BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang MasalahPenelitian reaksi pembakaran saat ini telah banyak dilakukan diantaranya adalah Karakteristik Pembakaran Tetesan Minyak Jarak Pada Berbagai Suhu, Pembakaran Droplet Pada Gelombang Suara, dan Studi Analisis Pembakaran Tetesan. Penelitian tersebut menggunakan alat ukur temperatur yang bertujuan antara lain untuk menghasilkan perancangan burner yang berkualitas dan teknik pengendalian pembakaran. Dengan landasan tersebut, maka dibutuhkan alat uji temperatur yang akurat dalam pengukuran temperatur nyala sehingga mendukung keberhasilan penelitian.Pada Jurusan Teknik Mesin khususnya Program Studi Teknik Konversi Energi terdapat banyak alat ukur temperatur seperti pada mesin kalor, tetapi secara spesifik belum memiliki alat ukur temperatur untuk reaksi pembakaran. Pengadaan alat ini membutuhkan dana yang cukup besar, sehingga dianggap perlu untuk merancang bangun alat uji temperatur titik nyala reaksi pembakaran bahan bakar dengan kontrol temperatur yang diharapkan harganya terjangkau.Perancangan ini akan menggunakan termokopel tipe K sebagai alat uji temperatur nyala karena mampu mengukur temperatur yang tinggi, sehingga tepat di gunakan pada reaksi pembakaran. Sistem kontrol yang akan diterapkan berupa sistem kontrol tertutup. Adapun bahan bakar yang diuji adalah bahan bakar yang umum digunakan, berupa minyak tanah dan minyak nabati. Pengujian ini bermaksud untuk menguji keberhasilan sistem kendali temperatur pada reaksi pembakaran.Untuk menjawab latar belakang permasalahan di atas, maka dilakukan penelitian dengan judul : RANCANG BANGUN ALAT UJI TEMPERATUR NYALA REAKSI PEMBAKARAN BAHAN BAKAR DENGAN KONTROL TEMPERATUR.

B. Rumusan MasalahBerdasarkan latar belakang di atas, maka rumusan masalahnya adalah sebagai berikut :1. Bagaimana merancang bangun alat uji temperatur nyala reaksi pembakaran bahan bakar dengan kontrol temperatur?2. Bagaimana mengetahui kemampuan alat uji temperatur nyala reaksi pembakaran bahan bakar dalam mengontrol temperatur pada proses pemanasan sampai pembakaran bahan bakar ?

C. Tujuan PenelitianAdapun tujuan yang akan dicapai berdasarkan rumusan masalah adalah sebagai berikut :1. Untuk merancang bangun alat uji temperatur nyala reaksi pembakaran bahan bakar dengan pengontrolan temperatur.2. Untuk mengetahui kemampuan alat uji temperatur nyala reaksi pembakaran bahan bakar dalam mengontrol temperatur pada proses pemanasan sampai pembakaran bahan bakar.

D. Manfaat Penelitian1. Dapat menambah wawasan tentang prinsip dan mekanisme alat uji temperatur.2. Dapat digunakan sebagai unit peralatan praktikum mahasiswa dalam kegiatan laboratorium pengujian sistem konversi energi.

E. Sistematika PenulisanUntuk lebih memudahkan dalam penyusunan laporan ini yaitu dari segi penyusunan dan juga untuk lebih memudahkan dalam memahami permasalahan maka penyusun menguaikan secara garis besar masalah yang terkait dalam tulisan ini yang terdiri dari lima bab, yaitu sebagai berikut : Bab I berisi pembahasan latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan dan manfaat penelitian serta sistematika penulisan. Bab II berisi teori dan analisa yang terkait dengan pembahasan seperti reaksi pembakaran bahan bakar, termokopel, mikrokontroler ATMega 16, sistem kendali temperatur, akuisisi data dan penelitian pengujian pembakaran.Bab III berisi teori pembahasan mengenai jenis penelitian, tempat dan waktu penelitian, metode perancangan, alat dan bahan, prosedur penelitian dan flowchart. Bab IV berisi pembahasan mengenai hasil yang telah dicapai. Bab V berisi kesimpulan yang diperoleh dari pembahasan penelitian dan juga saran dari penulis.

