ABSTRAK
ALAT PENGUKUR KAPASITANSI BERBASIS PHASE-SENSITIVE DEMODULATION (PSD) UNTUK SENSOR ECVT
Oleh
MUHAMAD AJI HILMI ANUGRAH
Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) mampu melakukan rekonstruksi gambar sesuai nilai konstanta dielektrik yang ada di dalam sensor. ECVT memiliki tiga bagian utama, pertama sensor kapasitansi, kedua sistem akuisisi data, terakhir komputer untuk kontrol dan mengolah gambar. Bagian terpenting adalah sistem akuisisi data. Di dalamnya ada rangkaian pengukur kapasitansi Phase-Sensitive Demodulation (PSD). PSD memiliki lima tahapan sistem. Pertama, AC-Based. Kedua, Inverting Amplifier. Ketiga, Phase Shifter. Keempat, Analog Multiplier. Kelima Low-Pass Filter (LPF).
Metode untuk penelitian ini dilakukan dalam lima tahap. Pertama simulasi menggunakan PSpice. Kedua melakukan analisis daerah kerja, kelinieran, resolusi,
Mean Absolut Error (MAE), dan kondisi termal dari hasil simulasi. Ketiga Eksperimen alat akan diuji dengan kapasitor 1pF -- 15pF kenaikan 1pF. Keempat Analisis perbandingan hasil simulasi dan eksperimen. Kelima pengujian Alat dengan sensor ECVT.
Hasil dari penelitian ini ada tiga. Pertama adalah karakteristik dari sistem. Daerah kerja sistem ≥500fF, kelinieran y=1,0297x-79,884x1015, R2=0,9999,
resolusi 0,90mV/fF, MAE 0,158pF, kondisi termal pada suhu -25oC -- 125oC tegangan keluaran mengalami perubahan rata-rata 4,36mV. Kedua adalah hasil simulasi dan eksperimen sebanding, eror simulasi 2,23% dan eror eksperimen 3,87%. Ketiga adalah alat mampu mengukur perbedaan kapasitansi sensor ECVT dalam kondisi kosong, penuh dengan air dan berisi limbah minyak kelapa sawit.
ABSTRACT
MEASURING INSTRUMENT OF CAPACITANCE BASED PHASE-SENSITIVE DEMODULATION (PSD) FOR SENSOR ECVT
By
MUHAMAD AJI HILMI ANUGRAH
Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) can perform image reconstruction corresponding dielectric constant value that is in the sensor. ECVT has three main parts, the first capacitance sensor, the data acquisition system, the last computer to control and process images. The most important part is the data acquisition system. In it there is a capacitance measuring circuit. The capacitance measuring circuit using Phase-Sensitive Demodulation (PSD). PSD has five stages of the system. First, AC-Based. Secondly, Inverting Amplifier. Third, Phase Shifter. Fourth, Analog Multiplier. Fifth Low-Pass Filter (LPF).
Methods of research carried out in five stages. The first simulation using PSpice. The second work area analysis, linearity, resolution, Mean Absolute Error (MAE), and thermal conditions of the simulation results. The third experiment will be tested by 1pF to 15pF capacitor with 1pF increase. The fourth comparative analysis of simulation results and experimental. The fifth test experiments with sensor ECVT. There are three research. The first is the characteristics of the system. The work area system is ≥ 500fF, the linearity is y = 1,0297x-79,884x1015, R2 = 0.9999, The resolution 0,90 mV/fF, The MAE 0,158pF, The thermal conditions at a temperature of -25 oC -- 125 oC with increases 5 oC, the changing output voltage average is 4, 36mV. The second is the simulation and experimental results are comparable, the simulation error of 2.23% and the experimental error of 3.87%. The third is PSD circuit have a capable of measuring the difference in the capacitance sensor ECVT in an empty condition, filled with water and containing palm oil waste.
ALAT PENGUKUR KAPASITANSI BERBASIS PHASE-SENSITIVE DEMODULATION (PSD) UNTUK SENSOR ECVT
Oleh
Muhamad Aji Hilmi Anugrah
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG
RIWAYAT HIDUP
i SANWACANA
Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Puji dan syukur selalu terucap dalam setiap nafas penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena rahmat, karunia, dan hidayah-Nya. Serta tidak lupa berkat pemberi cahaya dan teladan hidup terbaik, salawat serta salam penulis sampaikan untuk Baginda Rasul Muhammad SAW.
Skripsi berjudul “Alat Pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive
Demodulation (PSD) untuk Sensor ECVT” telah berhasil diselesaikan. Dan
merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada jurusan Teknik Elektro di Universitas Lampung.
Dalam kesempatan ini penulis dengan bangga untuk mengucapkan terima kasih dan memberikan penghargaan kepada:
1. Bapak Agus Trisanto, Ph.D. sebagi Ketua Jurusan Teknik Elektro. 2. Ibu Herlinawati, S.T., M.T. sebagai Sekertaris Jurusan Teknik Elektro. 3. Bapak M. Komarudin, M.T. sebagai Dosen Pembimbing Utama.
4. Bapak Ageng Sadnowo R. M.T sebagai Dosen Pembimbing Pendamping. 5. Ibu Dr. Ir. Sri Ratna Sulistiyanti, M.T. sebagai Dosen Penguji.
ii 7. Bapak Dr. Warsito P. Taruno, sebagai Direktur C-Tech Labs Edwar
Technologi, Bapak Imamul Muttakin sebagai Pembimbing KP serta jajaran karyawan yang telah berbagi ilmu pengetahuan saat kerja praktik.
8. Bapak, Ibu, Teh Yanti, Teh Reni, Yai, dan Widia, sebagai orang terdekat yang sangat penulis sayangi. Yang selalu ada untuk penulis dan mengisi hati penulis. 9. Seluruh teman seperjuangan Teknik Elektro Universitas Lampung angkatan
2011, yang selalu mendukung dan berbagi keceriaan.
10. Keluarga besar Laboratorium Elektronika yang selalu mendukung penulis, membantu terselesainya skripsi, dan selalu berbagi kebahagiaan.
11. Keluarga besar Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro (HIMATRO), sebagai kawan seperjuangan, kakak, dan adik, yang selalu ada dan membantu penulis. 12. Teman seperjuangan Aktifis Dakwah Kampus angkatan 2011, sebagai sahabat
dalam ketaatan dan keimanan yang semoga berkumpul kembali di surga. 13. Keluarga besar Forum Silaturahmi dan Studi Islam Fakultas Teknik (FOSSI
FT) yang selalu berjuang bersama dalam taqwa, ukhuwah dan ketaatan. 14. Keluarga besar Bidik Misi, dan DPM FT.
15. Teman-teman dekat yang selalu berbagi cerita, yang namanya tidak bisa disebutkan satu persatu.
16. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, yang telah banyak mendukung dan membantu penulis dalam penyelesaian laporan ini.
Semoga Allah SWT membalas seluruh kebaikan kalian semua, dan memberi keberkahan atas terselesainya laporan ini. Amin.
Dalam Laporan ini akan menjelaskan rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis
iii tersebut seperti daerah kerja, kelinieran, resolusi dan MAE dan kondisi termal dari rangkaian dengan simulasi menggunakan PSpice. Dan mencoba mengaplikasikan pada eksperimen.
Hasil analisis simulasi dan eksperimen, digunakan untuk mendapatkan gambaran serta perbandingan bagaimana penggunaan rangkaian tersebut bila digunakan sebagai rangkaian pada sistem akuisisi data Electrical capacitance volume tomography (ECVT). Terakhir akan dilakukan uji coba alat dengan sensor ECVT.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan laporan. Karena hal tersebut penulis sangat terbuka untuk masukan dan kritik serta sarana. Tapi dari kekurangan tersebut semoga karya tulis ini bermanfaat, karena ini merupakan usaha keras dan maksimal yang penulis persembahkan.
