1 penggunaan termokopel tipe k berbasis … · -200 °c hingga 1200 °c. termokopel ini berbahan...
Post on 07-Mar-2019
234 Views
Preview:
TRANSCRIPT
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
1
Abstrak— Telah dibuat termometer digital berbasis
mikrokontroler ATMEGA 16 dengan menggunakan termokopel
tipe K untuk mengukur variasi suhu didalam mesin kriogenik dan
mampu mengukur suhu -190,00 °C dengan ketilitian 0,01 °C.
Termometer dikalibrasi dengan termometer digital Omega Data
Logger. Pengambilan data suhu dilakukan dengan variasi
ketinggian didalam mesin kriogenik. Variasi ketinggian sensor
suhu diatur oleh sistem mekanik yang digerakkan oleh motor
stepper. Material kriogenik yang digunakan menggunakan
nitrogen cair dan es kering.
Kata Kunci—Kriogenik, Termokopel
I. PENDAHULUAN
riogenik merupakan suatu ilmu yang membahas tentang
produksi dan efek suhu rendah. Sistem ini menggunakan
material dengan suhu rendah yang sangat ekstrem. [1]
Menurut hukum termodinamika, terdapat batas untuk suhu
terendah yang bisa dicapai, yang dikenal sebagai nol mutlak.
Nol mutlak adalah nol dari skala temperatur absolut dengan
suhu -273,15°C. Skala SI metrik absolut dikenal sebagai skala
kelvin atau bisa dikatakan 0 °C sama dengan 273,15 K. Dalam
skala Kelvin rentang kriogenik berada dibawah 120 K (-
153°C). Gas-gas seperti nitrogen, oksigen, helium dan
sebagainya mengalami perubahan awal dari gas menjadi cair
pada tekanan atmosfer dan dikenal sebagai cairan kriogenik
atau kriogens. [2]
Untuk mengetahui suhu rendah yang sangat kritis tersebut.
Untuk mengetahui suhu rendah yang sangat kritis tersebut
maka diperlukan sebuah alat ukur berupa termometer.
Termometer sendiri merupakan pengembangan dari sebuah
prinsip termokopel. Pada sebuah termokopel berlaku efek
seebeck yaitu pengkonversian dari perubahan suhu yang
dideteksi sebagai perubahan tegangan. [3] (Wikipedia)
Karena perubahan tegangan pada sebuah termokopel sangat
kecil maka diperlukan sebuah rangkaian penguatan tegangan
agar nilai tegangan yang terdeteksi bisa diukur oleh alat ukur.
Rangkaian penguat sendiri memiliki beberapa macam salah
satunya merupakan penguat non inverting seperti yang akan
digunakan dalam penelitian ini. Rangkaian non inverting ini
hampir sama dengan rangkaian inverting hanya perbedaannya
adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan non
inverting. Rumus penguatan non inverting adalah seperti
berikut :
Vo = (Rf + Ri)/Vi ……………………………(1)
Lalu persamaan menjadi
Vo = (Rf/Ri + 1)/Vi …..……………………...(2)
Hasil tegangan output non inverting ini akan lebih dari satu
dan selalu positif. Rangkaiannya adalah seperti pada gambar 1
berikut ini. [4]
Gambar 1 Rangkaian dasar op amp non inverting
Selain memerlukan rangkaian penguat dalam rangkaian
pengkarakterisasian sebuah kriogenik diperlukan sebuah
motor steper sebagai penggarak termokopel. Hal ini
dikarenakan suhu bahan terlalu rendah sehingga tidak boleh
bersentuhan langsung dengan organ tubuh. Motor stepper
sendiri merupakan jenis motor yang mendapat masukan
masukan berupa pulsa listrik dan keluaran berupa gerak
langkah untuk setiap pulsa input. Gerak langkah rotor adalah
tetap untuk setiap masukan pulsa listrik. Pada dasarnya prinsip
kerja motor stepper ini sama dengan motor DC yaitu dengan
pembangkitan medan magnet untuk memperoleh gaya tarik
maupun gaya tolak dengan menggunakan catu tegangan DC
pada lilitan atau kumparannya. Perbedaannya adalah apabila
pada motor DC menggunakan gaya tolak untuk menolak atau
mendorong kutub magnet yang dihasilkan, maka pada motor
stepper digunakan gaya tarik untuk menarik kutub magnet
yang dihasilkan oleh kumparan. [5]
II. METODOLOGI PENELITIAN
Dalam perancangan pembuatan alat ini diawali dengan
perancangan umum sistem dari keseluruhan. Adapun
perancangan pembuatan rancang bangun sistem ini terbagi
atas beberapa perangkat yang saling berhubungan yaitu
perangkat elektronik (hardware) dan perangkat lunak
(software) yang berisi instruksi untuk menjalankan program.
