganti karburator yang dapat menekan penggunaan bahan bakar serta mengurangi tingkat polusi udara.sistem ini dilengkapi dengan sensor yang dapat mengatur jumlah bahan bakar dan udara yang masuk kedalam ruang bakar engine.banyak sensor yang digunakan pada teknologi fuel injection, salah satunnya adalah sensor oksigen. Sensor ini berfungsi sebagai pendeteksi kadar oksigen yang keluar bersama dengan gas buang melalui saluran pembuangan. Setelah itu ECU (Engine Control Unit) akan menerima sinyal yang ditransfer oleh sensor oksigen dan mengirimkan feedback berupa penambahan atau pengurangan jumlah bahan bakar yang akan diinjeksikan. Setelah dipakai pada waktu yang cukup lama, sensor oksigen dapat mengalami penurunan kemampuan dalam Gambar 1.1. Instalasi alat kalibrasi [1] Sebelumnya saudara Fatkhur telah melakukan penelitian rancang bangun alat kalibrasi sensor oksigen. prinsip kerja alat tersebut yaitu dengan cara mencampurkan gas nitrogen dan oksigen sehingga alat kalibrasi tersebut terdiri dari 2 saluran masuk untuk saluran masuk nitrogen dan oksigen. untuk meningkatkan kecermatan dari alat ukur tersebut maka dibutuhkan sebuah pengendali valve beserta rangkaian. Pada penelitian ini rangkaian pengendali valve akan dirancang dan dibuat. II. METODOLOGI PENELITIAN Proses perancangan merupakan proses terstruktur yang memerlukan langkah-langkah sistematis dalam pelaksanaannya. Dengan demikian proses perancangan dapat dipahami dan diikuti oleh pihak lain secara sistematis pula. Langkah-langkah proses perancangan dalam penelitiana ini dapat dilihat pada gambar 2.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 2 Pada rancang bangun rangkaian pengendali valve ini sistem pengendalian merupakan sistem berumpan balik (close-loop system) dengan blok diagram seperti yang terlihat pada Gambar 4. Gambar 4. Blok diagram rangkaian pengendali valve Pada gambar 4 proses dilakukan oleh solenoid valve berupa gerakan membuka dan menutup valve untuk saluran masuk nitrogen dan oksigen. Sedangkan sebagai feedback dari rangkaian kontrol ini adalah hasil pembacaan sensor tekanan dan termokopel. b. Penentuan Parameter yang Berpengaruh Gambar 2 Flowchart Penelitian a. Desain Sisitem Pengendali III. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan pada Gambar 1 maka rangkaian pengendali yang akan dibuat pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3. Tahap awal yang dilakukan dalam mendesain rangkaian pengendali untuk sistem pengendalian valve adalah menentukan faktor atau parameter yang paling berpengaruh terhadap besarnya massa nitrogen dan oksigen. Sesuai dengan persamaan gas ideal, Massa gas yang berada didalam sebuah ruangan atau tabung dengan volume konstan dipengaruhi oleh temperatur dan suhu[3]. Dalam penelitian ini, kadar oksigen diperoleh dengan membandingkan besar massa gas oksigen dengan massa campuran gas nitrogen dan oksigen. Formulasi gas ideal tersebut dapat dikolaborasikan dengan formulasi penentuan kadar oksigen, sehingga kadar oksigen di dalam tabung kalibrasi dapat ditentukan dengan melihat faktor temperatur dan tekanan. Pengaruh temperature dan tekanan pada pengambilan data awal dapat dilihat pada table 1 Tabel 1Pengaruh temperatur dan tekanan terhadap % oksigen Gambar 3. Skema Rangkaian Pengendali Valve Kalibrasi sensor oksigen dapat dilakukan dengan cara mencampurkan gas oksigen dengan gas nitrogen. Gas nitrogen berfungsi sebagai gas pembanding supaya kadar oksigen yang berada didalam tempat itu bisa diketahui. Ada dua cara yang dapat dilakukan untuk mengkalibrasi sensor oksigen[2], yaitu : Proses kalibrasi dilakukan dengan merubah tekanan dan volume dibuat konstan. Proses kalibrasi dilakukan dengan merubah volume dan tekanan dibuat konstan. Pada tabel 1 pengaruh tekanan dapat dilihat antara kadar
