ANALISIS KAPASITANSI SENSOR DIELEKTRIK MENGGUNAKAN
CDC (CAPACITANCE TO DIGITAL CONVERTER) AD7746
Antony Hutahaean[1] , Agus Santoso Tamsir[2]
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
antony.hutahaean@ui.ac.id
ABSTRAK
Skripsi ini membahas desain dan proses mengukur kapasitansi dari sensor dielektrik. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan LCR meter dan menggunakan IC CDC (Capacitance to Digital Converter) AD7746. Tujuan pengukuran adalah untuk membandingkan hasil dari kedua pengukuran dan menentukan pengukuran yang lebih tepat. Selain itu, dilakukan pengukuran sensor dielektrik ketika sensor ditempatkan di udara bebas dan ketika sensor ditempatkan di atas kertas setebal 10 cm. Pengukuran ini dimaksudkan untuk membandingkan hasil pengukuran, di mana kertas dianggap sebagai bahan dielektrik. Proses ini dilakukan untuk membuktikan apakah sensor telah bekerja sebagai sensor kapasitansi. AD7746 CDC memiliki batas kapasitansi pengukuran dari -4,096 pF sampai 4,096 pF. Oleh karena itu, dalam mengukur nilai diluar batas pengukuran dibutuhkan pengaturan CAPDAC. Pengaturan ini bertujuan untuk mencocokkan nilai CAPDAC dengan nilai dielektrik sensor yang diukur. Metode mengukur CDC AD7746 menggunakan mikrokontroler Arduino yang bertujuan untuk menulis dan membaca data dari program CDC atau AD7746. Mikrokontroler Arduino juga berfungsi untuk menampilkan hasil pengukuran pada layar komputer.
Kata Kunci: CAPDAC; CDC (Capacitance to Digital Converter) AD7746; mikrokontroler Arduino. Sensor dielektrik;
ABSTRACT
This script discusses the design and the process of measuring the capacitance of the dielectric sensor. Measurements were made using LCR Meter and using IC CDC (Capacitance to Digital Converter) AD7746. Purpose of measurement is to compare the results of both measurements and determine a more precise measurement. In addition, measurement of dielectric sensor when the sensor is placed in free air and at the sensors placed over the paper as thick as 10 cm. This measurement is intended to compare the results of measurements, in which the paper is considered as a dielectric material. This process is carried out to prove whether the sensor has worked as a capacitance sensor. AD7746 CDC has a capacitance measuring limit of -4.096 to +4.096 pF pF. Therefore, in measuring out the required measurement limit value settings CAPDAC. This arrangement aims to match the value CAPDAC with dielectric sensor measured value. Method of measuring the AD7746 CDC uses an Arduino microcontroller that aims to write and read data from the CDC program or AD7746. Arduino microcontroller also serves to display the measurement results on a computer screen.
Keywords: Arduino microcontroller; CAPDAC; CDC (Capacitance to Digital Converter) AD7746; Dielectric Sensor.
1. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi saat ini sangat cepat sekali. Para peneliti berlomba-lomba menciptakan alat baru yang dapat dimanfaatkan secara luas oleh manusia. Dunia sensor merupakan bagian yang terus berkembang pesat. Beragam sensor baru yang ditemukan, diperbaharui, dan dimanfaatkan untuk manusia. Mulai dari sensor suara, sentuhan, cahaya, dan lain-lain.
Sensor dielektrik spektral adalah sensor yang dapat menggunakan efek kapasitansi untuk mengenali bahan dengan menganggap bahan tersebut adalah dielektrik pada kapasitor. Untuk mendapatkan hasil yang valid, dibutuhkan suatu kondisi tanpa noise yang dapat mengganggu hasil pengukuran. Sensor dielektrik memiliki kelebihan dengan tingginya ketepatan pengukuran, sebagai syarat yang sangat dibutuhkan untuk sebuah sensor.
Untuk mendapat hasil pengukuran yang valid maka diperlukan kalibrasi terhadap sensor yaitu dengan mengetahui nilai kapasitansi tetap sensor tersebut. Oleh karena itu digunakan kalibrasi terhadap sensor dan terhadap semua komponen pendukungnya.
Sensor dielektrikal spektral merupakan suatu alat berbasis kapasitansi dengan dielektrik yang bervariasi nilainya. Nilai kapasitansi pada sensor dapat dibaca menggunakan IC CDC (Capacitance to Digital Converter). IC ini mempunyai keterbatasan dalam pengukuran kapasitansi, oleh karena itu kita harus mengatur nilai CAPDAC yang sesuai dengan nilai kapasitansi yang sedang kita ukur.
