Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir: 6-7 Agustus 2008(189-201)
SISTEM DATA HASIL UJI TEROWONGAN ANGIN Fariduzzaman*
ABSTRAK
SISTEM DATA HASIL UJI TEROWONGAN ANGIN. Berdasarkan pengalaman operasi dan pembuatan sejumlah terowongan angin, maka kini telah dirancang dan sedang dikembangkan standar sistem data baru untuk uji terowongan angin dengan platform PC. Sistem ini ditujukan untuk menggantikan sistem lama yang sulit mendapatkan dukungan teknis lokal. Sistem ini juga dipersiapkan untuk terowongan-terowongan angin baru yang akan dibangun. Proses pengembangan merujuk pada satu konsep standar dan bersifat terbuka, dalam arti konsepnya dapat diterapkan secara sama pada berbagai platform hardware dan software sesuai teknologi instrumentasi dan komputer yang mutakhir. Makalah ini akan membahas konsep dasar perancangan sistem, struktur data, desain software dan contoh sebagian implementasinya yang telah selesai dilakukan.
Kata-kata kunci: aerodinamika, akuisisi data, pengolahan data, rekayasa software, sistem data
ABSTRACT
DATA SYSTEM OF WIND TUNNEL TESTS RESULT. Based on the operation and production of several wind tunnels, now a new standard data system for a wind tunnel test has been designed and developed based on PC platform. The system is prepared to upgrade the old existing system which is hardly to have a local technical support . This is also prepared to be installed on new constructed wind tunnels. The development should be referred to a standard concept and an open system, in terms that the implementations of concept should be the same on various hardware and software platforms, based on state of the art instrumentation and computer technology. The following paper will describe the basic concept of the design, data structure, software design and typical implementation which has been available.
Keywords: aerodynamics, data acquisition, data processing, software engineering, data system
PENDAHULUAN
Terowongan angin adalah suatu sarana penting untuk uji aerodinamika suatu benda di laboratorium, dimana benda dapat diuji dengan skala yang sama atau dimodelkan dengan skala lebih kecil. Karena itu operasi terowongan angin menuntut beberapa persiapan pendahuluan, seperti persiapan sirkuit terowongan angin , model dan sistem datanya. Terowongan angin modern senantiasa dilengkapi sekurang-kurangnya oleh perangkat sub-sistem akuisisi data (SDA) dan sub-sistem pengolahan data (SPD). Pada sub-sistem ini data mentah yang jumlahnya banyak kemudian diolah
dan direduksi sedemikian rupa sehingga diperoleh data aerodinamika yang diinginkan. Dengan kata lain sistem data berfungsi mentransformasikan data pengukuran yang berupa besaran-besaran fisis menjadi data pengukuran yang berupa besaran-besaran aerodinamika yang dimengerti oleh pengguna terowongan angin. Pada terowongan angin yang lebih maju, sistem data juga menerima dan atau memberikan data ke sistem kendali terowongan angin.
Untuk itu sistem ini disebut Data Acquisition, Reduction and Control Sistem
(DARCS). Desain sistem data yang saat ini dikembangkan, masih belum memasukkan
sistem kendali sebagai bagian dari sistem data.
Beberapa pertimbangan penting dalam mendesain sistem data terowongan angin dapat disebutkan sebagai berikut:
Kini jumlah data yang dikelola oleh sistem data terowongan angin semakin banyak dan bervariasi, sehingga memerlukan desain sistem yang sistematik dan organisasi data yang praktis agar proses analisis dan pelaporan juga berlangsung cepat. Misalnya data citra, dulu bukanlah jenis data yang harus dikelola komputer, kini hampir semua data dapat disimpan sebagai data elektronik.
Teknologi komputer terus bergerak cepat, kelas workstation dan mini-komputer tergeser oleh personal computer (PC). Hal ini berarti, dukungan teknis terhadap komputer tersebut juga semakin langka. Beberapa terowongan angin lama, termasuk ILST (Indonesian Low Speed Tunnel), yang masih menggunakan komputer lama jenis workstation atau mini komputer akan menanggung biaya operasi yang tinggi dan menghadapi kesulitan kesinambungan operasi karena kelangkaan suku cadang.