A. Perancangan Perangkat Keras
Pada tahapan ini adalah tahapan untuk membuat alat ukur
elektronik dan pembuatan sistem mekanik. Sistem elektronik
PENGGUNAAN TERMOKOPEL TIPE K BERBASIS
MIKROKONTROLER ATMEGA16 UNTUK MENGUKUR
SUHU RENDAH DI MESIN KRIOGENIK
Sigit Adi Kristanto, Bachtera Indarto
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: bachtera@physics.its.ac.id
K
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
2
Sensor termokopel
Rangkaian Penguat
Minimum sistem ATmega16
Tampilan berupa LCD/PC/Laptop
menggabungkan sensor dengan sistem penguat yang
mengondisikan sinyal keluaran dari sensor lalu diolah kedalam
mikrokontroler. Berikut alur perancangan perangkat keras
yang dibuat.
Gambar 2. Diagram Alir Perangkat Keras
Sensor termokopel membaca suhu, kemudian keluaran
sensor termokopel masuk ke rangkaian penguat. Dari
rangkaian penguat ini diteruskan kedalam ADC yang ada di
mikrokontroler. Setelah diolah dari mikrokontroler data siap
ditampilkan pada LCD/PC/Laptop.
1) Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler
Mikokontroler digunakan untuk mengolah data hasil dari
keluaran rangkaian penguat. Mikrokontroler ini diintegrasikan
dengan komponen elektronika yang lain untuk dapat mengolah
data tersebut dan biasa disebut rangkaian minimum sistem
mikrokontroler. Mikrokontroler nanti yang digunakan
mikrokontroler ATMEGA16.
2) Rangkaian Penguat Sensor Termokopel
Rangkaian penguat sensor termokopel berupa rangkaian
dasar sensor dan penguat operasional. Pada rangkaian penguat
ini digunakan dengan tipe AD521. Gambar rangkaian bisa
dilihat pada gambar 3.
Gambar 3 Rangkaian Penguat Dengan AD521
Pada gambar 3 digunakan penguatan sebesar 283,91 untuk
menguatkan sensor termokopel. Nilai tersebut didapat dengan
cara membagi nilai RGAIN (RG) dengan RSCALE (RS). Sehingga
kenaikan suhu pada sensor termokopel yang semula 40µV/°C
menjadi 11,35 mV/°C.
3) Sensor Termokopel
Termokopel yang digunakan pada penelitian ini
menggunakan termokopel tipe K yang ditunjukkan pada
gambar 4.
Gambar 4 Sensor Suhu Termokopel
Pada gambar 4 pembacaan sensor termokopel ini mulai dari
-200 °C hingga 1200 °C. Termokopel ini berbahan dasar
Chromel dan Alumel yang mempunyai sensitivitas rata-rata
41µV/°C.
4) Sistem Mekanik
Fungsi dari sistem mekanik pada penelitian adalah untuk
menurunkan atau menaikkan sensor termokopel menuju
sebuah wadah atau termos yang berisi nitrogen cair dan es
kering. Gambar mekanik tersebut bisa dilihat pada gambar 5.
Gambar 5 Gambar Mekanik
Pada gambar 5, tiang penyangga digunakan sebagai
tempat motor stepper untuk menurunkan dan menaikkan
sensor termokopel. Sistem ini bersama termometer yang
dibuat akan membentuk mesin kriogenik.