Bandar Lampung, Agustus 2015 Penulis
vii DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
1. Tabel 1. Penelitian Sebelumnya yang Berkaitan dengan PSD dan ECVT .... 3
2. Tabel 2. Kelebihan dan Kekurangan dari Kedua Rangkaian Pengukur Kapasitansi ... 16
3. Tabel 3. Data Hasil Pengukuran Cx 10fF hingga 15pF Kenaikan 10fF ... 50
4. Tabel 4. Data Kondisi Termal Rangkaian PSD ... 52
5. Tabel 5. Data Hasil Eksperimen 1pF hingga 15pF Kenaikan 1pF ... 57
6. Tabel 6. Perbandingan Cx’ Hasil Simulasi dan Eksperimen ... 57
7. Tabel 7. Tabel Isian Untuk Eksperimen menggunakan Sensor ECVT ... 58
8. Tabel 8. Penjelasan Kategori Setiap Pasangan Elektrode Sensor ECVT 8 Elektrode ... 59
9. Tabel 9. Pengaruh Suhu pada Perubahan Tegangan Keluaran ... 68
10. Tabel 10. Data Hasil Eksperimen Kapasitor 1pF sampai 15pF kenaikan 1pF ... 77
11. Tabel 11. Data Perbandingan Hasil Simulasi dan Eksperimen ... 79
12. Tabel 12. Data Hasil Sensor ECVT 8 Elektrode Keadaan Kosong ... 82
viii 14. Tabel 14. Data Hasil Sensor ECVT 8 Elektrode Keadaan Berisi Limbah
vii DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran Halaman
1. Lampiran 1. Skematik Rangkaian pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive Demodulation (PSD).
2. Lampiran 2. Sketch dalam arduino untuk mengatur DDS
3. Lampiran 3. Data lengkap hasil simulasi 10fF sampai 15pF kenaikan 10fF 4. Lampiran 4. Grafik Kelinieran Rangkaian PSD pada Simulasi 10fF sampai
15pF Kenaikan 10fF
5. Lampiran 5. Grafik Kondisi termal dengan Cx 7pF pada temperatur, -25o C
hingga 125o C dengan kenaikan 5o C
6. Lampiran 6. Grafik Data Hasil Nilai Kapasitansi Rata-rata Sensor ECVT 8 Elektrode Keadaan Kosong
7. Lampiran 7. Grafik Data Hasil Nilai Kapasitansi Rata-rata Sensor ECVT 8 Elektrode Keadaan Penuh dengan Air
8. Lampiran 8. Grafik Data Hasil Nilai Kapasitansi Rata-rata Sensor ECVT 8 Elektrode Diisi Limbah Minyak Kelapa Sawit
ix DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
1. Gambar 2.1. Prinsip Kerja Kapasitor ... 8
2. Gambar 2.2. Prinsip Dasar Proses Tomography ... 10
3. Gambar 2.3. Sistem Kerja ECVT ... 11
4. Gambar 2.4. Rangkaian Charge/discharege ... 12
5. Gambar 2.5. Rangkaian Berbasis AC (AC-Based) ... 14
6. Gambar 2.6. Diagram Blok Perbandingan Kedua Rangkaian ... 16
7. Gambar 2.7. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis phase-sensitive demodulation (PSD) ... 17
8. Gambar 2.8. Komponen dalam DDS ... 19
9. Gambar 2.9. Keluaran DDS AD0850 1Vpp 500kHz ... 20
10. Gambar 2.10. High-pass Filter dan penguat ... 21
11. Gambar 2.11. Keluaran DDS Setelah Melewati HPF dan Penguat ... 21
12. Gambar 2.12. Rangkaian AC-Based atau CV-Converter ... 22
13. Gambar 2.13. Inverting Amplifier ... 26
14. Gambar 2.14. Phase Shifter ... 27
15. Gambar 2.15. Analog Multiplier AD633 ... 29
16. Gambar 2.16. Butterwort Low-pass filter ... 30
17. Gambar 3.1 Diagram Blok Penelitian ... 35
x
19. Gambar 3.3 Pembuatan Project Langkah 1 ... 36
20. Gambar 3.4 Pembuatan Project Langkah 2 ... 37
21. Gambar 3.5. Tampilan Project jika berhasil dibuat. ... 37
22. Gambar 3.6. Memilih komponen dan memilih Library. ... 38
23. Gambar 3.7. Sumber Tegangan. ... 39
24. Gambar 3.8. Hasil Rangkaian Sumber. ... 39
25. Gambar 3.9. Sumber Sinus sebanding dengan DDS AD9850 ... 40
26. Gambar 3.10. Pembuatan Profil Simulasi ... 40
27. Gambar 3.11. Pengaturan Profil Simulasi. ... 41
28. Gambar 3.12. Tampilan... 41
29. Gambar 3.13 Pengaturan tampilan PSpice. ... 42
30. Gambar 3.14. Dialog Add Trace. ... 43
31. Gambar3.15. Rangkaian yang dibutuhkan untuk HPF. ... 43
32. Gambar 3.16. Komponen HPF yang telah selesai dirangkai. ... 44
33. Gambar 3.17. Komponen untuk membuat penguat tanpa pembalik. ... 45
34. Gambar 3.18. Penguat Tanpa Pembalik. ... 45
35. Gambar 3.19. DDS yang telah disederhanakan. ... 46
36. Gambar 3.20. Komponen yang dibutuhakan untuk membuat CV-Converter. ... 46
37. Gambar 3.21. Rangkaian CV-Converter ... 47
38. Gambar 3.22. Penguat Pembalik (Inverting Amplifier). ... 47
39. Gambar 3.23. Komponen untuk membuat All-Pass filter. ... 48
40. Gambar 3.24. Rangkaian All-Pass filter. ... 48
xi
42. Gambar 3.26 Rangkaian Low Pass Filter. ... 49
43. Gambar 3.27. Diagram Blok Perancangan Alat. ... 52
44. Gambar 3.27. DDS AD9850 ... 53
45. Gambar 3.28 Susunan Pin pada AD827. ... 54
46. Gambar 3.29. Susunan Pin AD633 ... 55
47. Gambar 3.30. Susunan Pin AD817 ... 56
48. Gambar 3.31. Kategori Pembagian Sensor ECVT 8 Elektrode ... 58
49. Gambar 4.1 Keluaran sinyal sinus 20Vpp... 62
50. Gambar 4.2 Sinyal setelah melewati CV-Converter atau AC-Based. ... 63
51. Gambar 4.3 Sinyal mengalami perubahan phase 180o... 63
52. Gambar 4.4, perubahan phase antara input dan CV-Converter. ... 64
53. Gambar 4.5 Perbaikan Sinyal Menggunakan PhaseShifter ... 65
54. Gambar 4.6. Sinyal Keluaran PSD. ... 66
55. Gambar 4.7. Hasil LPF sinyal PSD ... 66
56. Gambar 4.8. Garis Kelinieran Hasil Simulasi. ... 70
57. Gambar 4.9. Gambar Alat. (a) Power supply dan DDS. (b) Rangkaian PSD ... 72
58. Gambar 4.10 Sinyal DDS AD9850 ... 73
59. Gambar 4.11. AD9850 setelah melewati HPF ... 73
60. Gambar 4.12. Dikuatkan 20x menjadi 20Vpp ... 73
61. Gambar 4.13. Sinyal keluaran CV-Converter. ... 74
62. Gambar 4.14. Hasil Inverter. ... 75
63. Gambar 4.15. Perbedaan phase sinyal eksitasi dan sinyal informasi. ... 75
xii
65. Gambar 4.17. Sinyal hasil PSD ... 76
66. Gambar 4.18. Sinyal hasil low-pass filter ... 77
67. Gambar 4.19. Grafik hasil eksperimen 1pF-15Pf ... 78
68. Gambar 4.20. Grafik Perbandingan Simulasi dan Eksperimen... 80
69. Gambar 4.22. Sensor ECVT 8 Elektrode dan botol berisi limbah minyak kelapa sawit. ... 81
70. Gambar 4.23. Nilai Tegangan Setiap Kategori Pasangan Elektrode Kondisi Kosong. ... 85
71. Gambar 4.24. Nilai Tegangan Setiap Kategori Pasangan Elektrode Kondisi Penuh dengan air. ... 87
xiii DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN
C : Kapasitansi (Farad, F). q : Muatan (Colomb). V : Tegangan (Volt).
A : Luas penampang dalam meter persegi (m2 ).
�� : Permitivitas statis relatif (konstanta dielektrik) untuk vakum = 1.
� : Permitivitas vakum (� ≈ 8,8 � − ��− ).
d : jarak antar plat dalam meter (m). Cx : Nilai kapasitansi yang dicari. (Farad, F)
Cx’ : Nilai kapasitansi yang didapat dengan perhitungan tegangan
keluaran (Farad, F)
Cf : Kapasitansi referensi. (Farad, F) Rf : Resistansi Referensi. (Ohm, Ω) �� : Tegangan input sinus. (Volt)
Vo : Tegangan output. (Volt) j : Imajiner.
� : Frekuensi sudut (Rad/s) � : Perubahan phasa. ( o) � : Frekuensi cutoff (Hz)
xiv ΔVo : Selisih Tegangan setiap 10fF. (Volt)
E % : Eror dalam persen.
2D : Dua Dimensi. 3D : Tiga Dimensi. 4D : Empat Dimensi. AC : Alternating Current
ADC : Analog to Digital Converter. CT-scan : Computed Tomography Scan
CV : Capacitance to Voltage. DAS : Data Acquisition System.
DC : Direct Current
DDS : Direct Digital Synthesis
ECVT : Electrical capacitance volume tomography. HPF : High-pass Filter
IC : integrated Circui
LPF : Low-pass Filter.
MAE : Mean Absolute Error.
