DESAIN DAN KARAKTERISASI LOAD CELL TIPE CZL601 SEBAGAI
SENSOR MASSA UNTUK MENGUKUR DERAJAT LAYU PADA
PENGOLAHAN TEH HITAM
Iwan Sugriwan1, Melania Suweni Muntini1, Yono Hadi Pramono2 1
Laboratorium Elektonika-InstrumentasiJurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya 2
Laboratorium Optoelektronika dan Microwave Jurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya
Email: iwan_unlam@yahoo.com
Abstrak
Proses pelayuan pada pengolahan teh hitam dicirikan oleh dua macam pelayuan, yaitu pelayuan kimia dan pelayuan fisis. Ciri utama dari pelayuan fisis adalah melemasnya daun teh karena kehilangan sekitar 47% kadar air. Kehilangan massa karena kehilangan kadar air ini diindera oleh load cell tipe CZL601 sebagai sensor massa. Load cell dikalibrasi menggunakan pembeban (anak timbangan, timbal) yang telah diukur nilai benarnya di Laboratorium Gaya dan Massa Balai Pengamanan Fasilitas Kesehatan (BPFK) Surabaya. Sinyal keluaran dari
load cell, berupa tegangan, dihubungkan dengan penguat operasional yang dikonfigurasi sebagai penguat
instrumentasi. Keluaran dari penguat instrumentasi selanjutnya menjadi data proses untuk rangkaian mikrokontroler Atmega8 dan diantarmuka pada Liquid Chrystall Display (LCD) dan komputer pribadi. Rancang bangun load cell dan rangkaian elektronisnya didesain khusus untuk dapat digunakan sebagai instrumen pengukur derajat layu yang akan ditempatkan di atas mesin palung pelayuan (withering trough), di mana derajat layu adalah kuantitas yang menunjukkan perbandingan berat daun teh kering dengan daun teh layu. Persamaan karakteristik load cell yang menyatakan hubungan antara tegangan dalam volt, V, dan massa dalam gram, m, adalah V = 0.0001m + 0.2014. Dari hasil karakterisasi, load cell tipe CZL601 dapat mengukur beban sampai dengan 20 kilogram dengan sensitivitas 0,02 kg. Load cell menunjukkan performa tinggi yaitu dengan linieritas tinggi dan tanpa hysteresis.
Kata kunci: derajat layu, load cell, pelayuan, penguat instrumentasi, teh hitam
1. PENDAHULUAN
Load cell adalah sebuah sensor gaya yang
banyak digunakan dalam industri yang memerlukan peralatan untuk mengukur berat (Piskorowski et.al., 2008). Secara umum, load cell dan sensor gaya berisi pegas (spring) logam mekanik dengan mengaplikasikan beberapa foil metal strain gauges (SG). Strain dari pegas mekanik muncul sebagai pengaruh dari pembebanan yang kemudian ditransmisikan pada strain gauges. Pengukuran sinyal yang dihasilkan dari load cell adalah dari perubahan resistansi strain gauge yang linier dengan gaya yang diaplikasikan (Mauselein et.al., 2009).
Kalibrasi dan karakterisasi load cell dapat dilakukan baik secara analog maupun digital. Kalibrasi secara analog merujuk pada sinyal
keluaran, yang umumnya berupa tegangan, diukur langsung dengan peralatan dalam format analog. Pada proses kalibrasi digital sinyal keluaran diukur dengan instrumen yang telah mengintegrasikan peralatan digital. Menggunakan load cell dengan keluaran digital yang terintegrasi dengan pemrosesan sinyal memungkinkan penyesuaian gain menjadi sebuah penguatan sederhana dari keluaran
load cell dengan sebuah persamaan karakteristik.
Dalam kasus ini, proses kalibrasi berarti menghitung koefisien penguatan, yang diberikan dengan solusi dari persamaan karakteristik yang dihasilkan dari performa general purpose microcomputer yang lebih umum disebut mikrokontroler. Namun demikian, pada kalibrasi digital diperlukan rangkaian pemroses sinyal yang menyertakan penguat operational,
pengonversi analog ke digital dan unit pengolah yang telah terintegrasi dalam mikrokontroler (Rocha et.al., 2000).
