T1 192013705 Full text

PEMBUATAN ALAT UKUR MASSA JENIS MENGGUNAKAN LVDT

DAN SOUNDCARD _{SEBAGAI ANTARMUKA}

Oleh,

Jaclyn J Hambaora NIM: 192013705

TUGAS AKHIR

Diajukan kepada Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika guna memenuhi sebagian dari persyaratan untuk memperoleh gelar

Sarjana Pendidikan

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA

v

Motto

Jika Allah di pihak kita, siapakah yang akan dapat melawan kita? (Roma 8:31b),

kita lebih dari orang-orang yang menang, oleh Dia yang telah mengasihi kita (Roma

8:37).

Pencobaan-pencobaan yang kamu alami ialah pencobaan-pencobaan biasa, yang tidak

melebihi kekuatan manusia. Sebab Allah setia dan karena itu Ia tidak akan

membiarkan kamu dicobai melampaui kekuatanmu. Pada waktu kamu dicobai Ia akan

memberikann kepadamu jalan keluar, sehingga kamu dapat menanggungnya.

(1Korintus 10:13)

Masa lalu merupakan pelajaran yang paling berharga dalam menjalani masa kini.

Belajarlah dari pengalaman.

(^_^)

Tak ada yang mustahil bagi Dia, Ia membuat segala sesuatu indah pada waktunya.

Sealalu ada harapan bagi orang yang mengandalkanNya.

vi

Saya persembahkan tulisan ini untuk papaku tercinta yang mendidik saya untuk berani menghadapi tantangan yang ada dan berani menerima dengan lapang dada segala konsekuensi dari tindakan yang saya ambil.

Juga buat mamaku tersayang yang dengan penuh kasih mendidik untuk selalu sabar. Yang rela berkorban demi keberhasilan dan masa depan

anak-anaknya.

Buat anakku tersayang Dhestia, terimakasih buat cintamu. Melihatmu membuat saya semakin semangat untuk menyelesaikan studi.

vii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas segala rahmat dan kemurahanNya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

Skripsi ini ditulis dan disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh gelar Sarjana Pendidikan (S.Pd.) Fisika di Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga.

Penulis menyadari penuh, bahwa keberhasilan yang dicapai untuk menyelesaikan tugas akhir ini tidak lepas dari dukungan serta bantuan dari berbagai pihak disekitar penulis yang sangat penulis hormati, kasihi dan sayangi. Untuk itu, pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada :

1. Terimakasih banyak buat Bapak Suryasatriya Trihandaru yang sudah banyak membantu penulis baik selama penulis masih mengikuti kuliah, juga ketika penulis kembali dari cuti panjang, sampai pada penyusunan skripsi. Tak ada kata yang dapat terpikirkan selain kata terimakasih yang sebesar-besarnya. Terimakasih sudah menjadi bapak bagi penulis.

2. Bapak Suryasatriya Trihandaru selaku pembimbing I danIbu Made Rai Suci Shanti selaku pembimbing II yang penulis hormati yang sudah bersedia menyediakan waktu, tenaga, memotivasi, dan banyak membimbing penulis dengan penuh kesabaran sampai penyusunan skripsi selesai. Terimakasih banyak.

3. Segenap Dosen Pengajar Pogram Studi Pendidikan Fisika, terutama bu Marmi Sudarmi, terimakasih atas semua yang penulis dapatkan selama perkuliahan. Pelajaran dan pengalaman berharga yang tak mungkin penulis dapatkan di tempat lain.

viii

5. Mas Tri dan Mas Sigit terimakasih untuk bantuannya selama ini. Terimakasih karena ditengah-tengah kesibukan kalian, masih ada waktu buat membantu penulis.

6. Buat sahabat-sahabatku, Arini D Parawi dan Agustin D Lakiu yang banyak memberikan dukungan bagi penulis. Terimakasih sudah menjadi teman dan sahabat.

7. Eureka Adang dan Amel yang banyak membantu penulis terutama untuk pinjaman laptopnya. Thank u so much.

8. Teman-teman pendidikan fisika angkatan 2006. Terimakasih atas kebersamaannya.

9. Adik-adik dan kakak angkatan Pendidikan Fisika yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu namanya terima kasih atas dukungan dan bantuannya.