BAB IITINJAUAN PUSTAKAA. Reaksi Pembakaran Bahan BakarDefinisi pembakaran menurut Riska. A dan Fina. D (2010) adalah suatu proses reaksi kimia antara suatu bahan bakar dengan suatu oksidan, disertai dengan produksi panas yang kadang disertai cahaya dalam bentuk pendar atau api.Menurut Joseph G Singer (1991) reaksi pembakaran dari bahan bakar dapat terjadi jika syarat reaksi kimia berikut tercapai :1. Terjadi kombinasi yang sempurna antara dua atau lebih reaktan berdasarkan rasio stoikiometrik.2. Massa elemen reaktan harus sama dengan massa hasil reaksi (hukum kekekalan massa).3. Senyawa kimia terbentuk dari elemen-elemen kombinasi dengan hubungan massa yang tetap.4. Formasi dari senyawa yang menghasilkan panas (reaksi eksotermik) ataupun yang membutuhkan panas (reaksi endotermik), berdasarkan atas perubahan energi bebas dari reaksi.Adapun definisi bahan bakar menurut Suryanto, Dr.Wardan, Drs.Zaenal Arifin (2003) adalah segala materi yang bisa diubah menjadi suatu energi. Bahan bakar ini dibedakan menjadi tiga menurut wujudnya, yakni cair, padat dan gas.B. TermokopelMenurut Saeful Karim dan Sunardi (2003:3) termokopel berupa sambungan dua jenis logam atau logam campuran, yang salah satu logam tadi diberi perlakuan suhu yang berbeda dengan sambungan lainnya.Menurut Ardiansyah, MT (2000) termokopel terdiri dari dua konduktor yang berbeda, dihubungkan menjadi satu rangkaian seperti yang terlihat pada gambar.

Gambar 1 Diagram Skematik Termokopel

Dua termoelemen A dan B dihubungkan (junction) dan jika temperatur antara junction pertama (cold junction) dan kedua (hot junction) berbeda maka akan timbul arus akibat gaya gerak listrik (EMF).

Gambar 2 Pengukuran EMFJika cold junction open circuit dihubungkan pada voltmeter dengan impedansi yang tak terhingga, seperti yang terlihat pada gambar 2, maka akan terbaca tegangan pada voltmeter tersebut yang dikenal sebagai tegangan Seebeck. Laju perubahan nilai tegangan akibat perubahan temperatur disebut dengan koefisien Seebeck.Jika termokopel digunakan untuk mengukur temperatur hot junction maka tegangan Seebeck pada cold junction, hot junction serta temperatur cold junction harus diketahui terlebih dahulu. Karena cold junction juga menghasilkan tegangan Seebeck maka untuk mempermudah pembacaan temperatur pada tabel termokopel, cold junction ditempatkan pada ice point of water (titik cair es).Gaya gerak listrik sebenarnya timbul karena gradien temperatur sepanjang kawat yang menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan mengasumsikan kawat termokopel homogen maka gaya gerak listrik ditemukan akibat perbedaan temperatur hot junction dan cold junction.Tabel 1 Jenis - Jenis TermokopelTipeMaterialRange(oC)Koefisien Seebeck

