-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
1/31
TUGAS MATA KULIAH
SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
PERANCANGAN ALAT PENDETEKSI KETEBALAN PLASTIK PADA
INDUSTRI PLASTIK DENGAN MENGGUNAKAN SENSOR LVDT
SECARA DIGITAL
Oleh:
ANALIS HIMMA 115060300111073
EDINAR VALIANT H 125060300111046
MUHAMMAD ILHAM A 125060300111049
SEPTIAN GUSONELA 125060307111003
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
MALANG
2014
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
2/31
1
KATA PENGANTAR
Di dalam era globalisasi, kemajuan teknologi sangatlah
berpengaruh
terhadap perkembangan sebuah indsutri. Inovasi dan kreatifitas
akan mengubah
cara pandang manusia terhadap teknologi. Khususnya di bidang
industri plastik,
pemanfaatan teknologi berskala besar sangatlah diperlukan,
mengingat persaingan
dan kompetisi akan sebuah produk telah meningkat jauh dari tahun
tahun
sebelumnya.
Salah satu contoh nyata pemanfaatan teknologi di dalam industri
plastik
adalah untuk mengukur ketebalan plastik yang dihasilkan. Sering
plastik yang
dihasilkan memiliki tekstur ketebalan yang berbeda, tergantung
pada bahan dan
proses produksinya. Tetapi plastik yang dihasilkan dituntut
memiliki ketebalan
yang sama sesuai standart yang berlaku.
Karena itulah, guna menyelesaikan tugas dari mata kuliah
SISTEM
INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA kami menyusun makalah ini untuk
menyelesaikan permasalahan di atas. Makalah yang kami susun
berjudul,
Perancangan Alat Pendeteksi Ketebalan Plastik Pada Industri
Plastik Dengan
Menggunakan Sensor LVDT Secara Digital. Makalah ini berisi
tentang sistem
yang dapat memonitoring ketebalan suatu plastik secara digital
dimana berbasis
pada mikrokontroller.
Manusia tidak ada yang sempurna di dunia ini, sehingga tidak
luput dari
kesalahan, demikian juga dalam perancangan dan pembuatan makalah
ini. Sehingga
diharapkan para pembaca dapat memberi masukan dan kritik agar
jika terdapat
kekurangan dari makalah ini, maka makalah ini dapat lebih
disempurnakan lagi.
Terima kasih.
Malang, April 2014
Penulis
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
3/31
2
BAB I
PENDAHULUAN
1. Latar Belakang
Hal yang paling menantang dalam indutri plastik, selain kualitas
dan mutu
produk , adalah menghasilkan ketebalan plastik yang sama satu
sama lain sesuai
standart yang ada. Untuk itu membutuhkan alat pendeteksi yang
sangat presisi.
Banyak sekali sensor untuk mengukur perpindahan tingi atau tebal
yang
bisa dipakai. Sensor displacement tersebut memiliki keunggulan
dan kekurangan
masingmasing. Penggunaan sensorLinear Variable Displacement
Tansformer
(LVDT) sebagai tranduser karena memiliki tingkat presisi dan
ketahanan yang
andal.
Proses untuk mendeteksi akan diubah menjadi digital agar lebih
mudah
diproses untuk proses lebih lanjutnya. Misalnya, ketebalan
plastik yang diukur
oleh LVDT ternyata lebih tebal dari standart yang ada, maka
hasil pendeteksian
oleh sensor akan diproses secara digital dan diolah oleh
mikrokontroler agar
menggerakan motor penekan roller sehingga daya tekan bertambah
dan
menyebabkan ketebalan plastik berkurang. Demikian juga
sebaliknya, apabila
ketebalan plastik yang terdeteksi di bawah batas ketebalan.
Karena itu, untuk menyelesaikan permasalahan ini dibutuhkanlah
sebuah
sistem yang dapat memonitoring level ketebalan plastik secara
digital. Sistem ini
adalah alat pendeteksi ketebalan plastik menggunakan sensor LVDT
secara
digital. Untuk mengetahui berapa ketebalan plastik digunakan
sensor LVDT
yang nantinya keluaran dari sensor akan diolah oleh Ardu ino
Uno
menggunakan ATMEGA 328P dan ditampilkan dengan LCD sebagai
hasilmonitoringketebalan plastik.
2. Tujuan dan Manfaat
Merancangprototypealat pendeeksi ketebalan plastik pada industri
plastik
menggunakan sensor LVDT secara digital agar dihasilkan pembacaan
ketebalan
plastik yang lebih presisi untuk proses lebih lanjut.
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
4/31
3
3. Batasan Masalah
Pembahasan akan diarahkan pada proses pemantauan ketebalan
plastik
dengan menggunakan sensor LVDT secara digital. Sensor LVDT ini
untuk
mengetahui berapa ketebalan plastik, sensor ini menerima masukan
berupa sinyal
analog yang kemudian keluarannya di proses menjadi sinyal
digital oleh ADC.