Adapun tujuan dari proses analisis kapasitansi sensor dielektrikal menggunakan CDC AD7746 adalah untuk membuktikan bahwa sensor tersebut mempunyai nilai kapasitansi yang akan berubah nilai kapasitansinya sesuai dengan bahan dielektrikal yang digunakan pada sensor tersebut. Selain untuk mengetahui nilai kapasitansinya, penelitian ini juga bertujuan untuk membandingkan nilai kapasitansi sensor dielektrikal pada kondisi-kondisi yang berbeda. Yaitu dengan memanfaatkan bahan dielektrikal yang digunakan. pada penelitian ini dibandingkan pengukuran sensor dielektrikal pada udara bebas dan pada kertas.
V S d
2. TINJAUAN TEORITIS 2.1 Teori Kapasitansi
2.1.1 Kapasitansi Kondensator Plat Sejajar sebagai Fungsi Luas Permukaan dan Jarak Antar Plat
Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan dengan huruf "C" adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm2 yang artinya luas permukaan kepingan tersebut. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kondensator untuk dapat menampung muatan elektron. Salah satu jenis kapasitor adalah kapasitor plat sejajar seperti gambar sebagai berikut:
Gambar 2.1 Kapasitor Plat Sejajar
Jika kedua plat, dengan luas penampang S dan berjarak antara plat d, diberi tegangan listrik V, maka muatan Q yang dapat disimpan sebanding dengan tegangan listrik yang diberikan. Tetapan kesebandingannya adalah kapasitansi kapasitor C. Dengan demikian hubungan muatan, tegangan dan kapasitansi kondensator adalah dengan rumus pada persamaan (2.1).
Q = C V (2.1)
Dimana :
Q = Muatan elektron dalam C (coulombs) C = Nilai kapasitansi dalam F (farad) V = Besar tegangan dalam V (volt)
Kapasitansi C pada persamaan (2.1) berharga tetap, asalkan dimensi plat tidak berubah. Pada prakteknya, suatu kondensator memiliki tegangan operasi maksimum tertentu. Dalam kaitannya dengan dimensi plat, kapasitansi kapasitor sebanding dengan luas penampang S dan berbanding terbalik dengan jarak antar plat. Tetapan kesebandingannya adalah permitivitas vakum 0. Dengan demikian hubungan antara luas penampang, jarak antar plat dan kapasitansi kapasitor adalah seperti pada persamaan (2.2).
d S
C 0 (2.2)
Harga permitivitas vakum ε0 = 8.854x10-12 F/m
2.1.2 Pengaruh Bahan Dielektrik pada Kapasitansi Kapasitor
Selain faktor tegangan, luas penampang dan jarak antar plat, terdapat bahan dielektrik yang dapat disisipkan di antara kedua plat yang mempengaruhi kapasitansi kapasitor. Disisipkannya bahan dielektrik bertujuan memperbesar kapasitansi. Jika kapasitansi mula-mula C0, maka kapasitansi kapasitor setelah disisipi bahan dielektrik adalah seperti pada
persamaan (2.3).
r
C 0 (2.3)
dengan r adalah permitivitas relatif bahan dielektrik yang berharga lebih besar satu. Untuk vakum permitivitas relatifnya berharga satu. Jika persamaan (2.2) disubstitusikan ke persamaan (2.3) diperoleh ungkapan kapasitansi kapasitor plat sejajar yang disisipi bahan dielektrik adalah seperti pada persamaan (2.4).
d S
C 0r (2.4)
2.2 (CDC) Capacitance to Digital Converter AD7746
AD7746 adalah IC CDC (Capacitance to Digital Converter) yang mempunyai resolusi yang sangat tinggi yaitu sebesar 24 bit. Selain itu mempunyai linearitas yang tinggi juga (±0.01%) dan mempunyai tingkat akurasi pengukuran yang tinggi. AD7746 bisa membaca kapasitansi input diantara ±4.096 pF yang dapat berubah-ubah, sementara itu dapat membaca kapasitansi input masukan hingga 17 pF yang bisa diatur dengan mengubah pemrograman di dalam chip (CAPDAC).
AD7746 ini memiliki dua kanal kapasitansi input yang dapat digunakan pada mode single atau differential yaitu CIN1 dan CIN2. Komponen ini bisa bekerja pada catu daya
sebesar 2.7 volt hingga 5.25 volt dalam temperatur -40ºC hingga +125ºC. Diagram blok dari IC AD7746 dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Diagram Blok AD7746 2.3 Mikrokontroler Arduino
Arduino adalah single board microntroller (mikrokontroler dalam satu papan rangkaian) yang bersifat open source dan sangat populer saat ini. Arduino ini merupakan turunan dari platform Wiring dan dirancang agar pembuatan proyek mikrokontroler menjadi lebih mudah dilakukan oleh semua kalangan. Sistem Arduino adalah berupa hardware menggunakan chip Atmel AVR, software yang berupa bahasa pemrograman standar C, serta bootloader yang dipasang pada chip utama.
Arduino mempermudah proses pengembangan proyek mikrokontroler, akan tetapi mempunyai keunggulan menarik dibandingkan dengan tipe mikrokontroler yang lain. Beberapa kelebihannya yaitu:
- Tidak memerlukan perangkat chip programmer karena di dalamnya sudah terdapat bootloader yang akan menangani upload program dari komputer.