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 3 0% sampai dengan 45 %. Tekanan pada saat kadar oksigen bernilai 0 adalah 1 bar dan pada saat nilai kadar maksimum pada 45% tekanan menunjukkan nilai 2,5 bar. Selisih antara tekanan tertinggi dan tekanan terendah adalah 1,5 bar. Dalam tabel tersebut pada tingkat tekanan yang berbeda menghasilkan kadar oksigen yang berbeda. Semakin tinggi nilai tekanan makan nilai % oksigen juga semakin besar. Untuk mengetahui parameter yang berpengaruh, pengaruh faktor temperatur dan tekanan terhadap kadar oksigen harus diuji dengan analisa regresi. Dari analisa regresi tersebut akan muncul nilai p-value setiap parameter. Selanjutnya uji hipotesa dilakukan dengan melihat p-value tersebut, apabila p-value lebih kecil dari 0,05 maka parameter tersebut berpengaruh secara signifikan terhadap kadar oksigen. dihasilkan ditentukan dengan menggunakan persamaan polinomial. % Oksigen = -12,06 P 2 + 71, 85 P 59,01 Dimana : P = nilai tekanan (set poin) Dari formulasi diatas nilai set poin untuk mengkalibrasi sensor oksigen dapat ditentukan. Kalibrasi sensor oksigen dilakukan pada tingkat persen oksigen dari 0% sampai dengan 25%. Tingkatan persen oksigen pada tiap-tiap set poin untuk mengkalibrasi sensor oksigen dapat dilihat pada tabel 2. Tabel 2 Tabel set poin tekanan Hasil uji regresi parameter tekanan dan temperatur terhadap besarnya nilai kadar oksigen adalah sebagai berikut : The regression equation is % Oksigen = - 29,1 + 0,163 Temperatur + 29,6 Tekanan Predictor Coef SE Coef T P Constant -29,05 19,30-1,51 0,139 Temperatur 0,1633 0,7130 0,23 0,820 Tekanan 29,5651 0,8245 35,86 0,000 Dari hasil analisa regresi,nilai p-value yang diperoleh untuk temperatur adalah 0.820 sedangkan p-value yang diperoleh untuk parameter tekanan adalah 0.00. Sehingga parameter yang berpengaruh terhadap besarnya nilai kadar oksigen adalah tekanan, maka pada tugas akhir ini, kalibrasi sensor oksigen dilakukan dengan menvariasikan tekanan. Besarnya kadar oksigen dapat ditentukan dengan nilai tekanan yang terbaca pada sensor. Karena salah satu parameter pada persamaan regresi tidak berpengaruh secara signifikan maka persamaan regresi diatas tidak dapat diterima dan harus membuat persamaan baru dengan hanya menggunakan parameter tekanan. Persamaan regresi hubungan antara nilai tekanan dengan besarnya % oksigen pada tingkat tekanan tertentu dapat dilihat dari Gambar 5. c. Sensor Pressure transmitter Gambar 6 Pressure transmitter Sensor tekanan yang digunakan pada alat kalibrasi ini adalah sensor tekanan tipe ulir yaitu HM 4100B. Jangkauan dari sensor jenis ini adalah 0 sampai 4 bar. Tegangan yang dibutuhkan untuk menjalankan sensor sekitar 4,5 V. Apabila kita menggunakan mikrokontroler 10 bit maka nilai resolusi yang dihasilkan sebesar 0,0039. Termokopel Gambar 7 Termokopel Gambar 5. Grafik hubungan antara tekanan dan rata-rata % Oksigen Pola hubungan antara tekanan dan rata-rata % oksigen hasil percobaan dapat diketahui dari grafik 4.3. Hubungan tersebut berupa persamaan polinomial, sehingga penentuan set poin parameter tekanan dan besarnya kadar oksigen yang Termokopel yang digunakan pada penelitian ini adalah termokopel tipe K dengan jangkauan pembacaan dari -200 0 C sampai 1200 0 C. d. Actuator Actuator yang digunakan pada rangkaian pengendali adalah solenoid valve. Prinsip kerja dari solenoid valve yaitu katup listrik yang mempunyai koil sebagai penggeraknya dimana ketika koil mendapat supply tegangan maka koil tersebut akan berubah menjadi medan magnet sehingga
