perencanaan dan pembuatan alat ukur viskositas
Post on 26-Oct-2015
47 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Perencanaan dan Pembuatan Alat Ukur Viskositas
Oli Mesin pada Kendaraan Bermotor Berbasis Teknologi
Field Programable Gate Array ( FPGA ) Xilinx XC4010-XL
R. Indra Wijaya, ST
Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi – LIPI
Jl. Sangkuriang Komplek LIPI Gd. 20 Bandung 40135.
indra@ppet.lipi.go.id
Abstrak Dalam industri otomotif, efisiensi dan efektifitas kinerja mesin kendaraan bermotor sangat
dipengaruhi oleh kondisi minyak pelumas yang digunakan. Salah satu parameter penting yang
digunakan untuk mengetahui kualitas minyak pelumas adalah viskositas. Proses penggantian
minyak pelumas mesin secara konvensional yang menggunakan pedoman jarak tempuh dan waktu
pemakaian dirasakan masih kurang akurat. Sehingga diperlukan suatu alat ukur viskositas yang
dapat memantau kualitas minyak pelumas secara kontinyu pada saat mesin dijalankan untuk
memperoleh waktu penggantian minyak pelumas yang tepat.
1. Pendahuluan. Kondisi kendaraan bermotor sangat ditentukan
oleh pemeliharaannya, dengan perawatan yang
baik, kendaraan akan dalam kondisi prima.
Perawatan yang tergolong sederhana tetapi
sangat vital adalah penggantian secara rutin
minyak pelumas. Meski sederhana, jenis
perawatan ini sering menyisakan persoalan
pemilihan pelumas yang tepat dan hal-hal yang
berkaiatan dengan penggantiannya. Pasalnya,
pelumas di pasaran tidak hanya berbeda merek
tetapi juga memiliki berbagai spesifikasi.
Penggunaan minyak pelumas pada kendaraan
bermotor ditujukan untuk mencegah gesekan
antar komponen yang bergerak pada pada
mesin. Sehingga diharapkan dapat mencegah
keausan logam mesin akibat gesekan langsung.
Pemilihan jenis minyak pelumas harus
disesuaikan dengan kegunaan dan spesifikasi
minyak pelumas yang ada, selain juga harus
memperhatikan usia mesin dan keadaan cuaca,
karena karakteristik viskositas minyak pelumas
yang sangat bergantung pada temperatur
lingkungannya ( indeks viskositas).
Suatu minyak pelumas dianggap memiliki
indeks viskositas yang baik, jika pada suhu
rendah, mesin tidak mengalami kesulitan untuk
melakukan start ( saat kondisi minyak pelumas
kental ), dan pada saat suhu tinggi saat mesin
telah bekerja, bagian – bagian antar mesin
tidak bergesekan secara langsung ( saat kondisi
minyak pelumas menjadi encer ). Minyak
pelumas seharusnya memiliki selisih viskositas
yang kecil saat suhu rendah dan tinggi. Sejalan
dengan waktu pemakaiannya, maka rentang
selisih minyak pelumas pada suhu tinggi dan
rendahnya akan semakin melebar, yang berarti
minyak pelumas sudah tidak layak lagi untuk
digunakan. Keterlambatan penggantian minyak
pelumas tidak hanya menyebabkan keausan
logam pada mesin, tetapi juga menyebabkan
endapan atau kerak akibat terlalu banyaknya
bahan pengotor dalam minyak pelumas.
Pada dasarnya penggantian minyak pelumas
tidak bisa ditentukan hanya berdasarkan selang
waktu pemakaian atau jarak tempuh kendaraan
bermotor saja, melainkan juga ditentukan kerja
mesin mesin yang bersangkutan. Setiap jenis
mesin tertentu biasanya disertai petunjuk
pemilihan jenis minyak pelumas dan rentang
waktu pemakaiannya, untuk keadaan operasi
mesin tertentu ( kondisi normal ). Pedoman
penggantian minyak pelumas secara
konvensional tersebut diraskan kurang akurat
oleh para pengguna otomotif , karena
seringkali mesin dijalankan secara berlebihan
dan tidak adanya indikator yang bisa
mengingatkan mereka kapan harus mengganti
minyak pelumas tersebut.