10.Teman-teman Happy Center yang telah mendukung penulis dalam doa. Terimakasih buat persekutuan yang indah yang penulis rasakan, semoga persekutuan doa di Happy Center semakin diberkati dan memberkati lebih dan lebih banyak lagi.

11.Teman-teman latihan Wushu yang membuat penulis semangat dalam mengerjakan skripsi. Semoga kebersamaan dan keceriaan yang ada dapat dipertahankan. #Jiayou

12.Teman-teman kos Dipo 86B, terimakasih atas kebersamaan kita setiap hari, atas pengertian dan bantuannya.

13.Buat semua keluarga besar di Sumba,terutama keluarga Prailiu, Payeti, Padadita, Lewa, terimakasih buat cinta, kasih, nasihat, penerimaan, dukungan serta doanya sehingga penulis tetap semangat untuk melanjutkan kuliah.

ix

Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini jauh dari sempurna, untuk itu kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan dari pembaca untuk hasil yang lebih baik lagi dimasa yang akan datang. Apabila ada kata-kata yang kurang berkenan, penulis mohon maaf.

Semoga skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkan dan semoga kita semua selalu dalam lindungan Tuhan Yang Maha Esa.

Salatiga, 5 Februari 2014

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

LEMBAR PENGESAHAN ... ii

PERNYATAAN KEASLIAN ... iii

PERNYATAAN PUBLIKASI ... iv

MOTTO ... v

PERSEMBAHAN ... vi

KATA PENGANTAR ... vii

DAFTAR ISI ... x

ABSTRAK ... 1

PENDAHULUAN ... 1

DASAR TEORI ... 2

METODE PENELITIAN ... 5

DATA DAN ANALISIS DATA ... 7

KESIMPULAN ... 12

SARAN ... 12

DAFTAR PUSTAKA ... 13

1

PEMBUATAN ALAT UKUR MASSA JENIS MENGGUNAKAN LVDT

DAN SOUNDCARD _{SEBAGAI ANTARMUKA}

Jaclyn J Hambaora1, Made Rai Suci Shanti1,2,Suryasatriya Trihandaru1,2 1

Program Studi Pendidikan Fisika Fakultas Sains dan Matematika, UKSW 2

Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Matematika, UKSW Jln. Diponegoro no.52-60, Salatiga, Indonesia

Abstrak

Massa jenis benda padat biasanya diukur dengan cara mengukur massa, mengukur volume dan kemudian menghitung hasil bagi massa dengan volumenya. Pengukuran volume benda padat biasa dilakukan dengan gelas ukur yang presisinya rendah, sehingga menyebabkan ralat yang besar pada hasil perhitungan massa jenis. Cara lain adalah dengan mengukur massa benda di udara dan didalam fluida yang telah diketahui massa jenisnya, kemudian menghitung massa jenis melalui rumus tertentu yang memanfaatkan hukum Archimedes. Dalam penelitian ini, pengukuran massa dilakukan dengan sensor pegas yang dihubungkan dengan LVDT yang dibuat sendiri. Sistem LVDT ini dihubungkan ke komputer melalui kartu suara (sound card). Metode dan hasil percobaan menunjukkan kesesuaian dengan teori. Ketelitian pengukuran mencapai 1% untuk massa dan 3% untuk massa jenis.

Kata kunci : massa jenis, hukum Archimedes, LVDT

Pendahuluan

2

dengan gelas ukur, namun pengukuran cara ini mempunyai ralat besar yang disebabkan oleh masalah meniskus maupun skala ukur yang terlalu lebar. Volume zat padat yang bentuknya tidak teratur biasanya dilakukan dengan mengukur volume zat cair yang dipindahkan oleh zat padat tersebut ketika zat padat itu dimasukkan ke dalam zat cair. Cara lainnya adalah dengan membandingkan berat benda di luar zat cair terhadap berat di dalam zat cairyang telah diketahui kerapatannya. Cara ini jauh lebih teliti dari cara yang pertama, sehingga menjadi latar belakang pemilihan topik penelitian ini.