Keluaran dari ADC akan diolah pada mikrokontroler dan
ditampilkan pada LCD
sebagai hasil pembacaan. Masalah pemilihan mikrokontroller ,
motor penggerak
dan perancangan software dari mikrokontroller lalu ditampilkan
ke LCD juga tidak
dibahas. Selain itu perancangan osilator tidak dijelaskan juga
dalam makalah ini.
4. Metodologi Penelitian
Studi Literatur :
- Mempelajari LVDT sebagai sensor perpindahan.
-
Mencari data komponen yang akan digunakan.
Perencanaan dan Pembuatan Sistem :
- Perencanaan dan pembuatan rangkaian sistem minimum Arduino
Uno dengan memakai ATMEGA 328P, yang merupakan
pengontrol dari kegiatan sistem secara keseluruhan.
- Perencanaan pembuatan rangkaian pengkondisi sinyal yang
memanfaatkan transduser LVDT dan Analog to Digital Converter
(ADC).
Pengujian Sistem
- Pengujian respon ADC, untuk mengetahui keluaran dari LVDT
yang sudah diolah pada rangkaian pengkondisi sinyal,
sesuaidengan hasil perhitungan.
- Pengujian rangkaian secara keseluruhan.
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
5/31
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2. 1. LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
Perangkat ini merupakan transduser elektromekanis dimana
perpindahan
posisi mekanis disebabkan pada pergerakan inti besi. LVDT adalah
suatu alat
elektromekanikal yang dapat menghasilkan keluaran elektrikal
yang sebanding
dengan pergeseran intinya. Dengan kata lain, transduser ini
dipakai untuk melihat
perubahan sinyal listrik yang secara linier sebanding dengan
perubahan
kedudukan Transduser transformator diferensial variabel (LVDT)
linier digunakan
pada system pengukuran dan kontrol. Karena resolusi yang sangat
haIus,
ketelitian tinggi dan stabilitas yang baik maka transduser ini
tepat dipakai pada
simpangan dengan langkahpendek, alat pengukur presisi. Beberapa
pengukur
besaran fisika seperti, tekanan, beban dapat diukur dengan
defleksi/simpangan
mekanik maka sudah tentu LVDT dapat digunakan sebagai sensor
pada alat-alat
ukur tersebut. LVDT dipakai pula untuk elemen dasar dari
extensiometer,
indikator, permukaan/level. Pada numerical controlled machine
(mesin dikontrol
numerik) dan creep-testing machine (mesin pengetes rayapan)
banyak memakai
LVDT pula.
Konstruksi dari LVDT dapat ditunjukkan dalam Gambar 2.1, terdiri
atas
kumparan primer dan dua kumparan sekunder pada inti besi yang
bergerak bebas
di dalamnya. LVDT terdiri dari sebuah kumparan primer dan dua
buah kumparan
sekunder yang identik, kumparan diberi jarak secara aksial dan
digulung pada
pembentuk kumparan berbentuk silinder, inti maknit berbentuk
batang
ditempatkan di tengah susunan kumparan dan dapat bergerak. Inti
maknit/besi inisebagai jalan yang dilalui fluksi medan maknit yang
menghubungkan kumparan-
kumparan itu. Simpangan yang akan diukur disalurkan ke inti
maknit itu memakai
penghubung yang sesuai. Bila kumparan primer diberi tegangan
bolak-baIik (AC
carrier wave signal) pada kedua kumparan terinduksi tegangan,
harga yang
dihasilkan tergantung pada letak inti maknit terhadap titik
tengah susunan
kumparan
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
6/31
5
Gambar 2.1 LVDT
Pada suatu kedudukan tertentu, amplitudo yang diinduksikan
pada
kumparan sekunder pertama sama besar dengan keluaran pada
kumparan sekunder
kedua. Karena kumparan sekunder tersebut saling dihubungkan seri
dengan arah
gulungan berlawanan, maka keluaran tegangan pada rangkaian
sekunder berbeda
fasa 180 derajat. Sehingga pada pusat kedudukannya, keluaran
akan 0 volt.
Polaritas tegangan keluaran yang dihasilkan oleh gerakan inti.
Sebagai
contoh, bila bergerak kebawah, kumparan S2, besar tegangan
induksi lebih besar
dari S1. Besar tegangan ditentukan oleh seberapa jauh inti
bergerak. Jika inti besi
digerakkan dari posisi kesetimbangan, tegangan yang diinduksikan
pada satu
kumparan sekunder akan naik, tapi tegangan turun pada kumparan
sekunder yang
lain. Hal ini menyebabkan adanya perbedaan tegangan yang
tergantung dari posisi
inti besi di dalam kumparan. Respon posisi dari sebuah LVDT
ditunjukkan dalam
Gambar 2.2.
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
7/31
6
Gambar 2.2 Respon posisi dari LVDT
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
8/31
7
Dalam penggunaannya, LVDT dapat memakai beberapa bentuk
sumber
AC untuk menggerakkan lilitan primernya. Sumber
penggerak/pemicunya
biasanya adalah gelombang sinus dengan frekuensi berkisar antara
20Hz-20kHz.