MRI : Magnetic Resonance Imaging
PET-Scan : Positron Emission Tomography Scan
v DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR TABEL ... vii DAFTAR GAMBAR ... viii DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN ... xiii I. PENDAHULUAN ... 1 B. Pengenalan Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) ... 10 C. Perkembangan Rangkaian Pengukur Kapasitansi Sebelum menggunakan
Phase-Sensitive Demodulation (PSD) ... 12 1. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis Charge/disc harege ... 12 2. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis AC (AC-Based) ... 14 3. Perbandingan Kedua Rangkaian ... 15 D. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive Demodulation
(PSD) ... 17 1. Direct Digital Synthesis (DDS) ... 18 2. CV-Converter / AC-Based ... 22
vi 6. Uji Coba Alat dengan Sensor ECVT 8 Elektrode ... 57 D. Kategori Pembagian Sensor ECVT 8 Elektrode ... 58 E. Perhitungan Cx (Cx’) ... 59 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 61
A. Hasil Simulasi ... 61 1. Direct Digital Synthesis (DDS) ... 61 2. CV-Converter / AC-Based ... 62
3. Inverting Amplifier (Penguat Pembalik) ... 63 4. Phase Shifter ... 64 5. Analog Multiplier ... 65 6. Low-Pass Filter (LPF) ... 66 B. Data Hasil Simulasi ... 67
1. 10fF sampai 15pF kenaikan 10fF ... 67 2. -25o C sampai 125 o C kenaikan 5 o C ... 67 C. Analisis Hasil Simulasi ... 69
1. Daerah Kerja ... 69 2. Garis Kelinieran ... 70 3. Resolusi ... 70 4. Mean Absolute Error (MAE) ... 71 5. Kondisi Termal ... 71 D. Hasil Eksperimen ... 71 1. Direct Digital Synthesis (DDS) ... 72 2. CV-Converter / AC-Based ... 74
3. Inverting Amplifier (Penguat Pembalik) ... 74 4. Phase Shifter ... 75 5. Analog Multiplier ... 76 6. Low-Pass Filter (LPF) ... 77 E. Data Hasil Eksperimen 1pF sampai 15pF Kenaikan 1pF ... 77 F. Analisis Hasil Eksperimen 1pF sampai 15pF Kenaikan 1pF ... 78 G. Analisis Perbandingan Simulasi dan Eksperimen ... 79 H. Data Hasil Uji Coba Alat dengan Sensor ECVT 8 Elektrode ... 80 1. Kondisi Kosong ... 82 2. Kondisi Penuh dengan Air ... 83 3. Berisi Limbah Minyak Kelapa Sawit ... 84 I. Analisis Hasil Uji Coba Alat dengan Sensor ECVT 8 Elektrode ... 85
1. Kondisi Kosong ... 85 2. Kondisi Penuh dengan Air ... 86 3. Berisi Limbah Minyak Kelapa Sawit ... 87 4. Analisis Tiga Kondisi Dielektrik ... 89 V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 90 DAFTAR PUSTAKA
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Kapasitansi adalah kemampuan sebuah benda untuk menyimpan muatan listrik. Komponen elektronika yang memanfaatkan sifat kapasitansi adalah kapasitor. Nilai kapasitansi kapasitor dipengaruhi oleh luasnya pelat, jarak pelat dan konstanta dielektrik atau permitivitas relatif[1].
Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) adalah sebuah teknik melihat struktur benda yang memanfaatkan prinsip kapasitor pelat sejajar. Saat jarak pelat dan luas pelat dibuat konstan, maka yang berpengaruh hanyalah konstanta dielektrik di antara pelat. Perbedaan nilai konstanta dielektrik ini yang akan menjadi dasar benda di antara pelat tersebut dapat dilakukan pengolahan gambar[2].
ECVT memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan alat tomography
lainnya. ECVT mampu melakukan pencitraan 3D, tanpa perlu ada proses penggabungan potongan gambar. ECVT juga mampu melakukan pembacaan secara realtime, yaitu setiap perubahan pada objek dalam interval waktu tertentu mampu direkam oleh ECVT. Karena ECVT mampu melakukan pencitraan secara 3D dan realtime. ECVT dikatakan sebagai pencitraan secara
2
tidak hanya kotak atau tabung, bahkan dapat berbentuk mangkuk dan helm selama muatan listrik yang diberikan mampu diterima masing-masing elektrode yang digunakan.
Ada tiga bagian dari ECVT, pertama sensor kapasitansi, kedua sistem akuisisi data, dan terakhir komputer untuk kontrol dan pengolah gambar. Sensor kapasitansi, memiliki nilai kapasitansi pada orde femto farad. Dan sistem akuisisi data yang ada sekarang sedang dikembangkan ke generasi selanjutnya menggunakan pengondisi sinyal berbasis Phase-Sensitive Demodulation
(PSD). Pengondisi sinyal berbasis PSD masih jarang dikembangkan karena cukup sulit untuk diaplikasikan. Dari alasan tersebut telah dibuatlah karya tulis berjudul judul “Alat Pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive Demodulation (PSD) untuk Sensor ECVT”. Alat pengukur kapasitansi berbasis
PSD ini diharapkan menjadi awalan untuk DAS ECVT dikembangkan ke generasi selanjutnya.
3
Tabel 1. Penelitian sebelumnya yang berkaitan dengan PSD dan ECVT.
No Nama Judul Penelitian Asal penelitian Tahun
1. W Q Yang
Hardware Design of Electrical Capaciatance Tomography
3. Warsito P Taruno Electrical capacitance volume
Tomography IEEE 2007
4 W Q Yang Teaching Phase-Sensitive Demodulation For Signal
Conditioning To Undergraduate Students
UMIST 2010
5. Arba’i Yusuf Pengembangan Sistem Data
Akuisisi Electricral
6. Bayu Sasongko Perancangan alat Pengukur Kapasitansi orde Femtofarad
Tahun 2007 Dr. Warsito P Taruno berhasil mengembangkan Eelectrical Capacitance Tomography (ECT) menjadi Electrical capacitance volume Tomography (ECVT). ECT dan ECVT memiliki perbedaan dalam pengambilan gambarnya, jika ECT pengambilan gambar hanya 2D berupa potongan, sedangkan ECVT dapat berupa 3D[2].
Dr. Warsito P Taruno mengembangkan ECVT di Tangerang, dibantu oleh Bapak Arba’i Yusuf dan Dr. Wahyu Widada untuk mengembangkan sistem akuisisi data
4
Penelitian yang dilakukan adalah perancangan alat pengukur kapasitansi orde femto farad berbasis phase-sensitive demodulation (PSD). Alat ini sangat penting untuk dirancang. Alasannya adalah karena ECVT yang ada masih menggunakan
AC-Based, jika alat ini berhasil maka pengembangan ECVT dapat segera dikembangkan menggunakan PSD.
B. Tujuan
Penelitian ini memiliki tujuan sebagai berikut:
1. Simulasi rangkaian pengukur kapasitansi berbasis phase-sensitive demodulation (PSD) digunakan untuk mendapatkan karakteristik sistem berupa: daerah kerja; garis kelinieran; resolusi; Mean Absolute Error
(MAE) dan kondisi termal.
2. Pengukuran nilai kapasitansi yang didapatkan dari eksperimen sebanding dengan pengukuran nilai kapasitansi hasil simulasi.
3. Alat pengukur kapasitansi yang dirancang mampu mengukur nilai kapasitansi sensor ECVT dengan nilai konstanta dielektrik yang berbeda-beda.
C. Manfaat
5
D. Batasan Masalah
Penelitian ini memiliki beberapa batasan sebagai berikut:
1. Karakteristik sistem hanya berfokus pada: daerah kerja pengukuran kapasitansi; kelinieran; resolusi; Mean Absolute Error (MAE) dan kondisi termal.
2. Perbandingan nilai kapasitansi eksperimen dan simulasi sebatas 1pF sampai 15pF dengan kenaikan 1pF.
3. Dielektrik yang digunakan adalah udara, air, dan limbah minyak kelapa sawit.
E. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan laporan kerja praktik yang digunakan adalah sebagai berikut:
I. PENDAHULUAN
Membahas tentang latar belakang, tujuan, manfaat, batasan masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan.
II. TINJAUAN PUSTAKA
6
III. METODOLOGI PENELITIAN
Menjelaskan tahapan penelitian, seperti waktu dan tempat, alat dan bahan, simulasi alat, perancangan alat dan pengujian alat.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Memaparkan hasil simulasi, data simulasi, analisis karakteristik sistem, hasil eksperimen, data eksperimen, perbandingan simulasi dan eksperimen dan hasil pengerjaan alat dengan berbagai dielektrik.
V. KESIMPULAN DAN SARAN
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Dielektrik dan Kapasitansi
1. Dielektrik
Dielektrik dalam medan listrik dapat diumpamakan sebagai susunan dua kutub mikroskopik dalam ruang hampa yang terdiri atas muatan positif dan muatan negatif yang pusatnya tidak berhimpit[1].
Muatan tersebut bukanlah matan bebas seperti konduktor, dan juga tidak memberi pengaruh dalam pada proses konduksi. Muatan tersebut terikat pada tempatnya oleh gaya atomik dan gaya antar molekul. Karena hal tersebut muatan hanya dapat bergeser sedikit saja jika ada medan eksternal. Inilah yang membedakan dielektrik dan konduktor[1].