Kalibrasi dan karakterisasi load cell ini akan digunakan untuk mengukur derajat layu pada proses pelayuan (withering) pengolahan teh hitam. Pada proses pelayuan, daun teh kehilangan kadar air sebanyak 47 %. Kehilangan masa yang disebabkan oleh kehilangan kadar air ini dapat digunakan untuk menentukan kelayuan daun teh. Secara kuantitatif kelayuan tersebut dinyatakan dalam persentase layu dan derajat layu. Persentase layu didefinisikan sebagai perbandingan antara bobot pucuk teh segar dengan bobot pucuk layu. Derajat layu didefinisikan sebagai perbandingan berat hasil teh kering dengan pucuk layu (Santoso dkk., 2008).
Proses pelayuan pengolahan teh hitam di Pusat Penelitian Teh Kina (PPTK) Gambung, Bandung, dilakukan dengan menggunakan withering
trough sebagai tempat daun teh dihamparkan. Daun
teh segar dihamparkan pada mesin withering trough dengan ketebalan 30 cm untuk dilayukan oleh udara kering atau dengan aliran udara panas selama sekitar 20 jam. Untuk menentukan apakah daun teh telah cukup layu, diperiksa oleh para pekerja teknis di pelayuan dengan cara meraba. Segenggam daun teh dikepal sambil digulung lalu dilemparkan, dan jika kepalan tidak terhambur maka daun teh dianggap telah layu. Masalahnya penentuan kelayuan teh dengan menggunakan peraba berpotensi untuk tidak konsisten dan bersifat subyektif yang berakibat pada ketidakkonsistenan terhadap mutu teh hitam.
Pada makalah ini disampaikan hasil penelitian untuk mengurangi subjektivitas dengan cara mengkuantisasi ukuran kelayuan daun teh. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan sensor massa. Kehilangan massa pada proses pelayuan akan diindera dengan sensor massa menggunakan load cell jenis single point model CZL601yang mampu mengukur beban sampai
dengan 20 kg. Rangkaian sensor massa berikutnya akan dihubungkan dengan pengkondisi sinyal dengan mengaplikasikan penguat instrumentasi sebagai data proses untuk blok rangkaian berikutnya yaitu mikrokontroler AVR ATmega8 yang berikutnya diantarmuka pada komputer pribadi.
2. DASAR TEORI
2.1 Load cell sebagai Sensor Massa
Transduksi massa dapat bervariasi bergantung pada perubahan parameter fisis yang digunakan. Sensor massa juga dapat menggunakan divais berbasis piezoresistif, kapasitif, mekanis dan lain-lain. Piezoresistif yang popular adalah strain gage yang memanfaatkan perubahan resistansi strain gage setiap mendapat deformasi dari posisi setimbang sebagai akibat pembebanan massa tertentu. Strain adalah sejumlah deformasi pada material sebagai pengaruh dari aplikasi gaya. Lebih spesifik, strain (ε) didefinisikan sebagai perbandingan perubahan panjangnya, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah ini (National Instrument, 1998):
Gambar 1. Definisi strain
Terdapat beberapa metode untuk mengukur strain, yang berikut ini adalah dengan strain gauge, sebuah
device dengan beberapa resistansi bervariasi dan
proporsional dengan sejumlah strain dalam divais. Sebagai contoh, piezoresistive strain gauge yang merupakan semiconductor device di mana resistansi berubah taklinier dengan strain. Gauge, yang paling luas digunakan adalah bonded metallic strain gauge, berisi beberapa fine wire atau metallic foil yang disusun dalam pola garis (grid) seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2. Pola garis dimaksimasi dengan sejumlah kawat metalik dalam arah paralel.
Gambar 2. Pola garis metallic strain gauge
Parameter fundamental dari strain gauge adalah sensitivitas dari strain, diekspresikan secara kuantitatif sebagai gauge factor (GF). Gauge factor didefinisikan sebagai rasio dari pembagian perubahan dalam resistansi dengan pembagian perubahan dari panjangnya (strain):
= ∆ ∆ = ∆ ⁄
Gauge factor untuk metallic strain gauges secara
tipikal adalah di sekitar 2. Idealnya, resistansi dari
strain gauge berubah hanya terhadap respon yang
diaplikasikan pada strain gauge material, sebagaimana spesimen material di mana gauge diaplikasikan, juga akan merespon terhadap perubahan temperatur.