- Sambungan dari komputer ke board Arduino sudah memiliki sarana komunikasi USB, sehingga pengguna laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya langsung.
- Software Arduino dapat dijalankan pada sistem operasi Windows, Macintosh OSX, dan Linux.
- Bahasa pemrograman relatif mudah karena software Arduino dilengkapi dengan kumpulan library yang cukup lengkap.
- Arduino menggunakan chip AVR ATmega 328 yang memiliki fasilitas PWM, komunikasi serial, ADC, timer, interupt, SPI dan I2C. Sehingga Arduino bisa digabungkan bersama modul atau alat lain dengan protokol yang berbeda-beda seperti shield GPS, Ethernet, SD Card, dan lain-lain.
- Software Arduino dipublikasikan secara open source, sehingga bisa dikembangkan sendiri oleh para programmer yang sudah mahir dengan menggunakan standar library C++. Selain itu bisa menggunakan bahasa AVR-C langsung di program Arduino.
Fitur rangkaian jadi mikrokontroler Arduino dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Fitur Rangkaian mikrokontroler Arduino
3. METODE PENELITIAN
3.1 Perancangan sensor dielektrikal
Perancangan dimulai dengan menggambar schematic rangkaian sensor dielektrikal dan rangkaian pendukungnya seperti CDC AD7746, kapasitor, dan socket penghubung ke mikrokontroler. Untuk melakukan penggambaran, digunakan aplikasi Altium Designer yang mempunyai fitur yang lengkap dalam menggambar schematic. Adapun hasil perancangan schematic menggunakan Altium Designer adalah seperti pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Gambar schematic Sensor dielektrikal
Setelah menggambar schematic, dilanjutkan dengan menggambar lay-out pcb. Dalam menggambar lay-out pcb perlu diperhatikan ukuran sensor yang digunakan, seperti lebar sensor, panjang sensor, jarak antar pin dan lain sebagainya. Hal yang paling penting diperhatikan adalah keunikan dari sensor dielektrikal yang digunakan, dimana sensor ini terdapat pada 3 buah layer yaitu pada mid-layer1, mid-layer2 dan mid-layer3. Adapun bentuk dari sensor dielektrikal ini adalah seperti pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Bentuk Sensor Dielektrikal
Pada Gambar 3.2 terlihat bahwa terdapat tiga buah posisi jalur yang berbeda terletak didalam pcb. Posisi jalur ini berfungsi untuk merubah magnetic field yang nantinya ditimbulkan apabila sensor diberikan tegangan masukan. Jalur mid-layer1 dan mid-layer2 merupakan sensor dielektrikal, sedangkan jalur ketiga yaitu mid-layer3 adalah ground yang berfungsi untuk membatasi arah magnetic field agar tidak menyebar ke arah layer bawah.
Komponen Yang Diukur
Pilih Mode Pengukuran
Nilai Komponen Terukur
3.2 Proses pengukuran sensor dielektrikal menggunakan LCR Meter
Untuk mendapatkan hasil pengukuran kapasitansi yang akurat, kita membutuhkan nilai kapasitansi dari sensor dielektrikal. Oleh karena itu, dilakukan pengukuran nilai kapasitansi dengan menggunakan LCR (Inductance (L), Capacitance (C), and Resistance (R)) meter. LCR meter adalah alat yang digunakan untuk mengukur nilai Induktansi (L), Kapasitansi (C), dan Resistansi (R) dari sebuah komponen. Prinsip dasar dari komponen ini adalah mengukur impedansi internal dari bahan yang diukur. Nilai tersebut yang ditampilkan dilayar dengan melakukan konversi ke kapasitansi atau induktansi yang sesuai.
Gambar 3.3 Diagram blok pengukuran dengan LCR Meter
Dalam pengukuran kapasitansi (C) atau muatan listrik, pengukuran akan menghitung jumlah muatan yang disimpan pada titik tertentu atau yang disebut potensial listrik. Dan nilai itu yang dikonversi menjadi nilai kapasitansinya. Adapun diagram blok pengukuran ini dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Dari diagram blok diatas dijelaskan bahwa proses pengukurannya sangat efisien dan singkat. Bahan yang akan diukur dihubungkan dengan LCR meter dan setelah itu kita pilih mode yang digunakan. Yaitu memilih antara mode Induktor (L), Kapasitansi (C) atau Resistansi (R). Untuk melakukan pengukuran nilai kapasitansi, maka dipilih mode Kapasitansi (C). Setelah memilih modenya, maka secara otomatis LCR meter akan mengukur nilai sensor dielektrik dan menampilkan hasil pengukurannya di layar.