8
Dielektrik ini memiliki nilai permitivitas atau konstanta dielektrik.
permitivitas merepresentasikan rapatnya fluks elektrostatik saat sebuah benda saat dilewati arus listrik. Konstanta dielektrik untuk ruang hampa atau vakum adalah � ≈ 8,8 � − ��− . Dan �� merupakan permitivitas relatif atau konstanta untuk bahan dielektrik. Permitivitas relatif adalah besaran tanpa dimensi[1].
� = � �� (1)
2. Kapasitansi
Dua keping konduktor diletakkan diantar dielektrik yang serba sama, maka medan eksternal yang diberikan kepada kedua konduktor tersebut akan menyebabkan satu konduktor bermuatan positif dan satunya lagi bermuatan negatif[1].
Gambar 2.1. Prinsip kerja kapasitor[1].
Muatan akan tersebar pada permukaan dan memiliki nilai kerapatan muatan permukaan (+q dan –q). Medan listrik (E) yang diberikan akan tegak lurus terhadap permukaan konduktor tersebut. Untuk memindahkan muatan positif terhadap muatan negatif memiliki nilai kerja atau beda potensial (V0). Hal
9
(C) sistem konduktor adalah besar muatan (q) dalam konduktor terhadap beda potensial antar konduktor (V)[1].
� =
�� (2)Gambar 2.1 merupakan pengembangan sistem kapasitansi menggunakan dua konduktor yang sederhana yang identik berbentuk bidang datar sejajar berjarak d. Muatan yang sama pada permukaan konduktor menimbulkan medan yang sama pula. Jika bidang tersebut memiliki luas S yang dimensi linearnya jauh lebih besar dari jarak d. Maka akan didapatkan nilai kapasitansi sebagai berikut[1].
� =
� � (3)Keterangan:
C : Kapasitansi dalam Farad (F)
A : Luas penampang dalam meter persegi (m2 )
�
: Permitivitas statis relatif (konstanta dielektrik) dikalikan permitivitasvakum. Permitivitas vakum (
�
≈ 8,8 � − ��− ) d : jarak antar pelat dalam meter (m)10
B.Pengenalan Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT)
Tomography adalah sebuah teknik untuk menampilkan sebuah representasi dari sebuah objek di dalam penampang. Kata tomography berasal dari bahasa Yunani Kuno yaitu Tomos (τόμο ), yang memiliki arti "slice, atau bagian" dan
Grapho (γ άφω), yang memiliki arti "menulis" (Oxford, 1930).
Prinsip dasar dari tomography adalah dengan memberikan gelombang atau energi datang (Incident Wave E(t) ). Terhadap sebuah objek (Density Function
X( ̂) ). Saat gelombang atau energi mengenai objek dan terdistribusi secara merata pada objek ( Field Intensity Distribution F(r)=f(E) ) maka akan terjadi
konvolusi sinyal antara nilai gelombang dan objek, didapatkan gelombang S= F(r) ⨂ X( ̂). Dari gelombang tersebut jika dilakukan inversi atau rekonstruksi
gambar maka akan didapatkan kembali bentuk dari objek X( ̂). Penjelasan lengkapnya diperlihatkan oleh gambar 2.2[5].
11
Prinsip dasar tersebut membuat banyak berkembang ilmu tentang tomography
di antaranya: X-Ray, Magnetic Resonance Imaging (MRI), Ultrasonography
(USG), Computed Tomography Scan (CT-Scan), Positron Emission Tomography Scan (PET-Scan), termasuk Electrical capacitance volume Tomography (ECVT).
Electrical capacitance volume Tomography (ECVT) adalah teknik
tomography volumetrik (3D realtime) berdasarkan pengukuran kapasitansi listrik. Sistem ini dikembangkan oleh Dr. Warsito [2]. ECVT telah merevolusi dan mengganti teknik tomography 2D. ECVT yang sekarang telah memungkinkan fungsi realtime, dan pencitraan secara 3D dari objek yang bergerak. Dengan demikian ECVT disebut dengan Realtime Volume Imaging
(4D)[2].
Gambar 2.3. Sistem kerja ECVT[6].
12
konstanta dialektik yang berbeda. Selain untuk industri ECVT ini sedang dikembangkan untuk keperluan medis dari tubuh manusia.
Sistem ECVT yang diperlihatkan oleh gambar 2.3 dibagi menjadi tiga bagian dasar yaitu: Sensor Kapasitansi; Sistem akuisisi data; Rekonstruksi gambar dan kontrol. Sensor kapasitansi yang akan mengelilingi objek berfungsi menangkap nilai kapasitansi dalam pada objek. DAS yang akan berfungsi mengolah nilai kapasitansi dari objek dan proses Rekonstruksi akan dilakukan oleh komputer.
C.Perkembangan Rangkaian Pengukur Kapasitansi Sebelum Menggunakan Phase-Sensitive Demodulation (PSD)
1.Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis Charge/discharge
Perkembangan pertama untuk rangkaian pengukur kapasitansi adalah berbasis
charge/discharge seperti yang diperlihatkan gambar 2.5.
Gambar 2.4. Rangkaian Charge/discharge.
13
dua fase. Yaitu fase charge dan fase discharge. Pada fase charge, sakelar 1 dan 4 tertutup sedangkan sakelar 2 dan sakelar 3 terbuka. Arus yang masuk dari sumber tegangan (Vc) melalui kapasitansi yang akan di ukur (Cx) ke op-amp 1 dengan resistor umpan balik (Rf). Tegangan yang didapatkan pada fase
charge adalah sebagai berikut[7].
� = − ������+ (4)
Berlaku hal yang sama untuk fase discharge. Sakelar 2 dan 3 tertutup sedangkan sakelar 1 dan 4 terbuka. Charge yang tersimpan pada kapasitansi pengukuran (Cx) akan menjadi fase discharge. Bagian kiri dari Cx discharge
ke ground dan bagian kanan akan mengambil arus dari op-amp 2. Op-amp 2 akan mengubah arus menjadi tegangan DC[7].
� = ������+ (5)
Di mana V1 dan V2 adalah keluaran op-amp 1 dan dua. f adalah frekuensi
sakelar yang digunakan, Cx adalah kapasitansi terpasang. Rf adalah resistor referensi. dan adalah ofset dari op-amp 1 dan op-amp 2.
Catatan, kapasitor pelembut (C) ditempatkan di setiap masukan sinyal pada op-amp menuju ground dan sebagai pencegah terjadinya loncatan tegangan berlebih pada op-amp[7].
op-14
amp 2. Hasil penjumlahannya akan menghasilkan sinyal pengukuran berupa DC yang akan merepresentasikan kapasitansi pengukuran (Cx)[1].
� = � � − � = � ������+ � − (6)
Catatan, jika karakteristik op-amp 1 dan op-amp 2 sama, maka nilai dan akan salon meniadakan satu sama lain. Ini akan menjadi penyelesaian dari masalah yang dialami[7].
2.Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis AC (AC-Based)
Gambar 2.5. Rangkaian Berbasis AC (AC-Based).
Perkembangan rangkaian pengukur kapasitansi kedua adalah rangkaian pengukur kapasitansi berbasis AC atau AC-Based[7] dalam referensi lain disebut rangkaian CV-Converter[6]. Rangkaian ini menggunakan satu op-amp
dengan dua umpan balik yaitu umpan balik resistor (Rf) dan kapasitor (Cf). Seperti yang diperlihatkan gambar 2.5.
15
resistansi diperlukan untuk menjaga keluaran dari op-amp tidak mengalami saturasi). Sehingga akan berlaku persamaan
�� = − ( ���������+� ) � (7)
ω adalah frekuensi angular dari sumber gelombang sinus.
Jika nilai Rf dibuat sedemikian besar sehingga | �����| ≫ (sebagai contoh � = 2�500x103; Cf = 100 pF; dan Rf = 1 MΩ maka | �����| = , ≫ )
maka persamaan 15 akan menjadi sederhana[7].
�� = −����� (8)
Sehubungan dengan hal tersebut rangkaian pengukur kapasitansi berbasis AC ini akan menghasilkan sinyal AC yang sebanding dengan nilai kapasitansi yang diukur Cx[7].
3. Perbandingan Kedua Rangkaian
Kedua rangkaian pengukur kapasitansi yang dijelaskan tersebut memiliki kerja dasar yang sama. Gambar 2.8 memperlihatkan gambar kedua rangkaian sederhana menggunakan diagram blok.
16
selanjutnya baru dilakukan demodulasi. Perbandingan kedua sirkuit dijelaskan pada tabel 2.
(a)
(b)
Gambar 2.6. Diagram Blok Perbandingan Kedua Rangkaian Pengukur Kapasitansi. (a) Rangkaian Charege/discharge. (b) Rangkaian AC/Based[7]
Tabel 2. Kelebihan dan Kekurangan dari Kedua Rangkaian Pengukur Kapasitansi[7]
Rangkaian Karakteristik Kelebihan Kekurangan
Charge/discharge 1. Kebal terhadap
kapasitansi liar. 2. Resolusi 0,3 fF.
3. Charge/discharge
frekuensi hingga 2,5 MHz.