2. Teori Dasar
2.1. Viskositas. Viskositas dapat dinyatakan sebagai tahanan
aliaran fluida yang merupakan gesekan antara
molekul – molekul cairan satu dengan yang
lain. Suatu jenis cairan yang mudah mengalir,
dapat dikatakan memiliki viskositas yang
rendah, dan sebaliknya bahan – bahan yang
h
gaya (F) Luas area
v
v=0
distribusi kecepatan
sulit mengalir dikatakan memiliki viskositas
yang tinggi.
Pada hukum aliran viskos, Newton menyatakan
hubungan antara gaya – gaya mekanika dari
suatu aliran viskos sebagai :
Geseran dalam ( viskositas ) fluida adalah
konstan sehubungan dengan gesekannya.
Hubungan tersebut berlaku untuk fluida
Newtonian, dimana perbandingan antara
tegangan geser (σ) dengan kecepatan geser (γ)
nya konstan. Parameter inilah yang disebut
dengan viskositas.
Aliran viskos dapat digambarkan dengan dua
buah bidang sejajar yang dilapisi fluida tipis
diantara kedua bidang tersebut.
Gambar 1. Aliran viskos.
Suatu bidang permukaan bawah yang tetap
dibatasi oleh lapisan fluida setebal h, sejajar
dengan suatu bidang permukaan atas yang
bergerak seluas A. Jika bidang bagian atas itu
ringan, yang berarti tidak memberikan beban
pada lapisan fluida dibawahnya, maka tidah
ada gaya tekan yang bekerja pada lapisan
fluida. Suatu gaya F dikenakan pada bidang
bagian atas yang menyebabkan bergeraknya
bidang atas dengan kecepatan konstan v, maka
fluida dibawahnya akan membentuk suatu
lapisan – lapisan yang saling bergeseran.Setiap
lapisan tersebut akan memberikan tegangan
geser (σ) sebesar F/A yang seragam, dengan
kecepatan lapisan fluida yang paling atas
sebesar v dan kecepatan lapisan fluida paling
bawah sama dengan nol. Maka kecepatan geser
(γ) pada lapisan fluida di suatu tempat pada
jarak y dari bidang tetap, dengan tidak adanya
tekanan fluida menjadi :
h
v
dy
dv==γ
Pada fluida newtonian perbandingan antara
besaran kecepatan geser dan tegangan geser
adalah konstan,
γ
ση
γησ
=
= .
dimana parameter (η) ini didefinisikan sebagai
viskositas absolut (dinamis) dari suatu fluida.
Dengan menggunakan satuan internasional ; N,
m2, m, m/s untuk gaya, luas area panjang dan
kecepatan, maka besaran viskositas dapat
dinyatakan dengan :
sPa
msm
mN
.
.
2
===η
ση
Satuan Pa.s dirasakan terlalu besar dalam
prakteknya, maka diguanakan satuan mPa.s,
yang lebih dikenal sebagai cP atau centiPoise
(catatan: 1 Pa.s = 1000mPa.s = 1000cP,
1P=100cP ).
Gambar 2. Grafik fluida newtonian.
Seperti halnya kerapatan, besaran viskositas
berbanding terbalik dengan perubahan
temperatur. Kenaikan temperatur akan
melemahkan ikatan antar molekul suatu jenis
cairan sehingga akan menurunkan nilai
viskositasnya.
2.2. Viskometer Rotasi. Viskometer merupakan peralatan yang
dgunakan untuk mengukur viskositas suatu
fluida. Model viskometer yang umum
digunakan berupa viskometer peluru jatuh,
tabung ( pipa kapile ) dan sistem rotasi..
Viskometer rotasi silinder sesumbu (concentric
cylinder) dibuat berdasarkan 2 standar, sistem
Searle dimana silinder bagian dalam berputar
dengan silinder bagian luar diam dan sistem
Couette dimana bagian luar silinder yang
diputar sedangkan bagian dalam silinder diam.
Fluida yang akan diukur ditempatkan pada
celah diantara kedua silinder. Persamaan
matematis untuk menghitung viskositas
diturunkan dari hukum newton tentang aliran
viskos.
Gambar 4. Viskometer silinder sesumbu.
Silinder dalam dengan jari – jari rd dan tinggi h
berputar dengan kecepatan sudut konstan (ω)
pada silinder luar dengan jari – jari rl. Gaya (F)
yang bekerja terhadap fluida pada jarak r
diantara kedua silinder menghasilkan tegangan
geser (σ) pada fluida sebesar :
hr
T
hr
rT
A
F2.2..2 ππ
σ ===
T merupakan torsi yang bekerja pada fluida
yang merupakan hasil kali antara gaya (F)
yang diberikan oleh putaran silinder dalam
dengan jarak fluida dari pusat silinder (r).