Karena pemicunya adalah gelombang sinus AC maka keluaran dari
LVDT ini
juga merupakan gelombang sinus AC. Sebelum masuk ke perangkat
selanjutnya
maka output (keluaran) dari LVDT ini harus diubah ke DC terlebih
dahulu.
Prinsip kerja LVDT ditunjukkan dalam Gambar 2.3
Gambar 2.3. Prinsip Kerja LVDT
Gambar 2.4. Rangkaian Ekivalen LVDT
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
9/31
8
Gambar 2.4 menunjukkan rangkaian ekivalen . Bila resistansi
total di kumparan
sekunder adalah :
Dan untuk kumparan primer :
Sedangkan untuk kumparan sekunder :
Dari 2 rumus diatas didapatkan :
Sehingga tegangan keluarannya
Dalam posisi tengah, dimana letak inti besi adalah M2=M1, maka
E0= 0 V sesuai
penjelasan sebelumnya.
Keuntungan LVDT untuk sensor displacementialah :1. Mekanik:
Kesederhanaan desain dan mudah dalam fabrikasi dan instalasi,
jangkauan luas, gerakan bebas geseran pada inti maka resolusinya
tidak
terbatas, konstruksi kokoh; gaya untuk mengoperasikan dapat
diabaikan
(berat inti sangat kecil), kemampuan bekerja pada temperatur
tinggi.
2. Listrik: Tegangan output linier dan fungsi kontinu pada
simpangan
mekanik (ke liniaran lebih baik dari 0,25%). Sensitivitas tinggi
(2 mV
/Volt/10 mikron pada eksitasi 4 KHz); output impedansi rendah
(100
ohm); kemampuan bekerja pada frekuensi luas (50 Hz hingga 20 -
24
KHz);
2.2. Operational Amplifier (Op-Amp)
Operational Amplifier (Op-Amp) merupakan salah satu komponen
elektronika yang paling banyak digunakan dalam bidang
elektronika. Baik di
bidang analog maupun digital. Simbol dari op-amp ditunjukkan
dalam Gambar
2.4. Hal ini karena Op-Amp sangat mudah digunakan dan sangat
efisien. Dalam
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
10/31
9
rangkaian elektronika yang rumit menjadi sederhana dengan
menggunakan Op-
Amp.
Gambar 2.5. Simbol Op-Amp
Pada op-amp terdapat satu terminal keluaran, dan dua terminal
masukan.
Terminal masukan yang diberi tanda (-) dinamakan terminal
masukan pembalik(inverting), sedangkan terminal masukan yang diberi
tanda (+) dinamakan
terminal masukan tak membalik(non inverting).
2.3. Instrumentation Amplifier (Penguat Instrumentasi)
Penguat instrumentasi adalah penguat yang paling bermanfaat,
cermat dan
serbaguna yang ada pada saat ini. Penguat ini dibuat dari tiga
penguat operasional
dan tujuh resistor seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.5. Untuk
menyederhanakan
analisis rangkaian, perlu diketahui bahwa penguat instrumentasi
sesungguhnya
dibuat dengan menghubungkan dua buah penguat penyangga dengan
sebuah
penguat diferensial dasar.
Gambar 2.6. Penguat instrumentasi
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
11/31
10
Op Amp A3 dan dua resistor R2 dan dua resistor R3 membentuk
sebuah
penguat deferensial dasar dengan gain sebesar R3/R2. Seperti
yang terlihat dalam
Gambar 3, ada satu buah resistor lagi yang digunakan untuk
menyetel penguatan,
yaitu RG. Persamaan tegangan adalah sebagai berikut:
122
3121 EER
R
R
RV
G
out
Ciri-ciri penguat instrumentasi dapat diringkas sebagai berikut
:
1. Penguatan tegangannya, dari masukkan diferensial (E1- E2) ke
keluaran
berujung tunggal, disetel oleh satu resistor.
2.
Resistansi masukkan dari kedua masukkannya sangat tinggi dan
tidakberubah jika penguatannya berubah.
3. Vo tidak tergantung pada tegangan bersama E1 maupun E2,
melainkan
hanya pada perbedaan antara keduanya.
2.4. Analog to Digital Converter 0804
Analog to Digital Converter adalah sebuah piranti elektronika
yang
dirancang untuk dapat mengubah sinyal analog manjadi sinyal
digital.
Menggunakan ADC karena pengontrolan dilakukan menggunakan
kontroller
elektronika (mikrokontroller, komputer, atau plc), seihngga
sinyal analog yang
berasal dari sensor harus terlebih dahulu diubah menjadi sinyal
digital agar dapat
dibaca dan diolah oleh komputer. Pada perancangan ini
menggunakan IC ADC
0804 yang dapat memenuhi kebutuhan dari rangkaian yang akan
dibuat.