Proses pengukuran ini menggunakan beberapa sensor dielektrikal yaitu sebanyak lima buah sensor. Ini dikarenakan tiap masing-masing sensor mempunyai nilai kapasitansi yang berbeda-beda. Untuk mendapatkan nilai kapasitansi yang akurat dalam melakukan pengukuran, maka dilakukan sepuluh kali pengukuran. Dan nilai akhir pengukurannya adalah nilai rata-rata dari hasil sepuluh kali pengukuran tersebut. Tujuan dari pengukuran
Sensor Dielektrikal CDC AD 7746 Mikrokontroler Komputer Nilai Kapasitansi Terbaca
menggunakan LCR Meter ini adalah untuk mengetahui nilai kapasitansi awal sebelum menggunakan sensor sebagai alat ukur. Atau dapat dikatakan sebagai kalibrasi sensor dielektrikal.
3.3 Proses pengukuran sensor dielektrikal menggunakan CDC AD7746
Ide awal dari penelitian ini adalah membuat sensor dielektrikal yang nilainya dapat berubah-ubah sesuai dengan bahan dielektrik di tempat sensor diletakkan. Oleh karena itu, untuk dapat membaca nilai kapasitansi sensor tersebut, dibutuhkan sebuah IC CDC (Capacitance to Digital Converter) AD7746. IC CDC ini dapat membaca nilai kapasitansi dari sensor apabila IC ini diberikan catu daya dan diprogram. Maka digunakan sebuah mikrokontroller Arduino untuk dapat menulis dan membaca data kedalam IC AD7746 tersebut. Adapun diagram blok dari ide awal penelitian ini adalah seperti pada gambar 3.4.
Gambar 3.4 Diagram blok pengukuran kapasitansi menggunakan IC CDC AD7746
Dari diagram blok pada Gambar 3.4 dijelaskan bahwa kapasitor dihubungkan langsung dengan IC CDC AD7746, kemudian IC CDC dihubungkan langsung dengan mikrokontroler Arduino. IC CDC AD7746 berfungsi untuk mengubah nilai kapasitansi yang terukur ke dalam bentuk digital. Nilai kapasitansi yang berbentuk digital akan diterima oleh mikrokontroler dan akan diolah menjadi nilai kapasitansi yang ditampilkan pada layar komputer.
Proses pengukuran ini dilakukan dengan cara menuliskan program perintah ke dalam IC CDC oleh mikrokontroler dan mikrokontroler juga melakukan perintah pembacaan hasil pengukuran. Dan nilai-nilai pembacaan tersebut yang dijadikan nilai pengukuran yang dikonversi terlebih dahulu menggunakan rumus yang telah ditentukan. Agar mikrokontroler dapat melaksanakan proses pengukuran, terlebih dahulu dilakukan pemrograman terhadap mikrokontroler, pemrograman ini dilakukan dari komputer dengan menggunakan aplikasi Arduino-1.0.1. Aplikasi ini yang berfungsi untuk menuliskan dan melakukan interaksi dengan
mikrokontroller Arduino. Dan juga hasil pengukuran dilihat menggunakan aplikasi tersebut. Proses pengukuran menggunakan CDC AD7746 ini adalah seperti pada Gambar 3.5 berikut ini.
Gambar 3.5 Proses pengukuran sensor dielektrikal menggunakan CDC AD7746
Hasil pengukuran yang diperoleh menggunakan aplikasi Arduino-1.0.1 adalah berupa nilai data. Nilai tersebut bernilai dari 0x000000 hingga 0xFFFFFF atau dalam bentuk desimal bernilai dari 000000 hingga 16777216. Nilai ini mempresentasikan nilai kapasitansi dari -4,096 pF hingga + -4,096 pF, sehingga diketahui bahwa CDC AD7746 dapat mengukur kapasitansi maksimal sebesar 8,192 pF.
3.4 Kalibrasi CAPDAC pada CDC AD7746
Gambar 3.6 Gambar rangkaian Single-Ended Mode menggunakan CAPDAC
Untuk melakukan kalibrasi atau mengukur nilai kapasitansi, kita membutuhkan kapasitor yang telah diketahui nilai referensinya. Kapasitor yang digunakan dalam
pengukuran ini adalah kapasitor yang bernilai antara 1 pF hingga 20 pF. Kapasitor ini dihubungkan langsung dengan IC CDC AD7746 dengan menggunakan CDC Single-Ended Input Mode. Mode ini adalah menghubungkan salah satu kaki kapasitor langsung dengan pin CIN 1 (+) dan satunya lagi dengan pin EXCA. Dengan mode ini maka CDC akan bisa mengukur kapasitansi sebesar 0-8 pF yaitu dari 0x000000 hingga 0xFFFFFF. Untuk gambar rangkaian Single-Ended Mode menggunakan CAPDAC dapat dilihat pada gambar 3.6.