Kecepatan geser dapat dinyatakan sebagai :
dr
rd
dr
du ωγ −=−=
Hubungan antar kecepatan geser dengan
tegangan geser mengahasilkan persamaan
viskositas untuk fluida newtonian sebagai :
sParrhf
T
ld
.11
..4222
−=
πη
dimana :
η : viskositas absolut
f : kecepatan rotasi silinder dalam
h : tinggi silinder
rd : diameter silinder dalam
rl : diameter silinder luar
T : torsi
2.3. Standar Minyak Pelumas.
Standarisasi minyak pelumas untuk mesin
kendaraan bermotor pertama kali dilakukan
oleh Society of Automotif Engineering (SAE)
pada tahun 1911 dengan kode SAE J300.
Minyak pelumas dikelompokkan berdasarkan
tingkat kekentalannya. Dalam kemasan atau
kaleng pelumas, biasanya dapat ditemukan
kode angka yang menunjukkan tingkat
kekentalannya, seperti : SAE 40, SAE 90, SAE
10W-50, dsb. Semakin tinggi angkanya
semakin kental minyak pelumas tersebut. Ada
juga kode angka multi grade seperti 10W-50,
yang dapat diartikan bahwa pelumas memiliki
tingkat kekentalan sama dengan SAE 10 pada
suhu udara dingin (W= Winter) dan SAE 50
pada udara panas.
Tabel. 1. Standar SAE J300. Viskositas (cSt) Suhu 1000 C
Tingkat Viskositas
SAE
Viskositas (cP) Suhu rendah
Min Max
Viskositas (cP)
Suhu 1500 C
0W 6200 @ -350 C 3.8
5W 6600 @ -300 C 3.8
10W 7000 @ -250 C 4.1
15W 7000 @ -200 C 5.6
20W 9500 @ -150 C 5.6
25W 13000 @ -100 C 9.3
20 5.6 < 9.3 2.6
30 9.3 < 12.5 2.9
40 12.5 < 16.3 2.9
50 16.3 < 21.9 3.7
60 21.9 < 26.1 3.7
2.4. Indeks Viskositas. Kemampuan minyak pelumas untuk mengatasi
perubahan nilai viskositas terhadap perubahan
temperatur dikenal dengan istilah indeks
viskositas. Nilai indeks viskositas merupakan
suatu besaran yang menyatakan perbandingan
relatif antar minyak pelumas yang dinyatakan
dengan persen. Nilai indeks viskositas tinggi,
menyatakan bahwa minyak pelumas tersebut
semakin kecil mengalami perubahan nilai
viskositas pada range temperatur tertentu, yang
berarti bahwa mutu minyah pelumas tersebut
semakin baik.
Berdasarkan standar pengukuran ASTM D567
(American Standart Test and Measurement)
pengukuran nilai IV didasarkan pada
persamaan :
%100xHL
ULIV
−
−=
dimana :
L : viskositas pelumas dengan IV=0% @1000F
H : viskositas pelumas dgn IV=100% @ 1000F
U : viskositas pelumas yang diukur pada 1000F
Silinder luar
Silinder dalam
Fluida terukur
h
rd rl
ω
M
PENGKONDISI SINYAL ARUS
PENGKONDISI KECEPATAN
PENGKONDISI TEMPERATUR
SAMPLE & HOLD
ADC
FPGA
LCD DISPLAY
EPROM
GRADE DATABASE
PARALEL PC-CONN
3. Perancangan Alat. Tingkat kelayakan minyak pelumas didapatkan
dari hasil pengukuran viskositas dan
temperatur, yang menghasilkan besaran indeks
viskositas. Bila didapatkan dua buah titik
pengukuran viskositas viskositas pada suhu
yang berbeda, maka bila diantara kedua titik itu
ditarik sebuah garis lurus dan kemudian garis
tersebut ditarik sampai melewati suhu referensi
pembanding, maka nilai viskositas pada suhu
tertentu dapat dengan mudah didapatkan. Hal
ini sesuai dengan karakteristik minyak pelumas
yang merupakan bagian dari fluida newtonian
yang memiliki karakteristik perubahan
viskositas terhadap suhu yang linear.