ADC adalah suatu rangkaian yang dapat mengubah tegangan
analog
menjadi data digital. Input tegangan analog deferensial dapat
meningkatkan
common mode rejectiondan pengaturan offset tegangan input nilai
nol. Tegangan
referensi dapat diatur untuk mendekodekan berapapun tegangan
input pada
resolusi 8 bit. ADC yang dipakai adalah jenis ADC 0804 yang
merupakan resolusi
8 bit,merupakan 20 pin dan bekerja pada mode kerja free running.
Mode ini
dipilih karena waktu konversi adc jauh lebih cepat terhadap
tingkat perubahan
resistansi dari sensor. Keluaran ADC 0804 ini berada di port
11-18 yang akan
masuk ke mikrokontroller. Gambar 2.6 menunjukkan pin-pin
ADC0804.
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
12/31
11
Gambar 2.7. Pin ADC0804
Keterangan :
WR :(input) pin ini digunakan untuk memulai konversi tegangan
analog menjadi
data digital, dengan memberikan pulsa logika 0 pada pin ini.
INT : (output) pin ini digunakan sebagai indikator apabila ADC
talah selesai
menkonversikan tegangan analog menjadi digital, dengan
mengeluarkan
logika 0.
Vin : Tegangan analog input deferensial, input Vin (+) dan Vin
(-) merupakan
tegangan deferensial yang akan mengambil nilai selisih dari
kedua input.
Dengan memanfaatkan input Vin maka dapat dilakukan offset
tegangan
nol pada ADC
Vref : Tegangan referensi dapat diatur sesuai dengan input
tegangan pada Vin (+)
dan Vin (-), Vref = Vin/2
Clock :Clock untuk ADC dapat diturunkan dari clock CPU atau RC
eksternal
dapat ditambahkan untuk memberikan generator dari dalam. Clock
IN
menggunakanschmitt triger.
CS : agar ADC dapat aktif melakukan konversi data maka input
Chip Select
harus diberi logika low. Data output akan berada pada kondisi
three state
apabila CS mendapatkan logika high.
RD : agar data ADC dapat dibaca oleh sistem mikroprocesor maka
pin RD
harus diberi logika low.
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
13/31
12
2.5. Mikrokontroler ATMEGA 328P
ATMega328 adalah mikrokontroller keluaran dari atmel yang
mempunyai
arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computer) arsitektur
CISC (Completed
Instruction Set Computer). Mikrokontroller ini memiliki beberapa
fitur antara lain
:
1.
130 macam instruksi yang hampir semuanya dieksekusi dalam satu
siklus
clock.
2. 32 x 8-bit register serba guna.
3.
Kecepatan mencapai 16 MIPS dengan clock 16 MHz.
4. 32 KB Flash memory dan pada arduino memiliki bootloader
yang
menggunakan 2 KB dari flash memori sebagai bootloader.
5. Memiliki EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read
Only
Memory) sebesar 1KB sebagai tempat penyimpanan data semi
permanent
karena EEPROM tetap dapat menyimpan data meskipun catu daya
dimatikan.
6. Memiliki SRAM (Static Random Access Memory) sebesar 2KB.
7. Memiliki pin I/O digital sebanyak 14 pin 6 diantaranyaPWM
(Pulse Width
Modulation) output.
8. Master / Slave SPI Serial interface.
Mikrokontroller ATmega 328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu
memisahkan
memori untuk kode program dan memori untuk data sehingga
dapat
memaksimalkan kerja dan parallelism. Instruksi instruksi dalam
memori
program dieksekusi dalam satu alur tunggal, dimana pada saat
satu instruksi
dikerjakan instruksi berikutnya sudah diambil dari memori
program. Konsepinilah yang memungkinkan instruksi instruksi dapat
dieksekusi dalam setiap
satu siklus clock. 32 x 8-bit register serba guna digunakan
untuk mendukung
operasi pada ALU ( Arithmatic Logic unit ) yang dapat dilakukan
dalam satu
siklus. 6 dari register serbaguna ini dapat digunakan sebagai 3
buah register
pointer 16-bit pada mode pengalamatan tak langsung untuk
mengambil data pada
ruang memori data. Ketiga register pointer 16-bit ini disebut
dengan register X (
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
14/31
13
gabungan R26 dan R27 ), register Y ( gabungan R28 dan R29 ), dan
register Z (
gabungan R30 dan R31 ).
Hampir semua instruksi AVR memiliki format 16-bit. Setiap alamat
memori
program terdiri dari instruksi 16-bit atau 32-bit. Selain
register serba guna di atas,
terdapat register lain yang terpetakan dengan teknik memory
mapped I/O selebar
64 byte. Beberapa register ini digunakan untuk fungsi khusus
antara lain sebagai
register control Timer/ Counter, Interupsi, ADC, USART, SPI,
EEPROM, dan
fungsi I/O lainnya. Registerregister ini menempati memori pada
alamat 0x20h
0x5Fh. Berikut ini adalah tampilan architecture ATmega 328 :
Gambar 2.8. Arsitektur ATmega328P
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
15/31
14
Gambar 2.9. Nama Pin-pin Atmega 328P
2.6. Arduino
Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis
ATmega328.
Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat
digunakan sebagai
output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi
USB, jack power,
kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino dapat dikoneksikan dengan
komputer
menggunakan kabel USB.
Gambar 2.10. Board Arduino Uno berbasis ATmega 328P
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
16/31
15
2.7. Precision Rectifier
Rangkaian ini berfungsi untuk mengubah sinyal AC menjadi sinyal
DC.
Rangkaian ini dirancang untuk mengatasi keterbatasan diode
silicon yaitu tidak
mampu menyearahkan tegangan dibawah 0,6 V.
Gambar 2.11. Rangkaian Precision Rectifier
Cara kerjanya :
1. Untuk siklus positif :
saat E positif, maka D1 akan bekerja, menyebabkan tegangan
keluaran op-Amp , VOA,menjadi negatif sebesar voltage drop dioda
(0,6 V).
Hal ini memaksa D2 menjadi bias mundur
Tegangan keluaran rangkaian Vo sama dengan 0 karena arus masukan
I
mengalir melalui D1.
tidak ada arus melewati Rf, sehingga Vo = 0.
Gambar 2.12: Siklus Positif
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
17/31
16
2. Untuk siklus negatif :
ketika E menjadinegatif, D2 akan bekerja
Rangkaian akan bekerja seperti inverter, sejakRf = Ri, dan
Vo
=+E1.
DiodeD1 dibias mundur.
Arus masukan diatur oleh E/Ri dan penguatan sebesarRf/Ri.
Gambar 2.13: Siklus Negatif
3. Untuk masukan dibawah tegangan maju dioda
Contoh, bila E sebesar0.1 V.E, danR, mengkonversi tegangan
rendah ini menjadi arus yang akan melalui D2.
Meskipun tegangan tersebut dibawah teganga maju dioda,
dengan
menghubungkan dioda ke loop feedback dari op amp, kebutuhan
akan tegangan maju dioda secara essensial tereliminasi.
Sehingga gelombang hasil penyearah adalah Half Wave, seperti
pada gambar
berikut:
Gambar 2.14: Gelombang masukan dan keluarannya
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
18/31
17
BAB III
PERANCANGAN
3.1 Prinsip Kerja dan Diagram Blok
Prinsip kerja sistem secara keseluruhan adalah sebagai berikut.
Arduino
Uno ATmega 328P adalah kontroler utama dari sistem keseluruhan.
Secara
umum, diagram blok rangkaian dapat dilihat pada Gambar 3. 1
berikut.
Oscilator RPS
Rectifier
ADC 8 4
AT89C51
LCD 16X2
LVDT
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Secara Keseluruhan
Arduino
Arduino
PRECISION
RECTIFIER
RPS2
PRECISION RECTIFIER
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
19/31
18
Fungsi masing-masing blok adalah sebagai berikut:
1. Oscilator
Oscilator disini digunakan untuk membangkitkan gelombang
sinus
dengan frekuensi 3 KHz untuk membangkitkan gelombang pada
sensor
LVDT.
2. LVDT
Linear Voltage Differential Transformator (LVDT) adalah
merupakan
sensor perpindahan dalam hal ini sensor LVDT digunakan untuk
mengetahui level volumedengan memanfaatkan pergeseran dari
batang
ferit yang berada di dalam coil.
3. Rectifier
Rangkaian ini digunakan untuk menyearahkan sinyal keluaran
dari
LVDT yang berupa gelombang sinus
4. RPS
Rangkaian ini berfungsi untuk menguatkan sinyal yang
diperoleh
dari keluaran sensor LVDT yang sudah disearahkan oleh precision
rectifier .
Rangkaian yang digunakan adalah penguat instrumentasi.
5. ADC 0804
ADC digunakan untuk merubah sinyal masukan yang berupa
sinyal
analog menjadi keluaran digital, yang selanjutnya akan
diolah
mikrokontroler.
6. Mikrokontroler
Mikrokontroler yang digunakan adalah tipe ATMEGA 328P
menggunakan
board Arduino uno.7. LCD
Digunakan sebagai penampil data dari keluaran mikrontroller
.
Perancangan sistem pendeteksi level ketebalan keras dengan
menggunakan sensor LVDT adalah dengan cara memanfaatkan
sensor
LVDT/sensor pergeseran untuk mengetahui tebal plastik. Keluaran
sensor
LVDT yang masih berupa sinyal AC disearahkan rangkaian
rectifier, kemudian
dikuatkan oleh RPS supaya sesuai dengan masukan ADC. Sinyal DC
yang masih
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
20/31
19
berupa sinyal analog ini akan diubah ke sinyal digital melalui
rangkaian ADC
0804 untuk selanjutnya diolah oleh mikrokontroller untuk
ditampilkan ke LCD
2x16.