Kini teknologi PC sudah melampaui kemampuan workstation dan beberapa perusahaan software dan hardware untuk akuisisi data menghentikan dukungan ke workstation. Misalnya, National Instrument (NI) dalam rujukan [1],[4], sangat mengandalkan PC sebagai basis pengembangan teknologinya.
Namun suatu konsep kesinambungan harus pula dibangun. Dengan kata lain ketergantungan pada teknologi PC juga jangan terlalu kuat, prinsip-prinsip sistem terbuka (open system) harus tetap digunakan.
Maka dengan latar belakang diatas, sistem data terowongan angin yang dikembangkan, akan menggunakan PC sebagai processor utama, namun dengan merujuk pada prinsip-prinsip sistem terbuka. Jika prinsip ini tidak diterapkan, maka usia sistem data akan cepat pula berakhir. Secara garis besar, makalah ini akan menguraikan prinsip-prinsip dasar desain sistem data terowongan angin yang terbuka. Sedangkan langkah implementasinya, dapat dilakukan menggunakan software atau hardware yang kini tersedia di pasaran lokal.
Pada langkah pertama, implementasi sistem data akan menggunakan platform instrumentasi dan software buatan National Instrument, dengan modularisasi sedemikian rupa sehingga beberapa sub-sistem dapat digantikan dengan produk lain dengan cepat dan mudah. Komponen-komponen sistem data terowongan angin dapat dikelompokkan menjadi tiga kelompok besar berikut:
o Sub-sistem Data Vision (Image, Video, Lighting).
o Sub-sistem Data Dinamik (SDD)
Data statik adalah data yang bersifat tetap dalam jangka waktu tertentu yang waktunya relatif lama, misalnya 1 menit. Pada data statik ini, pengambilan data cukup di lakukan 1 – 3 kali atau di-scan dengan rate yang rendah ( < 100 sampling/s). Termasuk pada kelompok ini adalah data tekanan, suhu, kecepatan, gaya dan momen.
Data dinamik adalah data yang senantiasa berubah terhadap waktu (berfluktuasi), karena itu pengambilan data harus dilakukan secara cepat dan beberapa kali dalam jangka waktu tertentu yang pendek (sampling rate), bahkan berulang secara kontinyu (continues sampling). Jumlah data yang diambil dalam jangka waktu tersebut, harus mempertimbangkan kriteria Nyquist, yakni sampling rate sekurang-kurangnya 2 kali dari perkiraan frekuensi data yang akan diambil. Termasuk dalam kategori ini adalah: data percepatan osilasi struktur (acceleration), kecepatan osilasi struktur (velocity), perpindahan struktur (displacement) dan data aliran angin turbulen.
TEROWONGAN ANGIN dan FUNGSINYA
Terowongan angin memiliki fungsi yang sangat luas, mulai dari aerodinamika pesawat terbang, aerodinamika non-pesawat terbang (industrial aerodynamics) sampai dengan efek angin dalam rekayasa (wind engineering). Beberapa terowongan angin dibuat dengan fungsi yang khusus, seperti terowongan angin untuk uji otomotif, terowongan angin uji jembatan, terowongan angin uji polusi dan sebagainya. Terowongan angin juga dapat dibedakan dari konfigurasi sirkuitnya, yakni sirkuit terbuka dan sirkuit tertutup [5].