BPlatium 30% Rhodium / Platinum 6% Rhodium0 18003

ECramel-200 100063

JIron-200 90053

KChromel/Alumel-200 130041

NNirosil/Nisil-200 130028

RPlatinum / Platinum 13% Rhodium0 14006

SPlatinum / Platinum 10% Rhodium0 14006

TCopper-200 40043

Sumber : InternetNational Institute of Standart and Technology (NIST) mempublikasikan tabel untuk berbagai macam jenis sensor termokopel dapat dilihat dari tabel 1.C. Mikrokontroler ATMega 16Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer lengkap dalam satu serpih(chip). Mikrokontroler lebih dari sekedar sebuah mikroprosesor karena sudahterdapat atau berisikan ROM (Read-Only Memory), RAM (Read-Write Memory),beberapa bandar masukan maupun keluaran, dan beberapa peripheral seperti pencacah atau pewaktu, ADC (Analog to Digital converter), DAC (Digital to Analog converter) dan serial komunikasi. Salah satu mikrokontroler yang banyak digunakan saat ini yaitu mikrokontroler AVR. AVR adalah mikrokontroler RISC (Reduce Instuction SetCompute) 8 bit berdasarkan arsitektur Harvard. Secara umum mikrokontroler AVR dapat dapat dikelompokkan menjadi 3 kelompok, yaitu keluarga AT90Sxx, ATMega dan ATtiny. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, peripheral, dan fiturnya. Seperti mikroprosesor pada umumnya, secara internal mikrokontroler ATMega16 terdiri atas unit-unit fungsionalnya Arithmetic and Logical Unit (ALU), himpunan register kerja, register dan dekoder instruksi, dan pewaktu beserta komponen kendali lainnya. Berbeda dengan mikroprosesor, mikrokontroler menyediakan memori dalam serpih yang sama dengen prosesornya (in chip).Mikrokontroler ini menggunakan arsitektur Harvard yang memisahkan memori program dari memori data, baik bus alamat maupun bus data, sehingga pengaksesan program dan data dapat dilakukan secara bersamaan (concurrent). Secara garis besar mikrokontroler ATMega16 terdiri dari :1.Arsitektur RISC dengan throughput mencapai 16 MIPS pada frekuensi16Mhz.2. Memiliki kapasitas Flash memori 16Kbyte, EEPROM 512 Byte, dan SRAM 1Kbyte3. Saluran I/O 32 buah, yaitu Bandar A, Bandar B, Bandar C, dan Bandar D.4. CPU yang terdiri dari 32 buah register.5. User interupsi internal dan eksternal.6. Bandar antarmuka SPI dan Bandar USART sebagai komunikasi serial7. Fitur Peripheral Dua buah 8-bit timer/counter dengan prescaler terpisah dan mode compare Satu buah 16-bit timer/counter dengan prescaler terpisah, modecomparedan mode capture Real time counter dengan osilator tersendiri Empat kanal PWM dan Antarmuka komparator analog 8 kanal, 10 bit ADC Byte-oriented Two-wire Serial Interface Watchdog timer dengan osilator internal