Untuk mengukur nilai kapasitansi yang lebih besar dari 8 pF, maka kita mengubah nilai CAPDAC sesuai referensi kapasitor yang digunakan. Untuk mengubah nilai CAPDAC dilakukan dengan cara memrogram ulang mikrokontroler. Karena untuk mengubah nilai CAPDAC dilakukan dengan menuliskan nilai CAPDAC ke dalam IC CDC AD7746. Nilai CAPDAC diubah sesuai dengan nilai referensi kapasitor yang kita gunakan.
Nilai referensi CAPDAC pada AD7746 digunakan untuk mendapatkan nilai pengukuran kapasitansi yang sesungguhnya. Dimana nilai hasil pengukuran kapasitansi adalah penjumlahan antara nilai pembacaan CAPDAC dijumlah dengan nilai referensi CAPDAC seperti pada persamaan 3.1.
DEC CAP REF in C C C (3.1) 4. HASIL PENELITIAN
4.1 Hasil pengukuran sensor dielektrikal menggunakan LCR Meter Tabel 4.1 Hasil pengukuran sensor menggunakan LCR Meter
SENSOR SENSOR KIRI SENSOR KANAN
DIELEKTRIKAL (pF) (pF) A 10,7 10,8 B 10,8 10,4 C 10,6 10,9 D 11,2 11,2 E 10,9 10,9 RATA-RATA 10,84 10,84
Seperti pembahasan sebelumnya, dimana dibutuhkan kalibrasi pada sensor untuk mengetahui nilai kapasitansi awal dari sensor tersebut. Maka dilakukan pengukuran menggunakan LCR Meter. Pengukuran dilakukan terhadap semua sensor yaitu ada sepuluh sensor dimana tiap pcb terdapat dua buah sensor. Yaitu sensor sebelah kiri dan sensor sebelah kanan. Dalam pengukuran sensor dibiarkan pada udara bebas, sehingga nilai kapasitansi yang terukur adalah nilai sensor tanpa gangguan dari bahan luar. Hasil pengukuran sensor dielektrikal mengunakan LCR Meter adalah seperti pada tabel 4.1.
4.2 Hasil pengukuran sensor dielektrikal menggunakan CDC AD7746
Pengukuran ini dilakukan menggunakan CAPDAC (10/06-14) yang mempunyai nilai tengah sebesar 10,09 pF dan mempunyai nilai desimal 76. Pengertian CAPDAC (10/06-14) adalah bahwa CAPDAC yang digunakan mampu mengukur kapasitansi antara 6 pF hingga 14 pF. Ini dikarenakan CDC AD7746 hanya mampu mengukur kapasitansi sebesar 8,192 pF, sehingga apabila ingin mengukur kapasitansi yang lebih besar digunakan pengubahan CAPDAC. Nilai tengah sebesar 10,09 pF merupakan nilai kapasitansi yang telah terkalibrasi apabila pengukuran terletak pada titik tengah CAPDAC. Sedangkan nilai desimal 76 adalah nilai yang diprogram pada komputer untuk perintah pengubahan CAPDAC.
4.2.1 Pengukuran pada udara bebas
Pengukuran ini dilakukan dengan menempatkan sensor dielektrikal di tempat terbuka dengan arah sensor ke arah atas atau langit. Dengan begitu maka magnetik yang ditimbulkan oleh beda tegangan akan memancar bebas karena tidak ada bahan yang menghalangi. Konsep dari penggunaan sensor ini adalah pembuktian bahwa apabila diberikan tegangan excitation terhadap sensor, maka akan timbul fluks magnet yang mengalir dari pin excitation ke pin CIN.
Gambar 4.1 merupakan bentuk pengukuran sensor dielektrikal yang dilakukan pada udara bebas. Pengukuran menggunakan CDC AD7746 yang dihubungkan langsung dengan mikrokontroler Arduino dan hasilnya ditampilkan pada layar komputer.
Dari Tabel 4.2 diketahui bahwa nilai pengukuran sensor dielektrikal berkisar antara 11 pF hingga 13 pF. Nilai rata-rata pengukuran kapasitansi pada sensor sebelah kiri adalah sebesar 11,8861 pF dan 11,7764 pada sensor sebelah kanan. Perbedaan nilai pengukuran antara sensor sebelah kiri dan sebelah kanan sangat kecil, ini membuktikan bahwa proses fabrikasi pcb dalam pembuatan sensor dielektrikal ini sangatlah bagus.