Kebutuhan instrumentasi dan jumlah kanal data yang diperlukan untuk setiap jenis terowongan angin tentu akan bervariasi, namun sumber data tersebut senantiasa dapat dibedakan kepada:
Data aliran angin, seperti kecepatan angin
Data terowongan angin, seperti kecepatan putaran fan-drive Data model, seperti distribusi tekanan di sayap
Data lingkungan sekitar, seperti suhu ruang dan tekanan barometrik
Sirkuit Tertutup Sirkuit Terbuka
STRUKTUR DAN ORGANISASI DATA PENGUJIAN
Dalam uji terowongan angin, data yang terlibat akan sangat banyak. Selain data pengukuran besaran fisik aliran angin, lingkungan dan model, juga proses pengukurannya selalu dilakukan berulang dengan berbagai variasi kondisi model. Data yang banyak ini harus diorganisasikan secara sistematik dan diberikan identifikasi yang jelas dan terstruktur. Mulai dari yang bersifat statik, seperti identifikasi proyek pengujian (PID) sampai dengan yang bersifat dinamik seperti data fisik pengukuran (CHN). Data yang terukur juga ada berbagai jenis, seperti data numerik, grafik, citra, stationer, instationer, terkoreksi dan tak-terkoreksi.
Maka sistem data yang akan diuraikan, menggunakan identifikasi data statik sebagai berikut,
ID Proyek (PID), yang merupakan nama atau nomor proyek pengujian ID Run (RUN), yakni nomor urut operasi pengujian dalam satu proyek ID Titik Data (DPN), yakni nomor urut pengambilan data dalam satu run ID Group (IDG), yakni nomor urut group titik-data dalam satu run, yang
mana group tersebut menyatakan satu karakteristik fisik tertentu dari model. Misalnya group data tekanan di satu penampang sayap
ID Polar (POL), yakni nomor urut group titik-data dalam satu run, yang mana group tersebut menyatakan satu orientasi model. Misalnya pitch sequence atau
yaw sequence. Satu polar dapat memiliki beberapa group.
ID Konfigurasi model atau metoda pengujian (SER), biasa disebut pula ID nomor seri. Misalnya konfigurasi WNFHTP (Wing, Nacelle, Fuselage,
Horizontal Tail Plane)
ID Transducer atau Sensor (TID), biasa disertai dengan Seial Number-nya ID Kanal Data (CHN(i), i=1..jkanal), yakni suatu array atau variabel unik
untuk identifikasi besaran fisis pada kanal tersebut . Misalnya, tekanan di lubang statik 1, tekanan di probe dinamik 2, tekanan di probe rujukan 3 dst.. Jumlah seluruh kanal diberi label jkanal.
ID Variabel Hasil (RES(i),i=1..N), yakni array atau variabel unik yang merupakan identifikasi data hasil pengolahan data
ID waktu dan tanggal pengukuran (DS:MS:YS:HS:MS:SS) ID Operator (OID)
ID Project leader (LID)
Identifikasi data dinamik dan vision adalah,
ID Proyek (PID), yang merupakan nama atau nomor proyek pengujian
ID Nama File data mentah untuk aplikasi software yang digunakan. Pada ID nama file tersebut, tersirat identifikasi nomor run, nomor polar dan titik data
Gambar 2. Hierarki Data
Data PID, RUN, SER, jkanal, TID, OID, LID dan DS:MS:YS:HS:MS:SS termasuk kepada data terdefinisi yang harus dimasukkan ke sistem data sebelum proses pengukuran. Sedangkan data POL, IDG, DPN , (CHN(i), i=1,jkanal) dan (RES(i),i=1..N) adalah data yang diperoleh pada saat pengukuran. Dengan membuat identifikasi data secara sistimatik, maka analisis komparasi menjadi mudah untuk dilakukan. Baik komparasi antar polar atau group di proyek yang yang sama, maupun proyek yang berbeda. Secara hirarki, struktur data dalam satu proyek pengujian ditunjukkan di Gambar 2.
Satu proyek akan memiliki beberapa run pengukuran, setiap run akan memiliki beberapa polar atau group dan setiap polar dapat memilik pula beberapa group dan atau data-point. Setiap data point memiliki beberapa variabel fisis sesuai dengan jumlah kanal yang dipasang.