Pada kesempatan kali ini, tidak semua bagian dari sistem
tersebut yang
akan dijelaskan. Hanya sebatas pada sensor ketinggian level
plastik, Rangkaian
Pengkondisi Sinyal, ADC, mikrokontroler, serta tampilan yang
merupakan
rangkaian elektrik dari sistem. Mengenai rangkaian mekanik dari
sistem tidak
akan dibahas disini dan perancangan software mikrokontroller
untuk
menampilkan data ke LCD tidak akan dibahas.
3.2 Spesifikasi dan Perancangan Sensor
Perancangan LVDT
Secara umum LVDT bekerja karena adanya perbedaan medan
magnet. Medan magnet ini muncul karena adanya gerakan inti
magnet yang
dimasukkan ke dalam kumparan. Semakin dalam inti magnet
dimasukkan ke
dalam kumparan maka nilai medan magnet yang di hasilkan akan
semakin
besar. LVDT bekerja pada frekuensi rendah (antara 20 - 25.000
Hz) dan
gerakannya linear terhadap masukan. Rangkaian ekivalen dari
sensor
LVDT dapat dilihat pada Gambar 3.2
Gambar 3.2. Rangkaian Ekivalen Sensor LVDT
Suatu LVDT pada dasarnya terdiri dari sebuah kumparan primer,
dua
buah kumparan sekunder, dan inti dari bahan feromagnetik.
Kumparan- kumparan
tersebut dililitkan pada suatu selongsong, sedangkan inti besi
ditempatkan didalam
rongga selongsong tersebut. Selongsong ini terbuat dari bahan
non-magnetik.
Kumparan p rimer dililitkan ditengah selongsong, sedangkan
kedua
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
21/31
20
kumparan sekunder dililitkan disetiap sisi kumparan primer.
Kedua kumparan
sekunder ini dihubungkan seri secara berlawanan dengan jumlah
lilitan yang
sama.
Besar tegangan keluaran LVDT bergantung kepada posisi inti.
Pada
saat posisi inti. Pada saat posisi inti besi ditengah, GGL yang
diinduksi oleh
kumparan sekunder 1 dan 2 sama besar. Tetapi karena kedua
kumparan sekunder
dihubungkan seri secara berlawanan maka tegangan keluaran akan
sama dengan
nol. Jika inti besi kita geser kearah atas maka kumparan
sekunder 1 akan
mendapat rapat fluks yang lebih tinggi dibandingkan dengan
kumparan sekunder
2. Akibatnya GGL induksi pada kumparan sekunder 1 akan lebih
besar daripada
kumparan sekunder 2. Tegangan keluaran yang dihasilkan merupakan
selisih
tegangan kedua kumparan sekunder Hubungan antara tegagan
keluaran dan
pergesaran inti LVDT adalah linier pada selang jarak tertentu.
Hubungan
antara tegangan keluaran U dengan posisi inti besi x linier saat
inti berada
ditengah selongsong, dan tidak linier saat inti berada di
pinggir-pinggir selongsong.
Sensor LVDT ini akan mengeluarkan tegangan 0,2 volt pada
frekuensi 3 kHz.
Sehingga perancangan ADC0804 akan sangat sulit untuk tegangan
yang kecil,
maka dibutuhkan penguatan sebelum masuk ADC0804.
3.3. Rangkaian Precision Rectifier
Keluaran LVDT berupa sinyal AC, maka dari itu untuk menuju
ke
rangkaian berikutnya, harus diubah ke DC terlebih dahulu. Karena
dibutuhkan
perubahan yang presisi, maka pengubahannya sebaiknya tidak hanya
memakai
rangkaian diode silicon biasa. Kita dapat menggunakan rangkaian
Precision
Rectifier.
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
22/31
21
Gambar 3.3 Rangkaian Precision Rectifier
Penguatan dibuat agar 1x agar nilai asli dari LVDT tetap dan
tidak
berubah sehingga tidak perlu dikuatkan lagi.
Dengan nilai komponen:
R1 = 1200
Rf = 1200
C = 33 F
Dioda 1N914
Av = Rf / R1
= 1200 / 1200
= 1
3.4 Spesifikasi dan Perancangan Rangkaian Pengkondisi Sinyal
1
Ketebalan kertas yang akan diditeksi beragam jenisnya. Mulai
dari yangpaling tipis hingga yang agak tebal. Sebagai contoh dalam
system instrumentasi
ini dinginkan ketebalan paling minimum dari sebuah kertas adalah
0,5 mm
(alumunium foil ) hingga ketebalan maksimumnya sekitar 6 mm
(kertas karton) .
Sensor LVDT pada frekuensi 3 kHz memiliki sensitivitas sekitar 2
mV/mm.