B. Perancangan Perangkat Lunak
Perancangan software digunakan untuk memproses data
keluaran dari perangkat keras. Pada langkah kerja ini ada 2
tahapan yaitu pembuatan software mikrokontroler dan
pembuatan software untuk menampilkan data ke PC/Laptop.
Software untuk memproses data pada mikrokontroler
digunakan Codevision AVR dan untuk menampilkan data ke
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
3
PC/Laptop digunakan Microsoft Visual Studio 2010.
1. Software Mikrokontroler
Software yang digunakan untuk menulis program
mikrokontroler menggunakan Codevision AVR. Diagram alir
pemrograman mikrokontroler bisa dilihat pada gambar 6.
Gambar 6 Diagram Alir Program Mikrokontroler
Pada gambar diagram alir 6, hal pertama kali ketika
program dibuat yaitu menginialisasi ADC, USART, dan I/O.
Inisialisasi ADC digunakan untuk membaca hasil dari
keluaran sensor termokopel. USART sendiri digunakan untuk
komunikasi serial dengan komputer. Inisialisai I/O untuk
mengontrol motor stepper saat digerakkan dan menampilkan
data ke LCD.
Setelah menginialisasi, program dijalankan untuk
mengambil data dan mengolahnya. Lalu data hasil olahan
dikirim melalui komunikasi serial kekomputer untuk
ditampilkan datanya.
2. Software Antarmuka
Untuk menampilkan data suhu dan ketinggian kedalam
PC/Laptop digunakan Microsoft Visual Studio 2010. Software
tersebut merupakan bahasa pemrograman tingkat tinggi. Data
dari mikrokontroler dikirim ke program Microsoft Visual
Studio 2010 lalu ditampilkan pada PC/Laptop dan data
tersebut dapat dikirim ke Microsoft Excel untuk dapat diolah
datanya. Program antarmuka tersebut digunakan untuk
mengontrol motor stepper. Diagram alir program antarmuka
dapat dilihat pada gambar 7.
Gambar 7 Diagram Alir Program Antarmuka
Pada gambar 7 diagram alir diatas, ketika akan memulai
pengambilan data, program antarmuka akan mengirim
perintah menuju mikrokontroler. Perintah tersebut digunakan
untuk mengambil data dari mikrokontroler. Setelah data
diambil kemudian data tersebut dibuat database. Jika
pengambilan data sudah cukup dilakukan maka program
tersebut bisa dihentikan. Tampilan program antar muka bisa
dilihat pada gambar 8.
Gambar 8 Tampilan Program Antarmuka Komputer
Mulai
Inisialisasi ADC, USART, I/O
Baca data dari Sensor
Pengolahan data
Tampilkan data suhu
pada LCD
Selesai
Kirim data serial ke PC
Input Data
Tampilkan data dan
masukkan database
Tidak
Start
Ambil Data
Kirim perintah ambil data
kemikrokontroler
Ambil data
lagi?
Stop
Ya
Ya Tidak
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
4
C. Kalibrasi Alat
Kalibrasi dilakukan dengan cara membandingkan keluaran
alat ukur yang dibuat dengan termometer digital. Termometer
digital yang digunakan adalah Termometer Digital Omega
Data Logger. Alat ini mempunyai resolusi 0,1°C/0.1°F dan
menggunakan sensor termokopel tipe K. Termometer Digital
Omega Data Logger ini mempunyai rentang dan akurasi -200
hingga 1370°C dan -328 hingga 2498°F.
Proses kalibrasi dilakukan dengan meletakkan secara
bersamaan sensor dari kedua alat tersebut pada sistem
mekanik yang dibuat. Kemudian menurunkannnya dengan
digerakkan oleh motor stepper kedalam termos yang berisi
nitrogen cair.. Nitrogen cair yang diisikan mempunyai
ketinggian 1 cm hingga 2 cm dari dasar termos. Data dicatat
dari ketinggian 20 cm dari dasar termos hingga kedua sensor
termokopel tercelup dan dicatat perubahan suhunya setiap
penuruan 0,5 cm. Hasil pengkalibrasian tersebut ditunjukkan
pada gambar 9 berupa grafik penurunan sensor termokopel
tersebut.