Gambar 3 ATMega16D. Akuisisi DataMenurut Abu Hasan (1999) sistim akuisisi data dapat didefinisikan sebagai suatu sistem yang berfungsi untuk mengambil, mengumpulkan dan menyiapkan data, hingga memprosesnya untuk menghasilkan data yang dikehendaki. Menurut Nikolay Kirianaki (2002) akuisisi data adalah pengukuran sinyal elektrik dari transduser dan peralatan pengukuran kemudian memasukkannya ke komputer untuk diproses. Akuisisi juga dapat diartikan sebagai suatu cara untuk memperoleh informasi tentang sistem atau proses. Parameter informasi seperti temperatur, suhu, tekanan, atau aliran oleh sensor informasi tersebut diubah menjadi sinyal listrik.Akuisisi data merupakan pengambilan informasi dari dunia nyata yang kemudian informasi tersebut diolah oleh komputer. Akuisisi data umumnya melibatkan proses pengambilan sinyal dan mengolahnya untuk memperoleh informasi. Komponen dari sistem akuisisi data meliputi sensor yang mengubah suatu parameter pengukuran menjadi sinyal listrik yang kemudian diterima oleh perangkat keras akuisisi data. Data yang diperoleh biasanya ditampilkan, dianalisis dan disimpan dalam PC (Personal Computer). Hal ini dapat dicapai antara lain dengan menggunakan perangkat lunak dan perangkat keras kontrol interaktif.Sinyal analog dapat berasal dari sensor atau transduser yang mengubah suatu besaran seperti tekanan, posisi, atau temperatur ke dalam bentuk tegangan atau arus.Sinyal analog tidak dapat secara langsung dibaca atau diproses oleh komputer. Sinyal analog harus diubah terlebih dahulu kedalam bentuk data digital. Proses ini disebut konversi analog ke digital (A/D). Proses kebalikannya adalah konversi digital ke analog (D/A) yang mengubah data digital ke dalam bentuk tegangan atau arus analog. Banyak perangkat akuisisi data yang memiliki kedua proses tersebut sehingga memungkinkan pengukuran dan pengontrolan oleh komputer. Saat ini banyak para ilmuwan dan ahli rekayasa teknik menggunakan komputer dengan bus PCI, PXI/Compact PCI, PCMCIA, USB, IEEE 1394, ISA, parallel port atau serial port untuk akuisisi data dalam riset di laboratorium, pengukuran dan pengujian, dan otomasi industri. Hasil yang diperoleh dari sistem akuisisi data berbasis PC bergantung dari masing-masing elemen berikut ini seperti PC, transduser, pengkondisi sinyal, perangkat keras akuisisi data, dan perangkat lunak akuisisi data.E. Sistem Kendali TemperaturSecara umum sistem pengendalian adalah susunan komponen-komponen fisik yang dirakit sedemikian rupa sehingga mampu mengatur sistemnya sendiri atau sistem di luarnya. Sistem kontrol adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga range tertentu. Istilah lain sistem kontrol atau teknik kendali adalah teknik pengaturan, sistem pengendalian, atau sistem pengontrolan (Pakpahan, 1988).Menurut Radix Satrio Ramadhan (2013) sistem kontrol adalah suatu alat (kumpulan alat) untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari suatu sistem. Sistem kendali temperatur merupakan pengendalian atau pengaturan nilai temperatur yang terukur oleh alat ukur analog, dengan pengaturannya diatur melalui program yang dibuat.

F. Proses Pengujian Temperatur pada Reaksi Pembakaran

Pengujian adalah suatu proses pengeksekusian program yang bertujuan untuk menemukan kesalahan (Berard, 1994). Pengujian sebaiknya menemukan kesalahan yang tidak disengaja dan pengujian dinyatakan sukses jika berhasil memperbaiki kesalahan tersebut.Proses pengujian temperatur pada reaksi pembakaran bahan bakar dilakukan dengan metode pembacaan temperatur oleh termokopel secara analog yang dikonversi menjadi digital agar data tersebut dapat terbaca oleh komputer. Pengujian ini bermaksud agar dapat diketahui efisiensi temperatur terhadap pembakaran bahan bakar.G. Penelitian Reaksi PembakaranSeperti yang telah dibahas pada latar belakang bahwa telah banyak diadakan penelitian reaksi pembakaran yang mengunakan alat ukur temperatur diantaranya adalah : 1. Karakteristik Pembakaran Tetesan Minyak Jarak Pada Berbagai Suhu Minyak oleh I.N.G Wardana dimana temperatur pada proses pembakaran tetesan minyak jarak diidentifikasi dengan termokopel (2009).2. Karakteristik Pembakaran Tetesan Bahan Bakar dengan Penambahan Nano dan Partikel Alumunium Ukuran Mikro oleh Yanan Gan dan Li Qiao (2010).3. Studi Pembakaran Tetesan Vertikal Tunggal Bahan Bakar Secara Langsung Pada Bidang Arus Listrik oleh Osama Imamura, Yasuyuki Kubo, Jun Osaka, Jun Ichi Sato, Mitsuhiro Tsue, dan Michikata Kuno (2005).4. Pembakaran Tetesan pada Gelombang Suara oleh Mitsuaki Tanabe, Takuo Kuwahara, Kimiyoshi Satoh, Toshiro Fujimori, Jun Ichi Sato dan Michikata Kono (2004).