Ternyata pada sensor LVDT terdapat offset , bilaman tegangan
keluarannya 0 di
ketinggian 0,5 mm, bukan saat 0mm tepat. Oleh karena itu
keluaran ADC yang
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
23/31
22
menyatakan penskalaan ketinggian kertas, pada software nya perlu
ditambah nilai
offset 0,5 mm.
Karena pada saat 0,5 mm, (tinggi minimum) keluaran LVDT adalah 0
V.
Sehingga saat mencapai ketinggian 6mm, maka keluaran LVDT adalah
(6-0,5)x2
mV/mm = 11mv .
Pada jangkauan ketinggian ini LVDT akan mengeluarkan
tegangan
berkisar 0 mV- 11 mV, akan dibutuhkan rangkaian pengkondisi
sinyal untuk
mengubah menjadi kisaran 0-5 V. Untuk mendapat spesifikasi
tersebut dilakukan
perhitungan sebagai berikut :
mVmmmVmmStinggiV
VmmmVmmStinggiV
maksmaksT
T
11/2)5,06()5,0(
0/2)5,05,0()5,0(
)(
min(min)
Untuk ADC dengan n = 8 bit dan tegangan referensi VR= 5V,
membutuhkan
tegangan masukan dalam kisaran antara:
VVVV
VV
Rn
n
maksi
i
17,62,62
12
2
12
dan
2,1
8
8
)(
(min)
Rangkaian yang diperlukan dapat diperoleh dari persamaan
yang
menyatakan hubungan keluaran-masukan sebagai berikut :
Vi= mVT+ B
Dari spesifikasi yang diketahui, maka dapat diperoleh :
0 = m (0) + B
6.17578125 = m (0,011) + B
Jika kedua persamaan ini kita selesaikan secara serentak, maka
akan
diperoleh :
m = 454,54 V dan B =0 V, sehingga diperoleh persamaan fungsi
alihnya :
Vi= 454,54 VT
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
24/31
23
Fungsi alih yang diperoleh tersebut dapat direalisasikan
dengan
menggunakan penguat instrumentasi dengan cara mengatur nilai
resistor-
resistornya. Pemberian nilai resistor dilakukan dengan cara
sebagai berikut:
Mula-mula R2 dan R3 deberi nilai secara berturut-turut 1 k dan
R1 =
100 k, sehingga RGdapat diperoleh dari persamaan :
m= 1+GG
R
x
R
R 10000021
21
454,54=GR
2000000
RG = 440,0052
Gambar rangkaian keseluruhan dari RPS ditunjukkan Gambar 3.3
Gambar 3.4. Gambar Rangkaian Penguat Instrumentasi
RG
R1
R2
R3
R3
R2
1 V
Vi
VT
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
25/31
24
3.5 Spesifikasi dan Perancangan Rangkaian Pengkondisi Sinyal
2
Ketebalan plastik yang akan diditeksi beragam jenisnya. Mulai
dari yang
paling tipis hingga yang agak tebal. Sebagai contoh dalam system
instrumentasi
ini dinginkan ketebalan paling minimum dari sebuah plastik
adalah 0,05 mm
hingga ketebalan maksimumnya sekitar 6 mm. Sensor LVDT pada
frekuensi 3
kHz memiliki sensitivitas sekitar 2 mV/mm. Ternyata pada sensor
LVDT terdapat
offset , bilamana tegangan keluarannya 0 di ketinggian 0,5 mm,
bukan saat 0 mm
tepat. Oleh karena itu keluaran ADC yang menyatakan penskalaan
ketinggian
plastik, pada software nya perlu ditambah nilai offset 0,5
mm.
Karena pada saat 0,5 mm, (tinggi minimum) keluaran LVDT adalah 0
V.
Sehingga saat mencapai ketinggian 6mm, maka keluaran LVDT adalah
(6-0,5)x2
mV/mm = 11mv .
Pada jangkauan ketinggian ini LVDT akan mengeluarkan
tegangan
berkisar 0 mV- 11 mV, akan dibutuhkan rangkaian pengkondisi
sinyal untuk
mengubah menjadi kisaran 0-5 V. Untuk mendapat spesifikasi
tersebut dilakukan
perhitungan sebagai berikut :
mVmmmVmmStinggiV
VmmmVmmStinggiV
maksmaksT
T
11/2)5,06()5,0(
0/2)5,05,0()5,0(
)(
min(min)
Untuk ADC dengan n = 8 bit dan tegangan referensi VR= 5V,
membutuhkan
tegangan masukan dalam kisaran antara:
VVVV
VV
Rn
n
maksi
i
4.98052
12
2
12
dan
0
8
8
)(
(min)
Rangkaian yang diperlukan dapat diperoleh dari persamaan
yang
menyatakan hubungan keluaran-masukan sebagai berikut :
Vi= mVT+ B
Dari spesifikasi yang diketahui, maka dapat diperoleh :
0 = m (0) + B
4.980 = m (0,011) + B
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
26/31
25
Jika kedua persamaan ini kita selesaikan secara serentak, maka
akan
diperoleh :
m = 452,727 V dan B =0 V, sehingga diperoleh persamaan
fungsi
alihnya :
Vi= 452,727VT
Fungsi alih yang diperoleh tersebut dapat direalisasikan
dengan
menggunakan penguat instrumentasi dengan cara mengatur nilai
resistor-
resistornya. Pemberian nilai resistor dilakukan dengan cara
sebagai berikut:
Mula-mula R2 dan R3 deberi nilai secara berturut-turut 1 k dan
R1 =
100 k, sehingga RGdapat diperoleh dari persamaan :
m= 1+GG R
x
R
R 10000021
2 1
451,727=GR
2000000
RG = 442,74
Gambar rangkaian keseluruhan dari RPS ditunjukkan Gambar 3.3
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
27/31
26
Gambar 3.4. Gambar Rangkaian Penguat Instrumentasi
3.5. Rangkaian Analog to Digital Converter (ADC)
Data hasil pengukuran transduser LVDT masih berupa besaran
analog
yang harus diubah ke bentu digital sehingga dapat diolah oleh
mikrokontroler.
