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

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

1

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

masing – masing. Penggunaan sensor Linear 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 Arduino Uno

menggunakan ATMEGA 328P dan ditampilkan dengan LCD sebagai hasil

monitoring ketebalan plastik.

2. Tujuan dan Manfaat

Merancang prototype alat pendeeksi ketebalan plastik pada industri plastik

menggunakan sensor LVDT secara digital agar dihasilkan pembacaan ketebalan

plastik yang lebih presisi untuk proses lebih lanjut.

2

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, sesuai

dengan hasil perhitungan.

- Pengujian rangkaian secara keseluruhan.

3

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 ini

sebagai 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

4

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

Gambar 2.2 Respon posisi dari LVDT

6

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

7

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 displacement ialah :

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

8

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

9

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:

V out=(1+2 R1

RG)( R3

R2) (E2−E1)

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 tidak

berubah 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 rejection dan 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.

10

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

menggunakan schmitt 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.

11

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 diantaranya PWM (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. Konsep

inilah 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

12

( 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. Register – register ini menempati memori pada alamat 0x20h –

0x5Fh. Berikut ini adalah tampilan architecture ATmega 328 :

Gambar 2.8. Arsitektur ATmega328P

13

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

14

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

15

2. Untuk siklus negatif :

ketika E menjadinegatif, D2 akan bekerja

Rangkaian akan bekerja seperti inverter, sejak Rf = Ri, dan Vo

=+E1.

Diode D1 dibias mundur.

Arus masukan diatur oleh E/Ri dan penguatan sebesar Rf/Ri.

Gambar 2.13: Siklus Negatif

3. Untuk masukan dibawah tegangan maju dioda

Contoh, bila E sebesar —0.1 V. E, dan R, 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

16

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.

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Secara KeseluruhanArduino

Arduino

PRECISIONRECTIFIER

RPS2

PRECISION RECTIFIER

17

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 volume dengan 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

18

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.

19

Kumparan p rimer dililitkan ditengah selongsong, sedangkan kedua

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.

20

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 Ω

Rf = 1200 Ω

C = 33 µF

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 yang

paling 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

21

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 :

V T (min )=( tinggimin−0,5 )×S=(0,5−0,5)mm×2 mV /mm=0 VV T (maks )=( tinggimaks−0,5 )×S=(6−0,5)mm×2mV /mm=11mV

Untuk ADC dengan n = 8 bit dan tegangan referensi VR= 5V, membutuhkan

tegangan masukan dalam kisaran antara:

V i(min )=1,2 Vdan

V i(maks )=2n−12n ×V R=

28−128 ×6,2V =6 ,17V

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

22

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 kΩ dan R1 =

100 kΩ, sehingga RG dapat diperoleh dari persamaan :

m= 1+

2 R1

RG=1+ 2 x 100000

RG

454,54=

2000000RG

RG = 440,0052 Ω

Gambar rangkaian keseluruhan dari RPS ditunjukkan Gambar 3.3

Gambar 3.4. Gambar Rangkaian Penguat Instrumentasi

R2’’

R3

R3

R2

R1

RG

1 V

Vi

VT

23

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 :

V T (min )=( tinggimin−0,5 )×S=(0,5−0,5)mm×2 mV /mm=0 VV T (maks )=( tinggimaks−0,5 )×S=(6−0,5)mm×2mV /mm=11mV

Untuk ADC dengan n = 8 bit dan tegangan referensi VR= 5V, membutuhkan

tegangan masukan dalam kisaran antara:

V i(min )=0Vdan

V i(maks )=2n−12n ×V R=

28−128 ×5V =4 . 980 V

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

24

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 kΩ dan R1 =

100 kΩ, sehingga RG dapat diperoleh dari persamaan :

m= 1+

2 R1

RG=1+ 2 x100000

RG

451,727=

2000000RG

RG = 442,74 Ω

Gambar rangkaian keseluruhan dari RPS ditunjukkan Gambar 3.3

25

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:

ΔV i=

V R

2n = 528 =0,0195 volt

Resolusi tegangan pada masukan rangkaian pengkondisi sinyal:

ΔV T=ΔV i

A= 0 ,0195

452 , 727=0,043 mV

Resolusi pada masukan sensor (sama dengan resolusi pengukuran

displacement):

R2’’

R3

R3

R2

R1

RG

1 V

Vi

VT

26

ΔT =ΔV T

S=0,043

2=0 , 0215 mm

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 :

NilaiADC=V i(maks )

V R×2n=

V i(maks )

5×2n

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 10kΩ dan nilai C sebesar 150 pF. Sehingga

didapatkan nilai frekuensi osilatornya :

27

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

28

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.

29

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.

30