Gambar 9 Grafik Hasil Kalibrasi
Pada gambar grafik 3.12 terdapat selisih nilai suhu antara
termometer buatan dengan termometer Omega Data Logger.
Untuk menyamakan keduanya maka dilakukan faktor koreksi
dengan mengurangkan nilai suhu yang ditunjukkan kedua
termometer tersebut. Faktor koreksi tersebut nantinya
digunakan untuk mengolah data yang ada sehingga nantinya
data yang ditampilkan merupakan hasil olahan dengan
menggunakan faktor koreksi.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Data Pengukuran
1. Es Kering (Dry Ice)
Pengukuran karakterisasi dilakukan dengan
memasukkan Dry Ice kedalam termos dan dibuat lubang pada
tutup untuk aliran udara. Lubang pada tersebut berfungsi
untuk mengalirkan suhu dari luar kedalam termos. Termos
yang digunakan mempunyai diameter 19 cm dengan
kedalaman wadah 30 cm. Sensor masuk kedalam termos
dengan menggunakan sistem mekanik yang menggunakan
motor stepper dan melewati lubang pada tutup termos.
Motor stepper menggerakkan sensor naik turun
didalam termos. Motor stepper dikontrol dengan
menggunakan program antarmuka yaitu Visual Basic 2010 dan
mengontrol setiap kenaikan dan penurunan sensor setiap
kenaikan 0,5 cm. Program antarmuka tersebut juga merekam
data suhu dan ketinggian. Kemudian data suhu ditampilkan
sebanyak sepuluh data setiap titik yang nantinya bisa dirata-
rata. Sensor suhu yang dinaikturunkan mengambil data hingga
ketinggian 5 cm.
Gambar 10 Grafik Kenaikan Sensor Dalam Termos Berisi Es
Kering
Gambar 11 Grafik Penurunan Sensor Suhu dalam Termos
berisi Es kering
Pada gambar 10 dan 11 terjadi perubahan suhu
terhadap ketinggian. Ada kenaikan suhu secara signifikan
yang ditunjukkan dalam grafik 10 tersebut. Hal itu
dikarenakan sensor termokopel saat dinaikkan mendekati
lubang yang ada ditutup termos sehingga suhu udara luar
masuk melalui lubang tersebut dan mempengaruhi sensor
termokopel.
Pada grafik 11 saat sensor termokopel diturunkan
suhunya turun secara perlahan. Sehingga pada ketinggian yang
sama nilai suhu yang dihasilkan saat sensor termokopel
dinaikkan berbeda dengan saat saat sensor termokopel
diturunkan.
Perbedaan data yang ditunjukkan grafik 10 dan grafik
11 dikarenakan aliran suhu dari luar termos yang melewati
lubang disela-sela sistem mekanik mempengaruhi distribusi
suhu tersebut. Es kering yang mudah menguap juga
berpengaruh terhadap perubahan suhu tersebut.
-200.00
-150.00
-100.00
-50.00
0.00
0 10 20 30
Su
hu
(C
)
Ketinggian (mm)
Grafik Kalibrasi Termometer Buatan
Termometer Omega
Data Logger
Termometer Buatan
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
5
-200.00
-150.00
-100.00
-50.00
0.00
0 50 100 150 200 250
Su
hu
(C
)
Ketinggian (mm)
Grafik Penurunan 2 Sensor
Suhu
2. Nitrogen Cair
Hal yang sama seperti percobaan menggunakan es
kering dilakukan pada karakterisasi menggunakan nitrogen
cair. Hanya saja terdapat perbedaan ketinggian untuk
mengambil data. Pengambilan data untuk nitrogen cair
diambil setiap kenaikan 1 mm dari dasar termos hingga
ketinggian 21 cm. Lalu setelah mencapai ketinggian 21 cm
diturunkan lagi dan data diambil kembali setiap penurunan 1
mm hingga menyentuh dasar termos dengan ketinggian
permukaan cairan nitrogen sekitar 6 cm dari dasar termos.
Pengambilan data nitrogen cair diambil sebanyak dua kali
sehingga didapatkan dua data kenaikan dan dua data
penurunan.