Untuk itu, digunakan ADC 0804 dengan resolusi 8 bit. ADC 0804
ini memiliki 2
buah channel input analog diferensial. Besaran analog yang akan
dikonversikan
dihubungkan ke Vin+, sedangkan Vin- dihubungkan ke ground.
Resolusi tegangan pada masukan ADC:
voltV
Vn
Ri 0,0195
2
5
2 8
Resolusi tegangan pada masukan rangkaian pengkondisi sinyal:
mVA
VV iT 0,043
727,452
0195,0
Resolusi pada masukan sensor (sama dengan resolusi
pengukuran
displacement):
RG
R1
R2
R3
R3
R2
1 V
Vi
VT
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
28/31
27
mmS
VT T 0215,0
2
0,043
Jadi setiap perubahan satu Bit ADC, ketebalan yang diukur naik
dari kelipatan
0,0215 mm. serta tegangannya berubah naik dari kelipatan 0,0195
V.
Nilai decimal keluaran ADC adalah :
nVn
V
VNilaiADC
maksi
R
maksi2
52
)()(
Ternyata pada sensor LVDT terdapat offset , bilaman tegangan
keluarannya 0 di ketinggian 0,5 mm, bukan saat 0mm tepat. Oleh
karena itu
keluaran ADC yang menyatakan penskalaan ketebalan plastik, pada
software nya
perlu ditambah nilai offset 0,5 mm.
Misal, nilai decimal keluaran ADC adalah 0, maka ketebalan
plastik yang
diwakilinya bukan 0 mm, tetapi 0,5 mm. Bila nilai decimal
keluaran ADC adalah
1, maka ketebalan yang diwakili bukan 0,0215 mm, tetapi 0,0215 +
0,5 mm =
0,5215 mm. Sehingga dapat dirumuskan :
Ketebalan sesungguhnya = (NilaiADC x 0,0215mm) + 0,5 mm
ADC 0804 membutuhkan suatu tegangan referensi sebesar Vcc/2
yaitu
sebesar 2,5V. Pada ADC ini terdapat rangkaian osilator internal
untuk
mengaktifkannya. Frekuensi osilator ditentukan oleh rangkaian
eksternal R dan C.
Nilai R yang digunakan sebesar 10k dan nilai C sebesar 150 pF.
Sehingga
didapatkan nilai frekuensi osilatornya :
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
29/31
28
Untuk memulai konversi, maka diberikan sinyal write pada pin WR.
Hasil
konversi akan dibaca oleh P1 dari mikrokontroler ATMega
328P.
Gambar 3.5 Rangkaian ADC
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
30/31
29
BAB IV
PENUTUP
KESIMPULAN
Dengan penggunaan ADC dan sensor LVDT maka hasil pembacaan
ketebalan plastik terbaca secara digital. Secara umum, sistem
dapat berjalan
dengan baik, namun ada sedikit error dikarenakan kemungkinan
adanya error pada
saat proses perhitungan LVDT.
SARAN
Pada saat merancang dan membuat sistem ini, khususnya LVDT,
sebaiknya dilakukan secara seksama dan dilakukan perhitungan
yang benar-benar
matang. Sehingga tidak terjadi error, dan sistem dapat berjalan
sesuai dengan yang
diinginkan.
-
5/20/2018 Pengukur Ketebalan Plastik Dengan Lvdt
31/31
30
DAFTAR PUSTAKA
----.2002. ATMega 328P Datasheet. http://www.atmel.com diakases
tanggal 10
Oktober 2012.
Bejo, Agus. 2008. C dan AVR. Yogyakarta : Graha Ilmu.
Pallas-Areny, R & Webster,JG, 1991. Sensor and Signal
Conditioning. John
Wiley & Sons,Inc..
Siwindarta, Ponco. 2012. Sistem Instrumentasi Elektronika.
www.elektro.
brawijaya.ac.id/ponco. Malang: Universitas Brawijaya.