KONFIGURASI HARDWARE
Hardware dari sistem data terowongan angin terdiri dari: sistem instrumentasi, sistem komputer, sistem penyimpan data dan sistem jaringan. Kemudian setiap sub-sistem, seperti data statik dan data dinamik akan memiliki pula sistem instrumentasi, sistem komputer dan sistem penyimpanan datanya sendiri. Konfigurasi hardware secara garis besar dapat ditunjukkan secara skema di Gambar 3.
Setiap jalur aliran-data dalam sistem akuisisi data dikenal dengan sebutan kanal (channel). Dalam kanal ini, sistem instrumentasi berfungsi mentransformasikan data
RUN POLAR GROUP DATA POINT VARIABEL FISIS PROYEK
fisis ke data elektronik yang analog dan kemudian digital. Dengan demikian sistem instrumentasi kanal akan terdiri dari: transducer dan unit pengkondisian sinyal yang dilanjutkan dengan perangkat analog to digital converter (ADC). Konsep ini dijelaskan pula di rujukan [2], sebagai sistem akuisisi data modern yang berbasis komputer. Data setiap kanal, kemudian dibaca, diorganisasikan, diolah, disimpan dan dikirim ke perangkat lain oleh sistem komputer melalui kendali sistem software.
Sub-sistem vision merupakan gabungan sistem instrumentasi, komputer dan software yang khusus menangani data citra. Sedangkan sub-sistem dinamik merupakan gabungan sistem instrumentasi, komputer dan software yang khusus menangani data dinamik, yakni data yang setiap saat berfluktuasi, sesuai dengan perubahan waktu. Misalnya : data turbulensi angin, data akustik dan getaran.
Gambar 3. Konfigurasi Hardware
Teknologi PC saat ini, mempermudah proses akuisisi dan pengolahan data. Harapannya adalah, seluruh proses dapat dilakukan pada satu PC saja. Namun keamanan data adalah aspek penting yang harus diperhatikan, dengan demikian pada sistem data terowongan angin diterapkan pula konsep redundancy, yakni adanya PC lain yang setara dan berfungsi sebagai PC cadangan. Disisi lain PC ini dapat pula difungsikan sebagai web-server untuk remote monitoring. Karena saat ini, satu PC dapat menyangga lebih dari satu PC.
DESAIN SOFTWARE
Sistem software pada sistem data terowongan angin berfungsi mengendalikan seluruh proses yang terjadi, meliputi:
- Akuisisi Data - Pengolahan Data
- Organisasi data secara sistematik
- Penyimpanan Data ke media portable atau tetap - Pengiriman Data ke local area network dan web server - Penyajian Data untuk client, spesialis dan operator
Desain software untuk sistem data terowongan angin dapat dikatakan sebagai desain yang bersifat fungsional dan memenuhi beberapa kriteria untuk operasi
scientific, karena itu software tersebut harus memenuhi beberapa kriteria berikut,
• Modular dengan fungsi yang terdistribusi
• Redundant, yakni setiap system memiliki beberapa cadangan atau back-up
• Attribute parameter yang komplit, seperti gain, filter dan offset
• Foolproof, yakni kesalahan operasi harus terekam dan terdeteksi dengan mudah
• Real time, dalam arti memiliki respon yang cepat (kurang dari 300 msecond)
• Portable, yakni software dapat dipindah dengan mudah ke komputer lain
• Growth potential, yakni software yang ada harus dapat dikembangkan lebih lanjut Namun beberapa aspek umum dari software modern juga harus dipenuhi, sebagaimana diuraikan dirujukan [3], yakni : terbuka (open system), maintainable,
reliable, effisien, modular, memiliki antar-muka yang mudah dan nyaman
dioperasikan (user friendly).
Gambar 5. Structure Chart tingkat-1
IMPLEMENTASI
Tipikal implementasi dari sistem data yang dikembangkan adalah untuk terowongan angin LIWT (LAGG Industrial and Wind-engineering Tunnel) dan beberapa terowongan angin baru. Tabel 1 menunjukkan rincian kebutuhan dan kriteria sistem instrumentasi untuk kanal aliran angin dan lingkungan sistem data.