Simpel dan murah 1. Adanya Charge injeksi dari sakelar
1. Sedikit masalah penyimpangan (drift problem). Karena
menggunakan AC Amplifier. 2. Memiliki signal
17
D. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive Demodulation (PSD)
ECVT yang sedang dikembangkan sekarang akan menggunakan rangkaian dasar pengukur kapasitansi berbasis phase-sensitive demodulation (PSD) dengan menggunakan prinsip sinusoidal excitation dan phase-sensitive demodulation (PSD). Rangkaian PSD ini disebut juga dengan rangkaian New
AC-Based. Rangkaian AC-Based adalah karena rangkaian AC-Based tidak mengalami problem charge injeksi. Dan sistem PSD dapat melakukan pengukuran kapasitansi tidak terkait dengan pengukuran resistansi. itu adalah salah satu alasan menggunakan PSD.
Gambar 2.7. Rangkaian pengukur kapasitansi berbasis phase-sensitive demodulation (PSD)
18
dilakukan phase-sensitive demodulatoion (PSD). Terakhir sebuah low-pass filter (LPF).
1. Direct Digital Synthesis (DDS)
Gambar 2.7 memperlihatkan rangkaian pengukur kapasitansi berbasis
phase-sensitive demodulation (PSD). Rangkaian ini menggunakan sumber gelombang sinusyang dihasilkan Direct Digital Synthesis (DDS).
Direct Digital Synthesis (DDS) adalah metode untuk menghasilkan gelombang analog (biasanya gelombang sinus) dengan cara melakukan sintesis gelombang terhadap waktu dalam ranah digital dan melakukan kombinasi yang baik dengan komunikasi digital to analog (DAC). Perangkat DDS beroperasi secara digital, jadi DDS mampu melakukan pergantian frekuensi dengan cepat, resolusi dari frekuensi pun bagus. Teknologi DDS sekarang sudah semakin kompleks dan hanya membutuhkan daya yang kecil[10].
Keuntungan menggunakan DDS adalah kemampuan Serial peripheral-interface (SPI) yang memungkinkan melakukan pemrograman dengan kecepatan tinggi, dan hanya memerlukan clock generator eksternal untuk menghasilkan gelombang sinus. Perangkat DDS yang ada sekarang telah mampu menghasilkan frekuensi kurang dari 1Hz hingga 400MHz (dengan
19
diprogram ulang). Alasan-alasan tersebutlah DDS menjadi solusi dibandingkan dengan osilator biasa.
Gambar 2.8. Komponen dalam DDS[11]
Gambar 2.8 merupakan breakdown dari rangkaian dalam DDS. Komponen utama DDS adalah phase akumulator, phase-to-amplitude conversasion
(dapat berupa tabel look-up sinus), dan DAC.
DDS menghasilkan gelombang sinus sesuai frekuensi yang diberikan. Frekuensi yang diberikan tergantung kepada dua variabel, yaitu clock
referensi (System clock) dan nilai binari yang diprogram ke dalam frekuensi register (tuning word).
Nilai binari dalam register frekuensi akan menghasilkan keluaran utama menuju akumulator phase (phase accumulator). Jika yang digunakan adalah tabel look-up sinus, akumulator phase akan menghitung nilai alamat phase (sudut) sesuai tabel look-up sinus. Nilai digital dari frekuensi dan phase
20
DDS yang digunakan untuk Rangkaian pengukur kapasitansi berbasis PSD ini menggunakan eksitasi gelombang sinusyang dengan frekuensi 500 kHz dan amplitudo 10Vp. Perangkat DDS AD9850 hanya memiliki keluaran 500mVp dengan ofset DC 500mV seperti pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Keluaran DDS AD9850 1Vpp 500kHz
DDS ini agar dapat bekerja dengan rangkaian PSD ini memerlukan High-pass filter (HPF) untuk menghilangkan ofset DC dari DDS, dan penguat agar masukan rangkaian PSD dapat mencapai 20Vpp. Setelah keluaran DDS perlu masuk kembali ke rangkaian pada gambar 2.10.
Gambar 2.10. High pass filter dan penguat.
vi
21
High-pass Filter (HPF) adalah sebuah filter untuk meredam frekuensi rendah dalam hal ini nilai ofset DC, dan meloloskan frekuensi tinggi dalam hal ini frekuensi yang diinginkan 500kHz. Cutoff frekuensi bisa didapatkan menggunakan persamaan 9[12].
=
� �� (9)Untuk mendapatkan penguatan lebih dari 20 kali digunakan penguat tanpa pembalik (non-inverting amplifier) seperti pada gambar 2.10. Penguat tanpa pembalik adalah salah satu aplikasi dari op-amp untuk melakukan pengondisian sinyal memperbesar sinyal tanpa mengubah struktur sinyal yang masuk. Besarnya nilai penguatan akan didapatkan dari persamaan 10[12].
�
�=
��+
(10)22
Sinyal yang akan digunakan diperlihatkan pada gambar 2.11 dengan besar tegangan 20Vpp dan frekuensi 500kHz.
2. CV-Converter / AC-Based
Gambar 2.12. Rangkaian AC-Basesd atau CV-Converter.
Dalam literatur Electrical Capacitance Tomography (ECT) disebutkan rangkaian pada gambar 2.12 adalah AC-Based, tetapi dalam literatur ECVT rangkaian tersebut disebut rangkaian CV-Converter. Dalam literatur ECT juga rangkaian PSD disebutkan dengan sistem New AC-Based. Gambar 2.12 juga disebutkan sebagai butterworth low-pass filter yang menghasilkan rippel keluaran sesuai dengan kapasitor Cx yang terpasang.
23
kapasitansinya, Cf dan Rf adalah kapasitor dan resistor umpan balik pada op-amp, rangkaian CV Converter ini memiliki fungsi transfer yang telah dijelaskan pada bagian AC-Based sebelumnya.
Pada bagian ini akan dijelaskan alasan didapatkannya persamaan 7 dan 8. Rangkaian op-amp tahap pertama menggunakan prinsip inverting amplifier
atau amplifier pembalik. Dengan rektansi kapasitif (XCx) pada input, dan
paralel dari reaktansi kapasitif (XCf) dan resistensi pada umpan balik (Rf).
Hubungan tegangan masuk (vi)dengantegangan keluaran tahap pertama
(vo1) adalah sebagai berikut
��
�
= −
� (11)
��adalah impedansi pada umpan balik, dan � adalah impedansi dari input. �� didapatkan dengan hubungan paralel dari dari reaktansi kapasitif (XCf)
dan resistensi (Rf) dan untuk � didapatkan dengan reaktansi kapasitif (XCx).
24
�
�=
��� ���+ �� (15)
� = �� (16)
Dengan nilai ��dan Zi persamaan 11 menjadi sebagai berikut.
−
���
=
����� ��+���
�� (17)
Persamaan reaktansi kapasitif dapat diubah dengan menggunakan persamaan berikut.
Nilai reaktansi kapasitif XCf dapat disederhanakan dengan persamaan 21. Hasil yang diperoleh akan sama dengan persamaan 7.
25
��
�
= − (
�����
�����+
)
(7)Jika umpan balik resistansi jauh lebih kecil dari nilai reaktansi kapasitif.
�� ≫ �� (22)
Atau pembagian nilai resistansi oleh reaktansi kapasitip jauh-jauh lebih besar dari satu.
����� ≫ (23)
Dengan asumsi tersebut pada persamaan di atas maka nilai +1 akan dapat diabaikan.
��
�
= − (
�����
�����
)
(24)Persamaan dapat disederhanakan menjadi.
��
�
= −
���� (25)
Atau persis dengan persamaan 8.
�
�= −
�����
(8)Dengan tegangan masukan berupa gelombang sinus sebagai berikut.
26
Reaktansi kapasitif Cf (XCf) akan memberikan pengaruh pergeseran sudut atau phase. Persamaan 8 akan menjadi persamaan 27.
�� = −����A sin
�
+∝ (27)3. Inverting Amplifier (Penguat Pembalik)
Gambar 2.13. Inverting amplifier.
Rangkaian op-amp tahap kedua adalah penguat pembalik atau inverting amplifier. Rangkaian ini merupakan salah satu aplikasi dari op-amp. Sesuai dengan namanya, fungsi dari rangkaian ini adalah menguatkan sinyal masukan dan membalik sinyal, atau sinyal mengalami perubahan phase
sebesar 180o. Pengaturan penguatan menggunakan masukan resistansi (R1)
dan resistansi pada keluaran (R2). Penguatan akan bergantung pada
persamaan berikut[12].
27
Dengan keluaran tahap pertama (Persamaan 27) sebagai masukan tahap kedua. Maka keluaran pada tahap kedua akan memiliki persamaan sebagai berikut.
�� = −���� (29)
�� =���� Av A sin � +∝ (30)
4. Phase shifter
Gambar 2.14. Phase shifter
Keluaran tahap kedua (vo2) masih memiliki perbedaan phase jika dibandingkan dengan tegangan referensi (vf) atau tegangan input (vi). Jadi diperlukanlah rangkaian perbaikan phase. PSD nilainya akan sesuai jika saat dilakukan perkalian sinyal kedua sinyal memiliki phase yang sama, inilah bungsu rangkaian phase shifter
Phase shifter adalah aplikasi dari op-amp yang tidak memiliki daerah cutoff.