Untuk memperoleh hasil ukur kerapatan zat padat, dalam penelitian ini ditempuh cara sebagai berikut. Pertama-tama dibahas dasar teori yang menghasilkan perumusan tentang massa jenis yang melibatkan berat benda di luar dan di dalam zat cair yang diketahui massa jenisnya. Dasar teori ini melibatkan hukum Archimedes. Setelah itu dibahas metodologi penelitian yang menyertakan sensor-sensor yang diperlukan untuk pengukuran, yaitusensor LVDT (Linear Variable Differential Transform) dan juga menggunakan soundcard untuk merekam data yang diperoleh dari percobaan. Dalam penelitian ini sensor LVDT yang digunakan merupakan hasil rancangan sendiri. Namun dari hasil percobaan, diperoleh bagian linear yang sempit sehingga bagian non linear yang monoton naik atau turun dipakai juga dalam perumusan untuk memperoleh nilai massa jenis.

3

Gambar (1). MetodePengukuranBerat Archimedes

Massa jenis  tersebut akan diukur dengan memanfaatkan hukum Archimedes

sebagai berikut. Andaikan w1=m1g adalah berat benda yang terukur di udara dengan timbangan pegas, maka w2=m2g adalah berat benda yang terukur oleh timbangan pegas saat benda berada dalam fluida. Di sini perlu dipahami bahwa walaupun benda yang diukur mempunyai jumlah materi yang sama (atau massa yang sama), namun pembacaan pegas menunjukkan massa yang berbeda oleh karena gaya Archimedes. Dari Gambar (1) diperoleh persamaan sebagai berikut:

A mengasumsikan bahwa benda tenggelam maka massa benda mempunyai hubungan

v

m₁ _b (4)

Dengan memasukkan Persamaan (3) dan ke dalam Persamaan (2) maka diperoleh

4

Benda yang diukur dihubungkan dengan pegas yang tersambung dengan inti besi di dalam sebuah LVDT. LVDT ini bekerja berdasarkan prinsip fluks magnetik yang dibangkitkan pada inti besi oleh induksi yang berasal dari kumparan primer. Fluks medan magnet _B terjadi karena adanya arus yang mengalir di kumparan

primer, yaitu arus dari sinyal generator dari komputer (speaker). Oleh karena arus yang diumpankan ke kumparan primer adalah arus bolak balik (AC) maka muncul

tegangan induksi di kumparan sekunder sebesar

dt d N V  B

(7)

Tanda (-) pada Persamaan (7) menunjukkan arah tegangan elektrik imbas [3] [4], dan

N adalah jumlah lilitan efektif. Disebut jumlah efektif karena kumparan sekunder terdiri dari dua bagian kumparan yang mempunyai arah lilit berlawanan. Besarnya V

tergantung dari posisi inti besi, karena inti besi mempengaruhi besarnya fluks dan jumlah lilitan efektif ini.

5

Jika inti besi digerakkan dari posisi kesetimbangan, tegangan yang diinduksikan pada satu kumparan sekunder akan naik, dipihak lain tegangan turun pada kumparan sekunder yang lain. Hal ini menghasilkan perbedaan tegangan keluaran yang bergantung pada posisi inti besi di dalam kumparan primer tersebut.

Untuk merekam dan mengolah data yang dihasilkan oleh LVDT, digunakan

soundcard. Soundcard adalah perangkat keras komputer yang berfungsi untuk mengolah data audio atau suara, misalnya merekam suara maupun mengeluarkan suara. Perangkat ini berbentuk sebuah lempengan PCB.

Metode Penelitian

Dalam penelitian ini, alat dan bahan yang digunakan berupa: pembuatan LVDT diperlukan kawat tembaga, pipa, inti besi, alat untuk membuat lilitan, pegas, benda yang akan diukur massa jenisnya, fluida (air), komputer / laptop.

LVDT dibuat dari tiga buah kumparan, yaitu dua buah kumparan sekunder dan satu kumparan primer (lihat Gambar (2)). Kumparan primer terdiri dari 1500 lilitan sedangkan kumparan sekunder, masing-masing terdiri dari 1000 lilitan. Kumparan sekunder yang terdiri dari dua bagian lilitan, dihubungkan secara seri dengan arah lilitan berlawanan. Untuk membuat kumparan digunakan kawat tembaga dengan diameter 0,2 mm. Kumparan sekunder berada di bagian dalam kumparan primer.

Inti besi dibuat dengan cara menumpuk beberapa besi menjadi satu. LVDT yang telah dibuat perlu diuji melalui percobaan untuk mengetahui apakah LVDT tersebut bagus atau tidak.