Tabel 4.2 Nilai pengukuran sensor dielektrikal pada udara bebas SENSOR DIELEKTRIKAL SENSOR KIRI Kapasitansi (pF) Standard Deviasi % Kesalahan A 11,4419 0,002422 0,0117 B 11,6144 0,001105 0,0068 C 11,5945 0,001045 0,0069 D 12,9813 0,060915 0,3997 E 11,7988 0,001185 0,0074 RATA-RATA 11,8862 0,0133344 0,0865 SENSOR DIELEKTRIKAL SENSOR KANAN Kapasitansi (pF) Standard Deviasi % Kesalahan A 11,4191 0,001308 0,008 B 11,7373 0,000739 0,0045 C 11,6891 0,000946 0,0056 D 12,4076 0,002134 0,0145 E 11,6292 0,001524 0,0084 RATA-RATA 11,77646 0,0013302 0,0082
4.2.2 Pengukuran dengan kertas setebal 10 cm
Gambar 4.2 Proses pengukuran sensor dielektrikal pada kertas
Pengukuran ini dilakukan untuk membuktikan perubahan nilai pengukuran yang terjadi apabila sensor diberikan penghalang diatasnya. Oleh karena itu digunakan kertas setebal 10 cm sebagai penghalang bergeraknya fluks magnetik yang dihasilkan oleh sensor. Pengukuran dengan kertas ini dilakukan dengan menggunakan kertas putih yang belum ditulis atau belum mempunyai noda. Dari pengukuran menggunakan kertas ini diharapkan mendapat nilai baru yang nanti akan digunakan sebagai perbandingan dengan pengukuran pada udara bebas. Proses pengukuran pada kertas menggunakan CDC AD7746 dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Pengukuran ini dilakukan terhadap kelima sensor dan pengukuran dilakukan secara bergantian antara sensor sebelah kiri dan sensor sebelah kanan. Adapun hasil nilai pengukuran pada sensor ini adalah seperti pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3 Nilai pengukuran sensor dielektrikal pada kertas SENSOR DIELEKTRIKAL SENSOR KIRI Kapasitansi (pF) Standard Deviasi % Kesalahan A 12,3238 0,0024 0,0126 B 11,7586 0,0010 0,0062 C 11,7476 0,0020 0,0139 D 14,1888 0,0000 0 E 12,4516 0,0025 0,0157 RATA-RATA 12,4941 0,0016 0,00968
SENSOR DIELEKTRIKAL SENSOR KANAN Kapasitansi (pF) Standard Deviasi % Kesalahan A 12,6238 0,0025 0,0132 B 12,4896 0,0012 0,0081 C 12,458 0,0052 0,0362 D 13,5637 0,0018 0,0107 E 12,6803 0,0015 0,009 RATA-RATA 12,76308 0,0024 0,01544
Dari nilai-nilai pengukuran pada Tabel 4.3 juga diketahui bahwa terdapat nilai pengukuran yang berbeda jauh dari pengukuran lainnya. Nilai pengukuran tersebut adalah pada sensor D. Adanya beda pengukuran yang jauh dari sensor D ini juga terjadi dalam pengukuran pada udara bebas. Sensor ini mempunyai nilai pengukuran lebih besar sebanyak 1 pF hingga 2 pF dibandingkan dengan sensor lainnya. Kejadian ini disebabkan oleh adanya kurang ketelitian pada saat fabrikasi pcb sensor yang dilakukan di pabrik yang menyebabkan perubahan posisi sensor atau bahkan perubahan bahan metal yang digunakan sehingga terjadi perubahan nilai kapasitansinya. Namun dalam keseluruhan sensor, dapat dikatakan bahwa fabrikasi sensor sudah sangat bagus dan menghasilkan sensor yang mempunyai ketelitian yang tinggi.
4.3 Analisis pengukuran sensor dielektrikal menggunakan LCR Meter dan CDC AD7746
Adanya perbedaan pengukuran sensor dielektrikal yang terjadi antara pengukuran menggunakan LCR Meter dan CDC AD7746 adalah karena adanya faktor-faktor dari luar yang mengakibatkan kesalahan pada pengukuran. Adapun perbedaan hasil pengukuran diantara kedua pengukuran ini adalah seperti ditunjukkan pada Tabel 4.4.
Tabel 4.4 Analisis perbedaan pengukuran antara LCR Meter dengan CDC AD7746 SENSOR DIELEKTRIKAL SENSOR KIRI Beda Ukur (pF) Standard Deviasi % Kesalahan A 0,7419 0,5246 6,9336 B 0,8144 0,5758 7,5407
C 0,9945 0,7032 9,3820 D 1,7813 1,2595 15,9044 E 0,8988 0,6355 8,2458 RATA-RATA 1,0462 0,7397 9,6512 SENSOR DIELEKTRIKAL SENSOR KANAN Beda Ukur (pF) Standard Deviasi % Kesalahan A 0,6191 0,4377 5,7324 B 1,3373 0,9456 12,8586 C 0,7891 0,5579 7,2394 D 1,2076 0,8539 10,7821 E 0,7292 0,5156 6,6899 RATA-RATA 0,93646 0,6621 8,6389
Pada tabel 4.4 terdapat perbedaan pengukuran yang dilakukan antara pengukuran menggunakan LCR Meter dan pengukuran menggunakan CDC AD7746. Beda pengukuran ini diperoleh dari nilai pengukuran dari CDC AD7746 dikurangi dengan nilai pengukuran dari LCR Meter. Dari perbedaan pengukuran ini diperoleh nilai rata-rata perbedaannya, yaitu sebesar 1,0461 pF pada sensor sebelah kiri dan sebesar 0,9364 pF pada sensor sebelah kanan. Dari kedua nilai rata-rata tersebut diketahui nilai perbedaan pengukuran ± 1pF.