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 4 menggerakan piston. Ketika piston berpindah posisi sehingga pada lubang keluaran dari solenoid valve akan keluar fluida yang berasal dari supply.[4] Solenoid valve yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 8 4. Rangkaian driver Solenoid Gambar rangkaian pengendali dapat dilihat pada Gambar 10. Gambar 10 Rangkaian pengendali valve Gambar 8 Solenoid Valve Spesifikasi Solenoid Valve Tipe : N.C. ( Normally Close ) Tekanan Maksimal : 0,6 Mpa voltage : 12 VDC, 24 VDC Material : Stainless Steel Rangkaian Power Supply e. Pengendali Pada penelitian ini pengendali yang digunakan berupa mikrokontroler board Arduino dengan menggukan ATmega 328. Mikrokontroler ini terdiri dari 28 pin konfigurasi. Setiap pin tersebut memiliki fungsi masing-masing, enam pin diantaranya adalah pin untuk ADC, 2 pin berfungsi sebagai ground dan 6 masukan untuk PWM. Atmega 328 memiliki resolusi pembacaan ADC 10-bit. Dengan resolusi tersebut setiap pin pada mikrokontroler menyediakan 1024 nilai yang berbeda[5]. Board arduino dapat dilihat pada gambar 9 Gambar 11 Rangkaian power suplly Rangkaian power supply pada pengendali valve ini terdiri dari beberapa komponen-komponen utama yaitu transformator, diode bridge, IC 7809, IC 7909, dan IC7812. Komponen-komponen tersebut memiliki peranan penting. Bentuk jadirangkaian catu daya dapat dilihat pada Gambar 11. Rangkaian Pengkondisi Sinyal Gambar 9 Board Arduino Pada rangkaian pengendali ini pin-pin arduino yang digunakan adalah dua pin ADC, 2 pin output digital PWM. VCC, dan ground. Dua pin ADC digunakan untuk menerima input dari sensor-sensor yang digunakan pada alat kalibrasi ini. ADC 0 menerima input dari pressure transmitter, ADC 2menerima input dari rangkaian pengkondisi sinyal termokople. Pin output digital (PWM) digunakan untuk mengontrol solenoid valve yang dihubungkan melalui driver relay solenoid valve. Gambar 12 Rangkaian pengkondisi sinyal Rangkaian pengkondisi sinyal termokopel terdiri dari beberapa komponen yaitu LM 358, resistor, diode dan kapasitor. Bentuk jadi dari rangkaian penguat dapat dilihat pada Gambar 12. Rangkaian Driver Solenoid f. Perakitan Rangkaian Pengendali Rangkaian-rangkaian penyusun sistem pengendali pada alat kalibrasi ini terdiri dari: 1. Catudaya (power Supply) 2. mikrokontroler 3. Rangkaian penguat termokopel (signal conditioning) Gambar 13 Rangkaian driver solenoid Komponen utama dari rangkaian driver ini terdiri dari IC PC 817 dan transistor BC 337. IC PC 817 berfungsi sebagai
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 5 saklar otomatis yang dapat memutus dan menghubungkan arus dari power supply ke solenoid valve. Sedangkan transistor berfungsi sebagai pengaman apabila terjadi suatu konsleting secara otomatis rangkaian akan terputus sehingga tidak merusak solenoid valve. rangkaian driver pada rangkaian pengendali ini dapat dilihat pada Gambar 13. diperlukan untuk mengendalikan valve yang berfungsi sebagai saluran masuk gas N 2 dan O 2. Valve dikendalikan berdasarkan variasi tekanan dengan set poin yang sudah ditentukan. Setelah pemrograman selesai dilakukan, maka program akan diverifikasi terlebih dahulu untuk proses verifikasi dapat dilihat pada Gambar16 g. Posisi Instrumentasi Pada Alat Kalibrasi Komponen rangkaian pengendali yang bersentuhan