Hasil percobaan saat sensor termokopel dinaikkan
ditunjukkan pada gambar grafik 12 dan 13 Sedangkan saat
sensor termokopel diturunkan ditunjukkan pada gambar grafik
14 dan 15.
Gambar 12 Grafik kenaikan sensor suhu ke-1 dalam termos
berisi nitrogen cair
Gambar 13 Grafik kenaikan sensor suhu ke-2 dalam termos
berisi nitrogen cair
Gambar 14 Grafik penurunan sensor suhu ke-1 dalam
termos berisi nitrogen cair
Gambar 15 Grafik penurunan sensor suhu ke-2 dalam
termos berisi nitrogen cair
Dari gambar 12 dan gambar 13 terlihat kenaikan suhu
hasil saat sensor termokopel yang dinaikkan dari dasar termos
yang tercelup nitrogen cair hingga ketinggian 21 cm. Nilai
suhu yang didapatkan bertambah positif seiring pertambahan
ketinggian. Bertambahnya suhu tersebut dikarenakan sensor
termokopel mendekati lubang yang ada pada tutup termos.
Lubang tersebut merupakan aliran suhu dari luar termos
sehingga mempengaruhi bertambahnya suhu yang didapat.
Hal yang sama juga terjadi pada gambar grafik 14
dan gambar grafik 15 yang terjadi kesamaan penurunan suhu.
Akan tetapi penurunan suhu terhadap ketinggian ini berubah
secara perlahan.
Saat sensor termokopel dinaikkan maupun diturunkan
pada ketinggian yang sama terdapat perbedaan suhu. Hal itu
dikarenakan karena nitrogen cair menguap saat sensor
termokopel diturunkan maupun dinaikkan. Volume nitrogen
cair yang berkurang juga berpengaruh dalam perubahan suhu
tersebut. Lebar lubang pada tutup termos juga memperahui
perubahan suhu ini.
Dari gambar grafik hasil dari penelitian yang
didapatkan data distibusi suhu material kriogenik baik dari es
kering maupun dari nitrogen cair terdapat keseksamaan.
Termometer yang dibuat sudah bisa mengukur suhu -190°C.
-250.00
-200.00
-150.00
-100.00
-50.00
0.00
0 50 100 150 200 250
Su
hu
(C
)
Ketinggian (mm)
Grafik Kenaikan 1 Sensor Suhu
-250.00
-200.00
-150.00
-100.00
-50.00
0.00
0 50 100 150 200 250
Su
hu
(C
)
Ketinggian (mm)
Grafik Kenaikan 2 Sensor Suhu
-250.00
-200.00
-150.00
-100.00
-50.00
0.00
0 50 100 150 200 250
Su
hu
(C
)
Ketinggian (mm)
Grafik Penurunan 1 Sensor
Suhu
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) 1-6
6
IV. KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat
disimpulkan bahwa :
1. Termometer yang dibuat dapat mengukur suhu rendah
yaitu pada -190 °C dan mempunyai ketilitian sebesar
0,01°C.
2. Terjadi perubahan suhu setiap ketinggian saat sensor
dinaikkan maupun diturunkan.
3. Pada ketinggian yang sama setelah sensor termokopel
dinaikkan kemudian diturunkan terdapat perbedaan suhu
dikarenakan nitrogen cair dan es kering yang berkurang
akibat menguap serta aliran suhu dari luar yang melewati
lubang pada tutup termos.
UCAPAN TERIMA KASIH
Para penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak
Bachtera selaku dosen pembimbing yang telah memberi
bimbingan, saran serta diskusi. Sehingga paper penelitian ini
dapat terselesaikan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Flynn, Thomas, 1997. “Cryogenic Engineering”. New
York: Marcel Dekker.
[2] Sears, Zemansky, “FISIKA untuk UNIVERSITAS 1”.
Jakarta: Trimitra Mandiri.
[3] http://id.wikipedia.org/wiki /Termokopel
[4] Sutrisno, 1987. “ELEKTRONIKA jilid 2”. Bandung:
Penerbit ITB.
[5] Andrianto, Heri. 2008, “Pemrograman Mikrokontroler
AVR ATMega16”. Bandung: Informatika Bandung.
top related