4.4 Analisis pengukuran sensor dielektrikal pada udara bebas dan kertas menggunakan CDC AD7746
Pengukuran sensor dielektrikal yang dilakukan dengan dua metode pengukuran yaitu dengan pengukuran pada udara bebas dan pengukuran pada kertas yang keduanya diukur menggunakan CDC AD7746 berfungsi untuk mendapatkan beda pengukuran diantara kedua pengukurannya. Beda pengukuran ini yang akan dibuktikan sebagai bahan dielektrikal dimana seperti pada teori kapasitansi, dimana struktur dari sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrikal. Sehingga dari proses pengukuran ini dimisalkan kertas adalah sebagai bahan dielektrikalnya. Adapun hasil pengukuran dari kedua metode pengukuran ini ada pada Tabel 4.5.
Selain nilai pengukuran sensor dielektrikal pada udara bebas dan pada kertas setebal 10 cm, pada Tabel 4.5 ini juga terdapat besar nilai perbedaan antara kedua metode. Besar nilai perbedaan pengukuran ini merupakan wakil dari bahan dielektrikal yang terukur. Dari hasil perbandingan beda pengukuran, didapat bahwa beda pengukuran pada udara bebas dan pada kertas adalah sebesar ± 1 pF. Nilai beda pengukuran ini dapat dianalisis kembali dalam penelitian selanjutnya untuk mengetahui kebenaran bahwa benar nilai tersebut adalah karena pengaruh dari bahan kertas setebal 10 cm tersebut.
Tabel 4.5 Analisis perbedaan pengukuran pada udara bebas dan pada kertas SENSOR DIELEKTRIKAL SENSOR KIRI Beda Ukur (pF) Standard Deviasi % Kesalahan A 0,8819 0,6235 7,7076 B 0,1442 0,1019 1,2415 C 0,1531 0,1082 1,3204 D 1,2075 0,8538 9,3018 E 0,6528 0,4615 5,5327 RATA-RATA 0,6079 0,4298 5,1143 SENSOR DIELEKTRIKAL SENSOR KANAN Beda Ukur (pF) Standard Deviasi % Kesalahan A 1,2047 0,8518 10,5498 B 0,7523 0,5319 6,4094 C 0,7689 0,5436 6,5779 D 1,1561 0,8174 9,3176 E 1,0511 0,7432 9,0384 RATA-RATA 0,98662 0,6976 8,3778
Dengan melakukan pengukuran pada udara bebas dan kertas telah terbukti dengan jelas bahwa terjadi perubahan kapasitansi dan sensor dapat membaca kapasitansi tersebut dengan menunjukkannya pada hasil pengukuran menggunakan CDC AD7746. Dengan begitu sensor dielektrikal ini sudah mampu digunakan sebagai sensor kapasitansi walaupun masih
perlu penyempurnaan kembali untuk mendapatkan nilai pengukuran yang lebih stabil dan tepat.
5. PEMBAHASAN
Pada perancangan sensor dielektrikal ini menggunakan metode perubahan nilai kapasitansi untuk mengetahui adanya perubahan bahan dielektrikal yang terjadi pada daerah sensor dielektrikal. Perubahan ini diketahui dengan melakukan pengujian pengukuran pada lima buah pcb dengan setiap pcb mempunyai dua buah sensor dielektrikal. Pengujian dilakukan menggunakan IC CDC (Capaciance to Digital Converter) AD7746 yang dihubungkan dengan mikrokontroler arduino. IC CDC berfungsi untuk membaca nilai kapasitansi terukur pada sensor dielektrikal dan mengkonversi nilai tersebut kedalam mikrokontroler arduino. Dalam mikrokontroler nilai kapasitansi tersebut diolah dan ditampilkan pada layar komputer.
Dalam pengukuran menggunakan CDC AD7746 perlu diperhatikan mode pengaturan yang digunakan oleh CDC tersebut. Mode yang digunakan dalam pengukuran sensor dielektrikal ini adalah Single Ended Mode, yaitu mode pengukuran dimana pin CIN 1(+) dihubungkan dengan salah satu ujung sensor dielektrikal dan ujung satunya lagi dihubungkan dengan pin EXCA. Dengan mode ini maka CDC mampu mengukur kapasitansi antara +4,096 pF hingga –4,096 pF yaitu sebesar 8,192 pF. IC CDC AD 7746 mampu mengukur kapasitansi hingga 21 pF, maka untuk mengukur nilai kapasitansi hingga 21 pF diperlukan pengubahan nilai CAPDAC pada CDC dengan melakukan perintah dari mikrokontroler.