Tabel 1. Contoh Uraian Kanal Untuk Aliran Angin dan Lingkungan Terowongan Angin
No. Uraian Satuan Range Jumlah Keterangan
1. Tekanan Total di Reference Tunnel Pa (N/m2) 0 Pa – 10 kPa 2 Transducer Absolut 2. Tekanan Statik di Reference Tunnel Pa (N/m2) 0 Pa – 10 kPa 2 Transducer Absolut 3. Tekanan Barometrik Pa (N/m2) 0.9 – 1.5 Bar 1 Integrated 4. Sensor suhu di aliran o Celcius 0 – 100 oC 1 Integrated 5. Sensor suhu di ruangan o Celcius 0 – 100 oC 1 Integrated 6. Humidity % 0 – 100 % 1 Integrated
7. Kecepatan Angin m/s 0 – 40 m/s 1 Ultrasonic
Tabel 2. Contoh Uraian Kanal Untuk Model Terowongan Angin
No. Uraian Satuan Range Jumlah Keterangan
1. Tekanan Total Pa (N/m2) 0 Pa – 10 kPa 20 Transducer Differensial 2. Tekanan Statik Pa (N/m2) 0 Pa – 10 kPa 20 Transducer Differensial
3. Suhu model oC 0 -50 oC 10 Thermocouple
Array 4. Gaya / Momen N, Nm 0 – 100 N 0 – 100 Nm 6 Full/Quarter Bridge 5. Image Frame Rate 25 – 500 Frame /s 3 Still/Video camera 6. Accelerasi, Displacement, Velocity Hz, mm, m/s 8 Dynamic System
Pada tahap awal, implementasi sistem dilakukan dengan menggunakan sistem instrumentasi hardware dari National Instrument (NI) dan software LabView ver 7.0. Sub-sistem data dinamik dikendalikan oleh satu komputer berikut software terpisah dengan Data Acquisition (DAQ) card yang memiliki kemampuan sampling kontinyu dan Signal Conditioning (SC) yang khusus pula .
Akselerasi Kecepatan Perpindahan Tegangan Spare
B&K Signal Conditioning B&K model 2626
NLR MK-III
PC Card: NI PCI-4472 dan PC with Sound Card
LABVIEW Software
Hotwire / Hotfilm Probes
DANTEC System, 1 channel
DANTEC model 56C00 atau DANTEC Mini CTA Type 54T30
PC with LABVIEW Software
Gambar 7. Contoh Konfigurasi Sistem Data Dinamik untuk angin turbulen Sub-sistem data statik, di kendalikan oleh satu komputer 3 monitor dengan link-USB ke sistem SCXI berikut ADC dan Signal Conditioning (SC) terpisah diluar PC. Data citra dikendalikan satu komputer dengan video card terpasang di dalam PC dan tersambung ke CCD camera dan perangkat video recorder.
Still Camera CANON PowerShoot S70 Video Camera 1 SONY HandyCam DCR-HC42e Video Camera 2 Video Camera 3 WebShoot Camera
Video Recorder : SONY DVD recorder RDR-GX700
3 ports firewire NI PCI-8252 and NI-IMAQ for
IEEE-1394 cameras
APC UPS 10kVA,
PC Pentium IV Hyperth. 3 GHz ACER Aspire T310 LINUX-OS
Tekanan Suhu Humidity Kecepatan Gaya/Momen
SCXI System: NI SCXI-1001, NI SCXI-1349, NI SH 68-68 EP, NI SCXI-1600
32 chan. Gen. Voltage Input 32 chan. Thermo couple Input 8 chan. Univ. bridge type input (Full) 8 chan. Univ. bridge type input (Full) 8 chan. Univ. bridge type input (Quarter) 8 chan. acceler ometer 6 chan Isolated AO 32 chan. DO SCXI-1102B SCXI-1102 SCXI-1520 SCXI-1520 SCXI-1521, SCXI-1531 SCXI-1124 SCXI -1163 BNC 2095, SH 96-96 TC 2095, SH 96-96 SCXI-1314 SCXI-1314 SCXI-1317 SCXI-1140, SCXI-1305 SCXI-1325 SCXI -1326 PC USB port PC Pentium IV Hyperthreading 3 GHz ACER Aspire T310 LINUX-OS
LABVIEW software: SAPTA
Gambar 9. Contoh Konfigurasi Sistem Data Statik
Gambar 10. Contoh Tampilan 1 PC dengan 3 Monitor
Aspek lain yang kini juga dituntut tersedia adalah kemampuan monitor pengujian secara remote melalui platform local area network (LAN) dengan metode
web-pages.