28
Jika R3 = R4, dan R5 dibuat menjadi resistor variabel. Maka nilai Sudut atau phase yang diinginkan untuk digeser bisa didapatkan dengan cara[12].
� = − tan− ωCR
5 (31)
5. Analog Multiplier
Setelah output diperbaiki menggunakan rangkaian phase shifter. Tahapan Selanjutnya phase-sensitive demodulation (PSD) menggunakan analog
multiplier.
Untuk mempermudah perhitungan nilai tegangan keluaran tahap kedua (Persamaan 30) diasumsikan sebagai M.
��
�� Av A = � (32)
Maka keluaran tahap kedua persamaan 49 akan lebih sederhana.
�� = � sin � +∝ (33)
Tegangan keluaran dari tahap kedua akan dikalikan dengan tegangan referensi yang sama dengan tegangan masukan.
�� = � = � sin � (26)
29
�
�= �
�. �
� (34)Gambar 2.15. Analog Multiplier AD633.
Ada permasalahan di mana persamaan 34 belum dapat digunakan. Karena Analog multiplier AD633 memiliki karakteristik tersendiri dari masukan dan keluarannya. Hubungan masukan dan keluaran dari IC AD633 adalah sebagai berikut.
=
− −+ �
(35)W merupakan keluaran AD633 atau v04. Karakteristiknya adalah memiliki
nilai pembagian 10V dan memiliki hubungan X1, X2, Y1, Y2 dan Z seperti persamaan 28. Nilai X1 akan diisi vo3, nilai X2 akan diisi of, dan nilai X2, Y2 dan Z bernilai 0 jadi dihubungkan ke ground.
Persamaan 35 akan menjadi persamaan 36.
�
�=
�� .�� (36)30
� = . � sin � +∝ . � sin � (37)
Rumus perkalian dua sinus akan memudahkan perhitungan.
� = −� �[cos � +∝ +� − cos � +∝ −� ] (38)
� =� �[cos ∝ − cos � +∝ (39)
Persamaan 39 merupakan hasil penting alasan kenapa PSD digunakan. Tegangan keluaran tahap keempat (Persamaan 39) berupa setengah dari perkalian amplitudo kedua sinyal, yang diikuti sinyal DC cosinus dengan sinyal cosinus harmonik dengan 2 kali frekuensi awal.
6. Low-pass filter (LPF)
Gambar 2.16. Butterwort low-pass filter.
Dalam sistem ECVT berbasis AC, urutan terakhir adalah menggunakan
Butterworth low-pass filter[12] (LPF) rangkaian ini berfungsi untuk
menghilangkan gelombang cosinus harmonik kedua seperti pada persamaan 39. Frekuensi cutoff ideal dipilih senilai 50 kHz. Butterworth low-pass filter
31
10 kali lebih rendah dari frekuensi dasar dan ini cukup untuk menghilangkan gelombang harmonik dari hasil analog multiplier. Dengan 500kHz frekuensi eksitasi, frekuensi cutoff dapat diatur setinggi 50 kHz. Untuk sirkuit ini, frekuensi cutoff adalah:
=
� �� (40)Lanjutan dari penurunan rumus 39 menuju tahap akhir (Vo) adalah low-pass filter, filter untuk meredam sinyal dengan frekuensi tinggi dan melewatkan sinyal dengan frekuensi rendah. Maka persamaan keluaran tahap keempat (Persamaan 39) akan menyisakan persamaan berikut.
� =
� �cos �
(41)Dengan memasukan persamaan M sebelumnya (Persamaan 32) keluaran tahap akhir adalah sebagai berikut.
� = (��Av A
�� ) � α (42)
Dan dari keluaran tersebut dapat dihitung nilai Cx sebagai nilai kapasitansi sensor ECVT sebagai berikut.
�
�=
� � �� ��� ��� � (43)
Dengan nilai sudut atau phase sebagai berikut[10].
� = cot− ��
32
Keterangan:
Cx : Nilai Kapasitansi Pengukuran (F)
V04 : Keluaran DC dari Low Pass filter LPF (V)
Cf : Kapasitor Umpan Balik (F) A : Amplitudo Gelombang Maukan AV : Faktor Penguatan amplifier
α : Penyimpangan Phase (sudut)
Rf : Resistor Umpan Balik (Ω)
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian alat pengukur kapasitansi berbasis phase-sensitive demodulation
(PSD) ini akan dilakukan mulai bulan Januar 2015 sampai selesai bertempat di Laboratorium Terpadu Teknik Elektro.
B. Alat dan Bahan Penelitian 1. Alat
Alat yang dibutuhkan untuk melakukan simulasi dan percobaan :
a. Satu buah komputer terinstal OrCAD Cadence, Matlab dan Arduino. b. Satu buah Osiloskop.
c. Satu buah project board. d. Multimeter.
e. Solder, Penyedot dan timah.
f. Alat kerja mekanik (tang potong pinset dan lain-lain)
2. Bahan
Bahan yang dibutuhkan untuk melakukan percobaan : a. Arduino Uno R3
34
d. Satu buah IC AD817.
e. Kapasitor 22pF, 1pF, 2pF, 4pF, 7pF, 3,9nF, 1uF dan 100pF masing-masing satu buah. Dua buah 220pF. Delapan buah kapasitor 100nF. f. Resistor 500Ω, 2kΩ dan 22kΩ masing-masing satu buah. Tiga buah
1kΩ.
g. Dua buah resistor Variabel 1kΩ dan satu buah 500Ω. h. PCB
i. Kabel Coaxial.
j. Tiga pasang Connector Coaxial.
k. Kabel Penghubung secukupnya.
C. Langkah Kerja Penelitian
Sesuai diagram blok penelitian pada gambar 3.1 langkah kerja penelitian akan dilakukan dalam lima tahapan utama:
1. Simulasi.
2. Analisis Hasil Simulasi. 3. Eksperimen.
4. Perbandingan Simulasi dan Eksperimen.
35
Uji Coba Alat Pada Sensor ECVT
Gambar 3.1. Diagram blok penelitian.
1. Simulasi
36
1. Membuka bagian aplikasi Capture pada OrCAD Cadence. Tampilan pertamanya akan seperti pada gambar 3.2. Atau jika pertama kali menggunakan akan ada tampilan start awal.
Gambar 3.2. Tampilan Awal OrCAD Capture.
2. Selanjutnya tekan Ctrl+N atau file new project, atau klik tombol net di pojok kiri atas. Selanjutnya tahapan pembuatan project. Akan ada kotak dialog kecil seperti gambar 3.3.
37
Pada bagian ini masukan nama project. Pada pilihan New Project dipilih Analog or Mixed A/D. Dan pilih lokasi penyimpanan project yang digunakan. Dan klik Ok jika sudah selesai. Tampilan selanjutnya seperti gambar 3.4 project yang digunakan adalah project kosong. Maka pilih “Create a bank project”. Dan Ok.
Gambar 3.4. Pembuatan Project Langkah 2.
Layar tampilan project telah siap digunakan seperti diperlihatkan gambar 3.5. Maximize windows project agar leluasa digunakan.
38
3. Selanjutnya adalah bagian simulasi, untuk dapat melakukan simulasi diperlukan untuk membuat rangkaian. Komponen yang dibutuhkan untuk membuat rangkaian ada pada bagian “Place Part. Tolbar sebelah kanan bagian paling kiri atas. Atau pada Menu Bar pilih “Place”, dan pilih “Part”. Atau menekan tombol “P”. Seperti pada gambar 3.6.
Gambar 3.6. Memilih komponen dan memilih Library.
Untuk memperoleh komponen yang dibutuhkan, perlu untuk mengambil library yang sesuai. Library yang dibutuhkan adalah “Source”, “Analog_Dev” dan “Analog”.
39
Gambar 3.7. Sumber Tegangan.
Cara membuat rangkaian buat sebagai berikut. Untuk memutar posisi komponen klik kanan pada komponen dan pilih miror atau rotate. Untuk menyambungkan rangkaian pilih wire, atau menekan tombol W. Dan berikan Ground dengan menekan pada tollbar Ground atau tekan tombol G, pilih Ground 0. Tambahkan Vcc_Bar di atas Vdc dengan mengambil pada tollbar Vcc atau dengan menekan tombol G. Ganti nama Vcc_Bar dengan +12 dan -12. Selanjutnya mengganti nilai Vdc dengan double klik komponen dan ganti nilai masing-masing sumber V1 dan V2 dengan 12Vdc. Hasilnya diperlihatkan gambar 3.8.
Gambar 3.8. Hasil Rangkaian Sumber.