Langkah awal pengukuran sensor dielektrikal dilakukan menggunakan LCR Meter, dimana nilai hasil pengukuran akan dijadikan sebagai nilai awal atau nilai referensi sensor dielektrikalnya. Kemudian pengukuran dilakukan menggunakan CDC AD7746. Pada pengukuran ini dilakukan dua buah metode, yaitu pengukuran pada udara bebas dan pengukuran diatas kertas setebal 10 cm. Tujuan pengukuran ini dilakukan adalah untuk mengetahui perubahan nilai kapasitansi yang terjadi apabila pengukuran dilakukan pada kertas setebal 10 cm dimana kertas tersebut dimisalkan sebagai bahan dielektrikalnya.
Dalam pengukuran dilakukan selama 10 kali setiap sensornya dengan mengambil sebanyak 10 data tiap pengukuran. Sehingga didapat 100 nilai hasil pengukuran. Dari 100 nilai pengukuran tersebut diambil nilai rata-ratanya yang digunakan sebagai nilai hasil pengukuran. Selain mengambil nilai pengukuran, dilakukan juga penghitungan nilai standar
deviasi dan penghitungan besar persen kesalahan. Standar deviasi dan persen kesalahan ini bertujuan untuk mengetahui besar penyimpangan antara nilai tersebut dengan nilai rata-rata pengukuran. Nilai ini nanti akan digunakan untuk mengetahui ketelitian dari hasil pengukuran tersebut.
Setelah melakukan seluruh pengukuran terhadap sensor dielektrikal dengan menggunakan LCR Meter dan CDC AD7746, maka diketahui bahwa terjadi perubahan nilai kapasitansi. Perubahan nilai kapasitansi ini dapat disebabkan oleh adanya kesalahan pengukuran, adanya gangguan dari sekitar, dan bahkan adanya kesalahan orang yang melakukan pengukuran. Akan tetapi adapun beda pengukuran tidaklah terlalu besar.
Begitu juga dengan pengukuran yang dilakukan pada udara bebas dan pengukuran pada kertas setebal 10 cm, perubahan kapasitansi terjadi dalam setiap sensor. Dimana nilai kapasitansi pada pengukuran kertas setebal 10 cm lebih besar dibandingkan dengan pengukuran pada udara bebas. Ini membuktikan bahwa kertas setebal 10 cm yang berfungsi sebagai bahan dielektrik berfungsi diukur menggunakan sensor dielektrikal. Selain itu diperoleh juga hasil rata-rata pengukuran terhadap seluruh sensor, bahwa nilai pengukurannya mempunyai nilai rata-rata yang hampir sama. Ini ditandai dengan kecilnya nilai standar deviasi dan nilai persen kesalahannya. Ini membuktikan bahwa fabrikasi yang dilakukan dalam pembuatan sensor sangat teliti sehingga telah sesuai berfungsi sebagai sensor yang mempunyai ketelitian yang tinggi.
6. KESIMPULAN
Berdasarkan perancangan dan pengukuran yang dilakukan menggunakan LCR Meter dan IC CDC AD7746 terhadap sensor dielektrikal maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut :
1. Pengukuran menggunakan IC CDC AD7746 mempunyai hasil pengukuran yang lebih akurat dibanding pengukuran dengan LCR Meter dibuktikan dengan nilai standar deviasai dan persen kesalahan yang bernilai mendekati nol.
2. Pemilihan penggunaan CAPDAC adalah sesuai nilai kapasitansi acuan yang diukur menggunakan LCR Meter dimana pada sensor dielektrikal berikut menggunakan CAPDAC (10 /6-14).
3. Nilai kapasitansi pada semua sensor dielektrikal hampir sama dan membuktikan fabrikasi pcb sensor sangat bagus.
4. Nilai kapasitansi sensor dielektrikal pada pengukuran diatas kertas lebih besar dibandingkan pengukuran pada udara bebas, membuktikan adanya perubahan kapasitansi yang disebabkan oleh berubahnya bahan dielektrikal.
7. DAFTAR ACUAN
[1] 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature Sensor AD7745/AD7746. Diunduh pada 4 Desember 2012.
http://www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad7746/products/product.html
[2] Interactive Matter- Arduino & AD7746. Diunduh pada 4 Desember 2012.
http://interactive-matter.eu/blog/2009/07/18/arduino-ad7746/
[3] Apa dan Mengapa Arduino. Diunduh pada 4 Desember 2012.
http://panduan.anekarobot.com/
[4] http://arduino.cc/
[5] Li, Xiaobe; Measuring Physiscal Properties of Organic Material Using Dielectric Spectroscopy; University of Washington. Diunduh pada tanggal 4 Desember 2012
http://www.ee.washington.edu/research/seal/pubfiles/MSEE_Xiaobei.pdf
[6] Microwave Dielectric Spectroscopy Workshop. Diunduh pada tanggal 4 Desember 2012