KESIMPULAN
Dengan konsep dasar yang telah diuraikan, maka pengembangan sistem data terowongan angin dapat dilakukan secara fleksibel, bertahap dan menggunakan beberapa jenis sistem pemrograman. Dengan ini diharapkan ketergantungannya pada satu produsen instrumentasi, PC maupun software dapat dibuat untuk sekecil-kecilnya. Contoh implementasi menunjukkan bahwa bahasa pemrograman untuk software dapat dilakukan dengan membangun sendiri menggunakan LabView ver 7.0, Fortran Power Station, MS C++ dan Visual Basic atau membeli yang sudah jadi, seperti MATLAB, MS-EXCEL dal lain-lain.
Begitupula jumlah kanal akuisisi data yang digunakan, dapat dibuat fleksibel dan expandable sesuai dengan model uji. Contoh implementasi jumlah kanal untuk pengukuran tekanan baru tersedia 8 kanal (normalnya adalah 40 kanal), jumlah kanal hotwire baru tersedia 1 kanal (normalnya adalah 2 kanal).
Aspek lain yang sedang dikembangkan adalah integrasi data hasil pengukuran (data mentah), data hasil pengolahan dan data lainnya yang berkaitan menjadi satu kesatuan yang dapat disebut sebagai Aerodynamic Data-base.
DAFTAR PUSTAKA
1. “Measurement and Automation Catalog 2005”, National Instrument, 2005.
2. GOLDSTEIN, R.J., “Fluid Mechanics Measurements”, Hemisphere Publishing Corrporation, Washington, 1983.
3. SOMMERVILLE, I., “Software Engineering”, Addison-Wesley Publishing Company, Workingham, 1989.
4. PATRANABIS, D., “Principles of Industrial Instrumentation”, Tata McGraw-Hill Publishing Company Ltd., New Delhi, 1996.
5. GORLIN, S.M. AND SLEZINGER, I.I., “Wind Tunnels and Their Instrumentation”, Israel Program for Scientific Translation, Jerrusalem, 1996.
DISKUSI JONNER SITOMPUL
Berdasarkan pengalaman dalam pembuatan terowongan angina anatara Terowongan tertutup dan terbuka, dari data mana yang paling baik dari kedua jenis terowongan terhadap aerodinamis ke pesawat ?
FARIDUZZAMAN
Terowongan angina terbuka : aliran kurang stabil tapi biaya pembuatan murah, biasa untuk model non aeromatik. Terowongan angina tertutup : aliran stabil tapi biaya pembuatan mahal untuk model aeromatik.
SUPRIA
Apakah Negara maju sudah menggunakan PC FARIDUZZAMAN
Untuk data static masih workstation data dinamic/vision sudah dengan PC misal NLR, DNW.
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
1. Nama : Fariduzzaman
2. Tempat/Tanggal Lahir : Cianjur, 17 Mei 1961
3. Instansi : UPT-LAGG, BPPT
4. Pekerjaan / Jabatan : Peneliti 5. Riwayat Pendidikan :
• 1986, S1 Fisika-ITB
• 1990, S2 Software Technology-THAMES POLY, UK
• S2 Teknik Penerbangan-ITB
6. Pengalaman Kerja :
• 1986-1999,Data Processing Engineer –ILST-BPPT
• 1999, Ka. Sub Bid Informatika-Elektronika, LAGG