Blok diagram sistem yang dibuat dapat
digambarkan sebagai berikut :
Gambar 5. Blok diagram sistem.
3.1. Sistem Sensor. Sistem mekanis (sensor) terdiri dari dua buah
silinder sesumbu, dimana silinder bagian dalam
diputar dengan menggunakan motor DC dan
silinder bagian luar dijaga supaya tetap diam.
Pelumas yang diukur diletakkan pada celah
diantara kedua silinder tersebut.
Dari persamaan viskositas ada dua variabel
yang harus diukur, yaitu frekuensi putaran
silinder dalam dan torsi yang bekerja. Besaran
torsi diambil dari besaran arus yang mengalir
pada penggerak motor dc.
Gambarb 6. Model listrik motor DC.
Persamaan tranduser motor dapat dinyatakan :
IKT
KE
m
v
.
.
=
= ω
dimana Kv sebagai konstanta kecepatan motor
dan Km sebagai konstanta mekanis motor.
Hubungan antara kecepatan dengan torsi motor
dapat dirumuskan sebagai :
2
.
K
TR
K
V−=ω
Sehingga nilai torsi yang bekerja pada motor
jika dibebani dapat diketahui :
0
..
ω
IVIKT ==
dengan memasukkan unsur T ini, maka
persamaan viskositas menjadi :
sParrhff
T
ld
.11
...822
0
2
−=
πη
Bila tranduser yang dibuat memiliki dimensi
sebagai berikut :
• diameter silinder dalam (rd) = 20mm
• diameter silinder luar (rl) = 25mm
• tinggi silinder (h) = 30mm
Sedangkan motor DC yang digunakan dicatu
dengan tegangan (V) 5 volt, yang
menghasilkan frekuensi tanpa beban (f0)
sebesar 27.5Hz maka, persamaan viskositas
sebagai fungsi arus dan frekuensi dapat
dinyatakan sebagai :
smPaf
I.
89.219=η
Dengan mengukur tegangan jatuh pada R maka
dapat diketahui besarnya arus yang mengalir
pada kumparan jangkar motor ( I = VR / R).
Gambar 7. Enkoder kecepatan.
Untuk mendapatkan besaran frekuensi putaran
silinder dalam viskometer digunakan enkoder
yang terdiri dari sebuah piringan dengan pola
terang gelap yang diletakkan diantara
optocoupler (yang merupakan pasangan LED
sebagai pemancar cahaya dan phototransistor
V
R
I
E=Kv.ω
(Back EMF)
T & ω
E
LED
Phototransistor
Cakram Enkoder
sebagai penerima) dan ikut diputar bersama
sumbu motor yang menghasilkan deretan pulsa
yang bervariasi frekuensinya tergantung dari
kecepatan motor.
Sebagai sensor temperatur digunakan IC LM35
(National semiconductor) yang memiliki
tegangan keluaran berbanding linear dengan
temperatur dalam satuan 0C dengan perubahan
10 mV/ 0C.
3.2. Akuisisi Data. Setelah melewati rangkaian pengkondisi sinyal
yang tediri dari penguat sinyal, low pass filter,
dan antialiasing filter. Maka ketiga besaran
yang diukur (temperatur, arus dan frekuensi)
dilewatkan ke ADC 0809 ( National
Semiconductor ) untuk mengubah sinyal
analog ke digital yang selanjutnya
diinterfacekan dengan IC FPGA.
3.3. Modul FPGA FPGA (Field Programable Gate Array)
merupakan otak dari keseluruhan sistem
pengukuran viskositas minyak pelumas. FPGA
berfungsi sebagai pengatur proses akuisisi data,
melakukan proses perhitungan arithmatika
persamaan viskositas, mengambil keputusan
kelayakan pelumas dan menampilkannya pada
papan LCD.
Device FPGA yang digunakan berupa IC
Xilinx XC4010XL dalam kemasan PLCC 84
pin yang memiliki 400 CLB (Configurable
Logic Block). Pada dasarnya IC ini memiliki
dua buah elemen konfigurasi yang utama, yaitu
: CLB (Configurable Logic Block) yang
berfungsi untuk mengimplementasikan fungsi-
fungsi logika yang akan dibuat, dan IOB (Input
Output Block) yang berfungsi sebagai inteface
dengan rangkaian luar. Selain itu terdapat tiga
tipe rangkaian internal yang mendukung
arsitektur FPGA Xillinx, yakni : Three State
Buffer, Wide Edge Detector dan On Chip
Oscilator.