5. Interaksi Antara Pembakaran Tetesan oleh Changfu You, Hailiang Zhao, Bin Huang, Haiying Qi dan Xuchang Xu (2007).

BAB IIIMETODE PERANCANGAN DAN PROSEDUR PENGUJIANA. Tempat dan Waktu PenelitianLokasi rancang bangun alat uji temperatur pada reaksi pembakaran di Laboratorium Teknik Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Ujung Pandang.Waktu perancangan dan pengerjaan alat uji temperatur pada reaksi pembakaran ini dilakukan selama 5 bulan mulai pada bulan Mei September 2013.

B. Metode Perancangan Komponen-komponen yang dirancang adalah :1. Desain rangkaian pengontrol tegangan AC2. Desain rangkaian penguat termokopel3. Pembuatan aplikasi interface untuk akuisisi data4. Pembuatan program pengontrol temperatur reaksi pembakaran.

C. Alat dan Bahan PenelitianAdapun material penelitian yang diperlukan dalam pembuatan dan pengujian alat adalah sebagai berikut :1. Peralatan ukur yang dipergunakan :a. Avometerb. Termometer digital2. Peralatan Bantu : Kamera3. Bahan dan Komponen :a. Mikrokontroller ATMega 16b. Papan PCBc. Larutan H2O2d. Larutan HCle. Kabelf. Conector DB9g. Resistor 10 K, 560 , 39 , 330 , 220 K dan 100 h. Capasitor 10 nF/400 Vi. MOC 3021j. CA 3130c. Port Serial DB 9d. Kabele. Koil 300 Wf. Wadah Tahan Panas

4. Bahan Bakar :a. Minyak Tanahb. Minyak Kelapa

D. Prosedur PembuatanProsedur pembuatan ini dilakukan perancangan sesuai metode perancangan, berikut pemaparannya :1. Desain rangkaian pengontrol tegangan ACa. Berdasarkan diagram skematik pengontrol tegangan AC, selanjutnya akan di desain pada software express PCB.

Gambar 4 Desain Diagram Skematik Pengontrol Tegangan ACb. Setelah didesain pada software express PCB selanjutnya dicetak pada print laser dengan menggunakan kertas kingstruk.c. Lalu disetrika di atas papan PCB dan dilarut pada larutan H2O2 dan HCl.d. Rangkaian yang telah tercetak pada papan PCB di bor sesuai ukuran dan pemasangan komponen elektronik serta kabel sesuai diagram skematik.2. Desain rangkaian penguat termokopela. Berdasarkan diagram skematik penguat termokopel, selanjutnya akan di desain pada software express PCB. Gambar 5 Desain Diagram Skematik Penguat Termokopelb. Setelah didesain pada software express PCB selanjutnya dicetak pada print laser dengan menggunakan kertas kingstruk.c. Lalu disetrika di atas papan PCB dan dilarut pada larutan H2O2 dan HCl.d. Rangkaian yang telah tercetak pada papan PCB di bor sesuai ukuran dan pemasangan komponen elektronik serta kabel sesuai diagram skematik.

3. Pembuatan aplikasi interface untuk akuisisi data

INISIALISASI PORT INPUTBACA BIT DATA TEGANGANDATA ADCKONVERSI DATA ADC MENJADI DATA SUHUMULAIDATA SUHUTERIMA DATADATA ADC DAN DATA SUHUSELESAIPembuatan aplikasi interface untuk akuisisi data menggunakan software Delphi. Berikut perencanaan diagram alir pembuatan aplikasi interface akuisisi data :

Gambar 6 Diagram Alir Pembuatan Aplikasi Interface Akuisisi Data

4. Pembuatan program pengontrol temperatur reaksi pembakaran.Pembuatan program pengontrol temperatur reaksi pembakaran menggunakan software Code Vision AVR. (dapat dilihat pada Lampiran)E. Prosedur PengujianPada penelitian ini dilakukan pengujian dengan metode pengujian termokopel untuk mengetahui keakuratan pembacaan alat ukur termokopel terhadap reaksi pembakaran bahan bakar. Pengambilan data dilakukan pada waktu terjadi penyalaan saat reaksi pembakarandenganpenggunaan bahan bakar minyak tanah dan minyak nabati.