Sistem peracangan alat dapat dilihat pada Gambar (2). Lilitan sekunder LVDT dihubungkan dengan mikrofon yang berfungsi sebagai perekam atau penerima data yang dihasilkan oleh LVDT, sedangkan lilitan primer dihubungkan dengan speaker

6

Komponen speaker maupun microphone berada dalam perangkat soundcard pada komputer atau laptop.

Gambar (2). Model LVDT

Rancangan alat pada Gambar (2) perlu didukung oleh sebuah kerangka seperti pada Gambar (3). Desain kerangka dibuat sedemikian rupa sehingga mampu menahan beban sampai 200 gram.

Gambar (3).Rancanganalat terdiri dari 1) rangka utama 2) rantai 3)

LVDT 4) kabel jek mikrofon 5) tempat benda 6) kabel jek speaker

7

Konstruksi alat ukur massa jenis (Gambar (3)) terdiri dari 1) rangka yang berfungsi untuk menahan beban yang akan diuji nantinya, ini terbuat dari pipa plastik untuk aquarium; 2) rantai yang digunakan untuk mengatur posisi inti besi; 3) LVDT

yang digunakan sebagai sensor posisi; 4) kabel jek mikrofon yang menghubungkan kumparan sekunder LVDT ke komputer; 5) tempat benda untuk meletakkan benda yang akan diukur massa jenisnya; 6) kabel jek speaker yang menghubungkan kumparan sekunder LVDT ke komputer; 7) pegas yang berguna sebagai sensor berat benda.

Prinsip kerja alat ini adalah sebagai berikut. Pada saat benda diletakkan di kantong tempat menaruh benda dan kantong berada di udara bebas, pegas akan tertarik ke bawah sesuai dengan berat benda. Inti besi akan berubah posisinya dari setimbang awal, sehingga kumparan sekunder merekam tegangan tertentu. Setelah tegangan RMS (root mean square) dihitung, benda diposisikan berada di dalam air sehingga pegas akan menunjukkan berat yang lebih ringan karena hukum Archimedes. Dalam hal ini kumparan sekunder merekam tegangan RMS yang lain. Tegangan-tegangan ini bisa dihubungkan dengan massa benda melalui teknik kalibrasi. Setelah massa diperoleh, massa jenis bisa diperoleh melalui Persamaan (6).

Data dan Analisis Data

8

Gambar (4).Function generator

Langkah selanjutnya yaitu, menampilkan getaran yang dihasilkan LVDT dengan osiloskop ( matlab ) yang terdapat pada komputer/laptop. Osiloskop berfungsi merekam getaran dari soundcard.

Gambar (5).Osiloskop

Baik function generator maupun osiloskop, harus dijalankan dalam waktu yang bersamaan, dengan cara :

 Ketik ‘daqfcngen’ pada program matlab. Setelah fungsi generator tampil,

pilih gelombang sine, f= 1000 Hz, dan klik ‘start’.

 Ketik ‘daqscope’ pada program matlab. Setelah osiloskop tampil, pilih volts/div = 0.2 kemudian klik ‘play’

9  Untuk berhenti klik ‘stop’

Pada saat merekam (program dijalankan), osiloskop dalam layar akan memperlihatkan perubahan skala. Perubahan skala tersebut sebanding dengan perubahan inti besi di dalam LVDT. Naik-turunnya skala pada osiloskop ini menunjukkan besar kecilnya amplitudo gelombang yang dihasilkan LVDT.

Data yang telah diperoleh akan direkam menggunakan soundcard, yang kemudian diolah menggunakan matlab sehingga memperoleh massa jenis benda tersebut.

Langkah awal dari penelitian adalah melakukan kalibrasi antara tegangan RMS yang diterima oleh mikrofon soundcard dengan massa. Hasil pengukuran diperlihatkan pada Tabel (1) dan Gambar (6).