40
5. Selanjutnya pembuatan rangkaian pembangkit gelombang sinus yang sebanding dengan Direct Digital Synthesis (DDS) AD9850. Keluaran dari DDS adalah 1Vpp berbentuk DC. Gelombang sinus bisa dihasilkan dengan menggunakan Vsin pada library source. Nilai dari Vsin tersebut diatur sesuai gambar 3.9. Amplitudo gelombang “VAMPL” diatur sebesar 500mV dengan tegangan ofset DC “VOFF” 500mV frekuensi “FREQ” 500kHz dan AC 0.
Gambar 3.9. Sumber Sinus sebanding dengan DDS AD9850
Untuk memastikan keluaran sumber sesuai. Pilih New simulation pada menu bar PSpice “New Simulation Profil”, atau menekan tombol .
Tampilan dialog pembuatan simulasi pun akan keluar. Pilih nama yang diinginkan, dan tekan Create.
Gambar 3.10. Pembuatan Profil Simulasi.
41
Gambar 3.11. Pengaturan Profil Simulasi.
Dengan menekan tombol rum PSpice atau menekan F11. Aplikasi PSpice pun akan berjalan dan melakukan simulasi sesuai rangkaian yang ada pada Capture.
42
PSpice dapat diatur tampilannya jika tidak sesuai dengan keinginan. Pada menu bar Tools pilih option. Pada Color Setting dapat diatur sesuai kebutuhan.
Gambar 3.13 Pengaturan tampilan PSpice.
Untuk melihat hasil simulasi dapat menggunakan Add Trace pada Pspice
. Atau pada Capture menggunakan Probe . Jika menggunakan Add Trace perlu untuk memilih mana yang akan ditampilkan. Dengan kotak dialog gambar 3.14. Jika menggunakan probe. Pilih probe yang dibutuhkan, tegangan atau arus atau daya dan letakkan di tempat yang dibutuhkan.
43
Gambar 3.14. Dialog Add Trace.
6. Setelah mendapatkan gelombang yang sebanding dengan DDS AD9850. Selanjutnya untuk merangkai rangkak High-Pass Filter (HPF). Rangkaian HPF yang paling sederhana bisa didapatkan dengan dengan rangkaian Sallen-Key (SK) dengan pendekatan Butterworth satu stage orde ke dua sesuai dengan tinjauan pustaka. Yang diperlukan adalah. Satu IC AD817 dua kapasitor dan dua resistor.
44
Seperti pembuatan sumber tegangan pada langkah ke 4. Lakukan hal yang sama agar komponen pada gambar 3.15 akan seperti gambar 3.16.
Gambar 3.16. Komponen HPF yang telah selesai dirangkai.
Hubungkan rangkaian HPF dengan sumber tegangan DDS. Dan beri probe pada keluaran HPF. Tekan F11 untuk melihat hasil simulasi. Hasil simulasi haruslah memperlihatkan ofset DC 500mV menghilang. Dan tersisa gelombang sinus amplitudo 500mV frekuensi 500kHz
7. Gelombang yang dibutuhkan untuk rangkaian adalah gelombang sinus dengan amplitudo 10Vp dengan frekuensi 500kHz. Nilai keluaran dari HPF adalah amplitudo kurang dari 500mV. Rangkaian selanjutnya yang dibutuhkan adalah penguat tanpa pembalik (Non-inverting Amplifier). Untuk membuat rangkaian tersebut dibutuhkan 1 buah AD817, dan 2 buah resistor.
45
Gambar 3.17. Komponen untuk membuat penguat tanpa pembalik.
Gambar 3.18. Penguat Tanpa Pembalik.
Untuk mendapatkan gelombang yang diinginkan berupa gelombang sinus 20Vpp. Perlu untuk mengatur besarnya R4. Secara teori diperlukan R4 sebesar 2kΩ untuk mendapatkan 21 kali penguatan. Tetapi perlu dicoba berulang kali mengganti nilai R4 agar didapatkan 20Vpp.
Sebagai catatan, penguat yang dibutuhkan sebenarnya dapat digunakan langsung pada HPF. HPF sendiri dapat digunakan sekaligus penguat. Tetapi untuk menjaga kestabilan, penguat dijadikan terpisah.
46
Gambar 3.19. DDS yang telah disederhanakan.
9. Setelah mendapatkan gelombang sinus dengan amplitudo 10Vp. Selanjutnya merancang CV-Converter. Rangkaian tersebut membutuhkan AD817 Dari library “Analog_Dev” ditambah 4 buah
kapasitor dan 1 buah resistor. Dan jangan lupa tambahkan ground. Gambar 3.20 memperlihatkan kebutuhan komponen tersebut.
Atur rangkaian dengan cara seperti langkah sebelumnya sehingga menjadi rangkaian pada gambar 3.21.
Gambar 3.20. Komponen yang dibutuhakan untuk membuat
CV-Converter.
47
Gambar 3.21. Rangkaian CV-Converter
10.Simulasi selanjutnya adalah penguat pembalik. CV-Converter yang menyebabkan perubahan sudut gelombang menjadi 180o maka diperlukan pembalik agar sudut gelombang menjadi 0o. Langkah yang dilakukan persis seperti langkah 7 gambar 3.18. Dengan 1 buah AD817 dan 2 buah resistor. Dirangkai menghasilkan gambar 3.21.
Gambar 3.22. Penguat Pembalik (Inverting Amplifier).
11.Langkah Selanjutnya adalah membuat rangkaian All-Pass filter atau
48
Gambar 3.23. Komponen untuk membuat All-Pass filter.
Seperti langkah sebelumnya rangkai komponen pada gambar 3.24 sesuai tinjauan pustaka. Melakukan pengaturan terhadap R11 untuk mendapatkan pergeseran sudut yang diinginkan.
Gambar 3.24. Rangkaian All-Pass filter.
12.Bagian terpenting dari Phase-sensitive Demodulation (PSD) yaitu bagian analog multiplier. Perkalian sinyal analog akan dibantu IC AD633 dari library “Analog_Dev” yang dibutuhkan hanya IC tersebut
49
Gambar 3.25. Rangkaian Analog Multiplier.
X1 akan dihubungkan ke keluaran Inverting Amplifier langkah ke 9. Dan Y1 akan dihubungkan ke keluaran Non-Inverting Amplifier langkah ke 7 tetapi sebelumnya di bagian ini akan ditambahkan All-Pass filter untuk memperbaiki pergeseran sudut yang terjadi. Setelah itu hasil simulasi dapat diamati dengan menekan F11.
13.Langkah Terakhir adalah membuat rangkaian Low-pass Filter (LPF) komponen yang dibutuhkan sama seperti gambar 3.15, disusun sesuai dengan tinjauan pustaka.
Gambar 3.26 Rangkaian Low Pass Filter.
50
2. Pengambilan Data dan Analisis Hasil Simulasi
Setelah berhasil mendapatkan nilai DC dari keluaran LPF. Selanjutnya mengambil data nilai kapasitansi Cx dari 10fF hingga 15pF dengan kenaikan 10fF Di masukan ke dalam tabel 3, berupa nilai Cx yang terpasang, nilai Vo hasil LPF dan nilai Cx’ hasil perhitungan sesuai tinjauan pustaka terhadap Vo. Pengambilan data dilakukan menggunakan PSpice pada menu bar “file” pilih
export, dan pilih text file. Buka hasil export lakukan pengolahan data dengan dibantu perangkat lunak Excel.
Tabel 3. Data Hasil Pengukuran Cx 10fF Hingga 15pF
No. Cx (fF) Vo (mV) Cx' (fF) ΔV (mV) ΔCx (fF) E (%)
Dari pengambilan data tabel 3 akan dilakukan beberapa analisis sebagai berikut:
a. Daerah kerja
Pengambilan data untuk daerah kerja akan disimulasikan dengan kapasitansi Cx sebesar 10fF hingga 15pF dengan kenaikan 10fF yaitu tabel 3. Dari hasil tersebut lihat pada bagian mana nilai kapasitansi masih dapat terukur dan tidak dapat terukur, dan dapat diambil kesimpulan rentang daerah kerja rangkaian pengukur kapasitansi berbasis PSD ini.
b. Garis Kelinieran
51
Vo yang didapatkan. Maka fungsi garis kelinieran f(x) pun akan didapatkan dengan metode regresi.
c. Resolusi
Masih menggunakan data pengukuran tabel 3 dihitung berapa resolusi rangkaian dengan cara, mengambil nilai rata-rata dari tegangan keluaran pada setiap perubahan 10fF. Nilai resolusi yang didapatkan akan bernilai mV/fF.
d. Mean Absolute Error (MAE)
Pengambilan data MAE akan dibantu software matlab. Dari data tabel 3. Sesuai tinjauan pustaka didapatkan nilai Cx’. Cx’ merupakan Cx hasil
perhitungan yang didapatkan dari keluaran tahap keempat (LPF). Nilai Cx’ perhitungan ini akan dibandingkan dengan Cx yang seharusnya terpasang nilai perbandingan ini disebut nilai eror perhitungan. Nilai error tersebut akan digunakan pada matlab dengan fungsi mae(“data eror”).
e. Kondisi Termal.