langsung dengan alat kalibrasi adalah sensor. Dua sensor yang digunakan pada alat kalibrasi ini adalah sensor suhu yang berupa termokopel dan pressure transmitter. Kedua sensor tersebut dihubungkan langsung dengan tabung kalibrasi dengan sambungan ulir. Hal ini dapat dilihat pada gambar 14 dan gambar 15. Gambar 16 Proses verifikasi program i. Pengujian Gambar 14 Sambungan pressure transmitter dengan tabung kalibrasi Rangkaian pengendali yang sudah dirancang dan dirakit selanjutnya akan diuji. Pengujian dilakukan dengan cara membandingkan % oksigen hasil set poin dan hasil pengukuran dengan alat ukur yang sudah tersertifikasi. Pengujian ini dilakukan hanya pada lima tingkat tekanan karena batas maksimum alat uji emisi hanya sampai pada 25% oksigen. Pengujian dilakukan dengan menggunakan alat uji emisi milik Dinas Perhubungan kota Surabaya. Alat uji emisi dapat dilihat pada gambar 17. Gambar 17 Alat uji emisi milik Dinas Perhubungan kota Surabaya. Gambar 15 Sambungan termokopel dengan tabung kalibrasi Pada instalasi alat kalibrasi, solenoid valve terhubung dengan one way valve. Posisi solenoid valve dapat dilihat pada Gambar 16.solenoid valve dihubungkan ke mikrokontroler melalui sebuah rangkaian driver. Tabel Nilai Penyimpangan (error) dari set poin Dari hasil pengujian, nilai rata-rata penyimpangan set poin diperoleh sebesar 0,29 pada varian 0,07 dengan standar deviasi sebesar 0,26. Gambar 16 Posisi solenoid valve pada alat kalibrasi h. Pemrograman Mikrokontroler pemrograman dilakukan dengan memanfaatkan bantuan dari library arduino development program. Pemrograman IV Kesimpulan 1. Perancangan dan pembuatan rangkaian pengendali untuk valve saluran masuk gas Nitrogen dan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 6 oksigen pada alat kalibrasi sensor oksigen telah dilakukan dengan ketentuan sebagai berikut: Sistem pengendalian didasarkan pada parameter yang paling berpengaruh yaitu tekanan. Parameter tersebut berdasarkan hasil dari uji regresi dengan nilai p-value untuk parameter temperatur 0,820, sedangkan nilai p-value untuk parameter tekanan 0,00. Set poin ditentukan dengan menvariasikan nilai tekanan secara bertingkat dari 1 bar sampai 1,5 bar dengan kenaikan tekanan tiap set poin sebesar 0,1. Nilai kadar oksigen maksimum yang mampu diukur adalah 21,63 %. Tekanan gas maksimum yang diizinkan pada sistem pengendalian valve adalah 0,6 MPa. 2. Rankaian pengendali dapat berjalan dengan baik dengan program yang sudah dibuat dan Setelah divalidasi ratarata error yang ditunjukkan antara set poin dan hasil validasi adalah 0,29 dengan nilai varian 0,07 dan standar deviasi 0,259. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Arif Wahjudi, ST., MT., Ph.D. dan Bapak Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT., atas bimbingannya hingga terselesaikannya penelitian ini serta semua pihak yang terlibat dalam penelitian dan penyusunan naskah ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Rohman, Fatkhur (2014).Rancang Bangun Alat Kalibrasi Sensor Oksigen. Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. [2]. Argo, B.D., Lastriyanto, A., Astuti, N.P.(2008).Sistem Monitoring Gas Oksigen dan Karbondioksida pada Ruang Penyimpanan Sistem Udara.Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Brawijaya. Malang. [3]. Moran, J. Michael and Shapiro, N Howard(2000)Thermodinamika Teknik Jilid 2.Edisi keempat: jakarta. [4]. Wilkipedia. (2009) Solenoid Valve. Diakses pada tanggal 30 oktober 2013. [5]. Margelis, Michael. (2011) Arduino Cookbook. USA : O Reilly Media, Inc.