10

Tabel (1). Data dan hasil kalibrasi

m (gram) v×10-5 (volt) Nilai Parameter

0 0,3468 a 53057651216128

10,11 1,37075 b

-10830755119.0208 20,22 3,49755 c 1008973.51751185 30,39 6,25369 d -2.97057525002491 40,53 9,11078 kerapatan massa. Contoh perhitungannya adalah jika sebuah benda diukur massanya di luar dan di dalam air sehingga diperoleh data tegangan v1=10,923x10-5volt (di udara) dan v2=8,551x10-5 volt (di dalam air), maka massa benda pada situasi tersebut

masing-masing adalahm₁48,9394dan m₂39,3529. Oleh karena kerapatan air

adalah 1.0 g/ml maka kerapatan benda adalah

11

Gambar (6). Hasil pengukuran massa dan kerapatan benda

Untuk sebuah sampel benda dilakukan percobaan berkali-kali dan diperoleh ketelitian relatif (yaitu simpangan baku dibagi nilai rerata) sebesar 1% untuk massa dan 3% untuk massa jenis. Jadi pada contoh ini diperoleh hasil ukur dan simpangan baku

sebagai berikut:m₁48,90,5gram dan m₂ 39,40,4gram, serta5,110,15

gram/ml.

12

Tabel (2) Perbandingan hasil ukur dua metoda

Sampel Diukur dengan alat dalam penelitian ini

Penggunaan alat ukur massa jenis ini lebih praktis dibandingkan mengukur massa jenis dengan cara manual. Hasil yang diperolehpun lebih teliti. Pada pengukuran pertama, massa batu yang diukur dengan menggunakan alat penelitian adalah 34,3 gram dan massa jenisnya 2,64 g/ml. Sedangkan dengan menggunakan pengukuran biasa, massa batu adalah 34,13 gram dan massa jenisnya 2,6 g/ml. Pada pengukuran kedua yaitu pengukuran besi. Dengan menggunakan alat peneltitian, massa besi 48,9394 gram dan massa jenisnya 5,11 g/ml. Sedangkan dengan pengukuran biasa, massa besi 50,35 gram dan massa jenisnya 5,6 g/ml. Oleh karena itu ketelitian pengukuran massa 1% dan ketelitian pengukuran massa jenis 3%.

Saran

13

Daftar Pustaka

[1] Halliday, D. dan Resnick, R. (1984). Fisika Jilid I. Terjemahan P. Silaban dan E . Sucipto. Jakarta: Erlangga.

[2] Hughes, Stephen William (2006). Measuring liquid density using Archimedes' principle. Physics Education, 41(5). pp. 445-447.

[3] Halliday, D. dan Resnick, R. (1984). Fisika Jilid II. Terjemahan P. Silaban dan E . Sucipto. Jakarta: Erlangga.

15

Program Matlab

rhoair=1; % gr/ml

%% Buatlah data kalibrasi, pakailah yang naik monoton

%% atau turun monoton. Dari data terakhir, yang naik secara monoton adalah:

%% ini data KALIBRASI: (ubah jika setting alat berubah)

%% [massa(gram) tegangan(volt)]

16

60.53 0.000130696408186197

70.67 0.000141304249216249

80.81 0.000145468404478853];

% Fitting dengan polynomial

N=3; % ubah ini kalau gambar kurang bagus

P=polyfit(KALIBRASI(:,2), KALIBRASI(:,1),N);

% Hitung massa dari tegangan:

V=[linspace(KALIBRASI(1,2),KALIBRASI(end,2),100)]';

M=polyval(P,V);

disp('1. Timbanglah benda di udara')

k=input('Jika siap tekan enter');

[y, Fs] = daqrecord('winsound', 0, 4, 44100, 1);

Vrms1=sqrt(sum(y.^2))/length(y);

disp('2. Timbanglah benda di air')

k=input('Jika siap tekan enter');

[y, Fs] = daqrecord('winsound', 0, 4, 44100, 1);

Vrms2=sqrt(sum(y.^2))/length(y);

m1=polyval(P,Vrms1);

17

rho=rhoair*m1/(m1-m2);

disp(['Massa di luar air = ' num2str(m1) ' gram'])

disp(['Massa di dalam air = ' num2str(m2) ' gram'])

disp(['Rho benda = ' num2str(rho) 'gram/ml'])

figure(1)

pp=plot(KALIBRASI(:,2),

KALIBRASI(:,1),'*k',V,M,'k',Vrms1,m1,'ok',Vrms2,m2,'dk');

legend('data kalibrasi','fit','massa diluar','massa di

dalam','location','NorthWest' )

axis tight

title(['Rho benda = ' num2str(rho) 'gram/ml'])

xlabel('V (volt)')

ylabel('m (gram)')

18 Alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis

19 Pengukuran benda di udara