Pengambilan data selanjutnya adalah mengetahui batas kondisi termal. Pada suhu berapakah batas kemauan dari rangkaian pengukur kapasitansi berbasis PSD ini. Data akan diambil menggunakan PSpice dengan bantuan Temperatur (sweep). Analisis ini penting mengingat rangkaian Pengukur kapasitansi menggunakan Peak detektor lemah dalam suhu. Semakin suhu rangkak tinggi. Maka data semakin tidak akurat.
52
Tabel 4. Data Kondisi Termal Rangkaian PSD
Suhu (oC) Vo (V)
Perancangan alat yang akan dilakukan diperlihatkan gambar 3.27. terdiri
Direct Digital Synthesis (DDS), High-pass Filter (HPF)+penguat, CV
Converter, Penguat pembalik, Analog Multipier, Low-pass Filter (LPF) dan All-Pass filter.
Gambar 3.27. Diagram Blok Perancangan Alat.
1. Power Supply
53
mempertahankan nilai DC 15V dan -15V. IC 7805 dan 7905 akan digunakan untuk kebutuhan Arduino.
2. Direct Digital Systhesis (DDS)
Gambar 3.27. DDS AD9850
Direct Digital Synthesis atau DDS adalah sebuah komponen yang mampu melakukan sintesis gelombang kotak dan atau gelombang sinus dengan frekuensi dan phase sesuai yang diinginkan. DDS akan bekerja dengan cara mengatur bit pada pin frekuensi dan phase. DDS yang akan digunakan adalah AD9850 yang telah dalam bentuk modul siap pakai seperti pada gambar 3.28. Dalam perancangan ini pengaturan bit akan dibantu oleh Arduino Uno R3. Sinyal yang akan digunakan adalah frekuensi 500kHz, 20Vpp.
54
W_CLK akan dihubungkan dengan pin 8, FD_UD akan dihubungkan dengan pin 9, DATA akan dihubungkan dengan pin10, dan RESET akan dihubungkan dengan pin 11 pada Arduino Uno R3
Setelah Arduino diprogram sesuai program yang tersedia pada lampiran 2. Keluaran akan memiliki frekuensi 500kHz dan Amplitudo 500mV, dan ofset DC 500mV.
Selanjutnya untuk menghilangkan nilai ofset DC dan menjadikan amplitudo 10Vp. Maka dilakukan perancangan High-pass Filter (HPF) dan penguat. Sesuai dengan gambar 3.16 dan 3.187 Untuk eksperimen akan digunakan AD827. Yaitu dua buah AD817 dalam satu IC
Gambar 3.28 Susunan Pin pada AD827.
Komponen yang dibutuhkan untuk merancang HPF adalah 2 buah kapasitor 220pF, dan 2 buah resistor masing-masing sebesar 1kΩ dan 2kΩ. Untuk penguat digunakan 1 buah resistor 100Ω untuk R3 dan 1 buah resistor variabel 5kΩ untuk R4.
3. CV-Converter dan Inverting Amplifier
55
Rangkaian yang diperlihatkan oleh gambar 3.20 merupakan rangkaian tahap pertama CV-Converter yang akan dibangun. Bagian Cx akan dibuat kosong atau port untuk melakukan pengukuran kapasitor 1pF-15pF dan sensor ECVT. Sedangkan Cf dan Rf yang digunakan bernilai Cf=22pF dan Rf = 22kΩ.
Rangkaian yang diperlihatkan oleh gambar 3.21 akan menggunakan resistor R5 sebesar 1kΩ, dan R5 sebesar 1kΩ. Faktor penguatan (Av) akan bernilai sebesar 1x atau disebut Unity Gain. Dan mendapatkan sinyal yang inverting dari sinyal CV-Converter. Phase yang berubah 180o akibat CV-Converter akan berbalik kembali Menai 0o.
4. All-Pass filter (Phase Shifter)
Rangkaian penggeser phase ini berfungsi untuk memperbaiki eror
phase yang diakibatkan oleh CV-Converter. Rangkaian ini akan menggunakan IC AD817 seperti pada gambar 3.30. dengan tambahan 2 resistor 1kΩ, 1 resistor variabel 200kΩ dan satu kapasitor 1uF, yang
akan disusun sesuai gambar 3.25.
5. Analog Multiplier
56
Tahap ketiga adalah sinyal yang telah dilakukan inverting akan dikalikan dengan sinyal asal. Perkalian sinyal analog ini akan dilakukan oleh IC AD633. Perancangan Analog Multiplier tidak memerlukan komponen lain. Hanya menyambungkan X1 ke keluaran inverting amplifier,menyambungkan Y1 ke All-Pass filter, dan X2, Y2, Z akan masuk ke ground.
6. Low-pass Filter (LPF)
Gambar 3.30. Susunan Pin AD817
Rangkaian ini merupakan rangkaian tahap terakhir. Sesuai gambar 3.23,
Low-pass Filter (LPF) akan dirancang menggunakan IC AD817 sesuai gambar 3.30. Rangkaian ini membutuhkan 2 buah resistor 220Ω dan 4,2kΩ, dan Kapasitor 1nF dan 2nF.
57
Tabel 5. Data Hasil Eksperimen 1pF hingga 15pF kenaikan 1pF
No. Cx (pF) Vo (V) Kosong (V) Vo’ (V) Cx' (pF) ΔCx (pF) E %
5. Perbandingan Data Simulasi dan Eksperimen
Perbandingan data hasil simulasi dan eksperimen akan dibagi menjadi dua bagian. Pertama membandingkan bentuk gelombang dari setiap tahapan sistem pada nilai kapasitansi 1pF. Bagian kedua membandingkan nilai Cx’ hasil simulasi dan Cx’ hasil Eksperimen dengan data 1pF sampai 15pF
dengan kenaikan 1pF yang dimasukkan ke dalam tabel 6.
Tabel 6. Perbandingan Cx’ hasil Simulasi dan Eksperimen
No. Cx (pF)
Simulasi Eksperimen Eror Simulasi Eror Eksperimen
6. Uji Coba Alat dengan Sensor ECVT 8 Elektrode
58
1. Tentukan bahan dielektrik dan masukan pada sensor.
2. Mengukur pasangan elektrode pertama. Lanjutkan pengukuran ke pasangan elektrode selanjutnya. Jika tidak ada pasangan elektrode yang lain lanjutkan tahap tiga.
3. Mengganti bahan dielektrik pada sensor dan kembali ke tahap dua. Jika bahan dielektrik sudah semua, maka berhenti.
Bahan dielektrik yang akan digunakan ada 3 jenis yaitu udara, air, dan limbah minyak kelapa sawit.
Data akan dimasukkan ke dalam tabel 7.
Tabel 7. Tabel Isian Untuk Eksperimen menggunakan Sensor ECVT
No. Pasangan
D. Kategori Pembagian Sensor ECVT 8 Elektrode
59
Kategori pembagian pasangan elektrode sensor ECVT menjadi penting untuk mempermudah melakukan analisis. Pembagian pasangan elektrode sensor ECVT 8 Elektrode diperlihatkan tabel 8.
Tabel 8. Penjelasan Kategori Setiap Pasangan Elektrode Sensor ECVT 8 Elektrode
No. Pasangan
E. Perhitungan Cx (Cx’)
60
�
�′ =
� �� � ��� �� �� (43)Dengan nilai sudut atau phase sebagai berikut[10].
� = cot− ��
��� (44)
Jika nilai di bawah ini diketahui, persamaan akan jadi lebih sederhana. Cf : 22pF
A : 10 V AV : 1x
Rf : 22k Ω f : 500kHz
ω : 2πf = 2.π.500k = 3,141592654 M rad/s
α : � = cot− �. �. Ω = , 8 �
��′ = .��. � −
. .��� , 5 8 � (45)
��′ = ��. , � − (46)
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diperoleh adalah sebagai berikut:
1. Rangkaian pengukur kapasitansi dengan metode PSD memiliki karakteristik. Daerah kerja ≥500fF. Garis kelinieran y=1,0297x-79,884x1015, R2=0,9999. Resolusi bernilai 0,889 mV/fF. MAE bernilai 0,158pF. Temperatur -25oC – 125oC mengalami perubahan 4,364mV 2. Pengukuran nilai kapasitansi hasil simulasi dan eksperimen sebanding.
Eror kapasitansi Cx hasil simulasi 2,23% dan eror nilai kapasitansi Cx eksperimen 3,87%.
3. Alat pengukur kapasitansi mampu mengukur perbedaan kapasitansi pada sensor ECVT 8 Elektrode. Pertama kondisi kosong 0,57pF-4,32pF. Kedua kondisi penuh dengan Air 19,38pF-31,18pF. Dan ketiga kondisi berisi limbah minyak kelapa sawit 0,79pF-4,53pF.
B. Saran
Saran untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut:
1. Rangkaian PSD yang digunakan masih manual, dapat dikembangkan dengan sistem otomatis terkontrol.
![Gambar 2.3. Sistem kerja ECVT[6].](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/613487.163695/35.595.119.451.441.620/gambar-sistem-kerja-ecvt.webp)