D/AKomputerTermokopelKamera Koil Pemanas+ -A/DAdapun skema (instalasi) sistem pengujian dapat dilihat pada gambar berikut ini :

Pengontrol Tegangan

Gambar 7 Skema Alat Pengujian Temperatur pada Reaksi PembakaranDi dalam penelitian ini pengamatan dan pengukuran data dilakukan dengan langkah pengujian sebagai berikut :1. Pengujian reaksi pembakaran dengan bahan bakar minyak tanah :a. Pemanas koil dan komputer dinyalakan.b. Termokopel akan membaca temperatur awal yang terukur dan datanya dapat dilihat pada komputer.c. Program pada komputer dijalankan yang menyebabkan tegangan naik dan meningkatkan temperatur pemanas koil hingga terjadi penyalaan pada bahan bakar.d. Termokopel akan mengukur temperatur penyalaan dan waktu penyalaan bahan bakar.e. Kamera akan merekam gambar penyalaan bahan bakar.2. Pengujian reaksi pembakaran dengan bahan bakar minyak kelapa :Untuk pengujian reaksi pembakaran dengan bahan bakar minyak kelapa sama halnya dengan pengujian reaksi pembakaran dengan bahan bakar minyak tanah, hanya bahan bakarnya yang berbeda.

F. STUDI LITERATURPROSES PERANCANGANPEMBUATAN APLIKASI INTERFACEPEMBUATAN PROGRAMPENGUJIANABMULAIDiagram Alir

ABTidakYAApakah hasilnya valid?ANALISA DATAPENYELESAIAN LAPORANSELESAI

Gambar 8 Diagram Alir

BAB IVHASIL DAN PEMBAHASANA. HasilHasil yang diperoleh dari proses pembuatan dan pengujian terdapat tiga yaitu Hasil Desain, Hasil Pemrograman dan Hasil Pengujian.

1. Hasil Desain Hasil desain dari proses pembuatan alat uji temperatur nyala reaksi pembakaran bahan bakar, terdapat beberapa bagian yaitu sebagai berikut :a. Kotak Panel UtamaPada kotak panel utama ini terdapat beberapa komponen yang berfungsi sebagai pengendali utama (mikrokontroler), penguat termokopel, dan driver pemanas listrik.

Gambar 9 Kotak Panel Utama

Tabel 2 Bagian-Bagian Kotak Panel UtamaNoNama BagianGambarKeterangan

1Rangkaian Mikrokontroler (Sistem Minimum Mikrokontroler)Sistem Minimum Mikrokontroler merupakan rangkaian pengendali yang berfungsi untuk menerima perintah dan memberikan perintah (input/output)

2Rangkaian Penguat TermokopelRangkaian ini berfungsi sebagai penguat pembacaan termokopel

3Rangkaian Driver PemanasRangkaian ini berfungsi sebagai pengatur tegangan ac pada pemanas listrik

4Port DB 9Port DB 9 berfungsi untuk pembacaan data pada computer (akuisisi data)

Sumber: Proses penelitian

b. Wadah PemanasWadah pemanas terbuat dari alumunium yang berfungsi sebagai tempat pemanasan bahan bakar.

Gambar 10 Wadah Pemanasc. Pemanas ListrikPemanas listrik yang digunakan berupa koil yang dihubungkan pada rangkaian driver pemanas. Pemanas listrik berfungsi untuk memanaskan bahan bakar.

Gambar 11 Pemanas Listrikd. Stan TermokopelStan termokopel berupa dudukan dari termokopel, yang diatur agar termokopel hanya mengukur suhu dari bahan bakar.

Gambar 12 Stan Termokopel

2. Hasil Pemrograman

MULAIHasil pemrograman dengan menggunakan software Code Vision AVR. Untuk listing program selengkapnya dapat dilihat pada lampiran.

HEATER = 0MASUKKAN SET_POINT = TEMPERATUR =(SET_POINT+1) ATAU TEMPERATUR