Sebagi device yang dapat diprogram ulang,
FPGA memerlukan proses konfigurasi sebelum
dapat difungsikan sebagi sebuah rangkaian
digital sesuai dengan yang diiinginkan. Ddalam
perancangan alat ini digunakan dua metode
konfigurasi. Pertama secara slave serial
dimana data konfigurasi dikirimkan melalui
port paralel PC ke internal RAM FPGA dengan
bantuan perangkat lunak XLTOOLS yang
digunakan selama proses perancangan. Kedua
melalui mode master paralel, dimana data
disimpan dalam EPROM 64Kb sehingga
sistem dapat bekerja tanpa PC ketika program
telah benar – benar selesai dibuat.
Gambar 8. Skematik Diagram.
3.4. Perangkat Lunak. Modul – modul yang digunakan untuk
mengkonfiguransi FPGA dibuat dengan
bantuan perangkat lunak Xilinx Foundation
v2.1 yang ditulis dengan menggunakan bahasa
VHDL (Very High Speed IC Hardware
Description Language). Secara garis besar
terdapat 9 modul (function) yang dibuat yaitu :
1. akuisisi data
2. pengontrol display LCD
3. perhitungan nilai viskositas
4. perhitungan indeks viskositas
5. penyimpan referensi Grade SAE
6. pengambil keputusan kelayakan
pelumas.
7. pengubah bilangan biner – BCD
8. Pembangkit pulsa clock
9. Penbagi frekuensi.
Selain itu dibuat juga program bantu untuk
keperluan debuging dengan bantuan Delphi 5.0
untuk mengetahui perubahan parameter
besaran yang diukur secara real time pada PC
untuk mengetahui kinerja sisitem secara
keseluruhan.
Gambar 9. Tampilan Debugger
4. Pengujian dan Kalibrasi.
Untuk memastikan keseluruhan sistem bekerja
dngan baik, pengujian dilakukan terhadap
sensor maupun seluruh rangkaian penunjang
lainnya yang meliputi pengukuran linearitas
ADC, temperatur, kecepatan putaran motor,
arus motor dan pengukuran karakteristik
motor.
Sebagi media kalibrasi digunakan viskosimeter
tipe paralel plate yang mampu menghasilkan
penunjukan berupa nilai viskositas absolut
fluida pada temperatur 400C dan 100
0C. Dari
hasil pengujian dan kalibrasi dapat dikatakan
keseluruh sistem dapat bekerja dengan baik.
5. Kesimpulan. Untuk mendapatkan pengukuran pelumas yang
lebih akurat, harus didukung dengan sensor
yang dibuat dengan tingkat keakuratan yang
tinggi.
Faktor lain yang turut mempengaruhi unjuk
kerja pelumas seperti bahan pengotor yang
dihasilkan dari proses pembakaran, sistem
distribusi pelumas (tekanan) harus juga
diperhatikan dalam penentuan tingkat
kelayakan pelumas.
Agar dapat diaplikasikan secara langsung pada
mesin kendaran, perlu diusahakan struktur
mekanik yang tepat sehingga sensor dapat
terpasang dengan baik.
5. Daftar Pustaka.
[1] ---, Competing technologies for Measuring
Viscosity, http://www.cambridge-
applied.com/tech/viscometers.html.
[2] ---, Engine Oil Viscosity Clasivication –
SAE J300, revised June 2001,
http://www.chevron.com/
[3] ---, Flow & Suspension Properties,
http://www.pharma.noveonic.com
[4] ---, Motors, http://www.srl.gatech.edu/
[5] ---, Oil Guide, http://www.api.com
[6] ---, Viscosity dependent temperatur &
preasure,
http://www..nd.edu/~ed/lubricants.htm
[7] ---, Z80 Controlled Viscometer Project,
http://www.hanssummers.com/visc.htm
[8] David E. Vande Bout, Pragmatic Logic
Design with Xilinx Foundation 2.1i, XESS
Corp.
[9] James F. Steve Ph.D P.E, Rheological
Method in Food Process Engineering,
1996, second edition,
http://www.egr.msu.edu/~steffe/
[10] Kevin Skahill, March, 1996, VHDL for
Programable Logic. Cypress
Semiconductor, Sunnyvale, California
Addison Wesley Publishing Inc.
top related