Divais yang menggunakan prinsip strain
gauge secara internal yang sering digunakan untuk
pengukuran massa adalah load cell. Load cell merupakan divais yang menggunakan efek piezoresistif dengan bentuk fisik ditunjukkan pada Gambar 3. Pada penelitian ini akan digunakan load cell dengan rentang massa maksimum adalah 20 kg.
Gambar 3. Load cell single point model CZL601
2.2 Akuisisi Data
Keluaran dari sensor massa, load cell, adalah tegangan dan berikutnya dihubungkan dengan Penguat instrumentasi (instrumentation
amplifier, IA). Selanjutnya penguat instrumentasi
adalah pengembangan dari penguat diferensial (selisih tegangan) yang mengakomodasi masukan selisih tegangan secara klasik ditunjukkan pada Gambar 4 di bawah ini:
Gambar 4. Skema Penguat Instrumentasi Klasik (Fraden, 2003)
Penguat instrumentasi dibangun oleh tiga buah op-amp. Op-amp 1 dan 2 (U1 dan U2) dikonfigurasi sebagai penguat selisih tegangan, sedangkan op-amp ketiga dikonfigurasi sebagai penguat non-inverting. Penguat instrumentasi didesain dan harus memenuhi tegangan offset minimum, penguatan stabil, ketaklinieran rendah, input impedansi sangat tinggi, output impedansi sangat rendah, serta rasio penolakan modus bersama (common mode rejection ratio, CMMR) sangat tinggi (Terrel, 1996).
Tegangan keluaran yang dihasilkan dari rangkaian Gambar 2.4 adalah bergantung pada nilai-nilai resistor dan selisih tegangan masukan yang diterapkan pada differential voltage, V1 dan V2, menurut persamaan (Tompkin, 1988):
− 1 +
sedangkan besar penguatannya (gain, A) dirumuskan sebagai:
Selanjutnya tegangan keluaran dari penguat instrumentasi selanjutnya dihubungkan dengan mikrokontroler yang mengaplikasikan AVR Atmega8. ATmega8 adalah mikrokontroler 8 bit berdaya rendah dengan arsitektur RISC (reduce
Instruction Set Computer) dan menggunakan
arsitektur harvard (dengan memori dan bus yang terpisah untuk program dan data). Perintah dapat dieksekusi dalam satu periode clock untuk setiap instruksi dan instruksi dalam program memori dijalankan dengan single level pipelining, ketika satu instruksi dijalankan, instruksi selanjutnya telah siap diambil dari program memori. Gambar 5 adalah konfigurasi kaki ATmega8 dalam kemasan DIP (dual in line package) (Kurniawan, 2009).
Gambar 5. Diagram Pin Mikrokontroler AVR ATMEGA8-P
Secara internal, ATmega8 terdiri dari blok-blok diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Masing-masing blok tersebut antara lain program
counter yaitu register yang berfungsi sebagai
penghitung eksekusi program yang dilakukan mikrokontroler. Arithmatic Logic Unit (ALU, unit logika aritmatik) berfungsi melakukan proses aritmatika (+,-,*,/) dan logika (And, Or, Not).
Random Access Memory (RAM, memori akses
acak) adalah berupa memori volatile (data tak terhapus jika catudaya dimatikan) yang isinya dapat dibaca dan dihapus, digunakan menyimpan variabel.
Flash Program Erasabel Read Only Memory (Flash
PEROM, memori hanya baca dapat dihapus dengan program) merupakan memori hanya dapat dibaca,
digunakan untuk menyimpan program. Electrical
Erasable Proram Read Only Memory (EEPROM)
yaitu memori nonvolatile, dapat dibaca dan ditulis (dengan kemampuan terbatas), digunakan menyimpan konstanta, setting dan lain-lain. Register adalah tempat untuk menyimpan data sementara.
Accumulator (akumulator) merupakan register
penampung proses aritmatik. Stack Pointer (SP) adalah register penampung data dengan metode LIFO (last in first out). Blok terakhir adalah
Input/Output port (I/O port, terminal
masukan/keluaran) yakni register sebagai sarana komunikasi dengan periferal (peralatan di luar mikrokontroler).
Gambar 6. Diagram Blok Mikrokontroller AVR ATM8-P
3. DESAIN DAN METODE
Desain sistem instrumentasi untuk pengukuran derajat layu pada pengolahan teh hitam terdiri dari blok sensor massa yang menggunakan
load cell tipe CZL601, blok catu daya (power
supply), blok penguat instrumentasi, blok
mikrokontroler dan peraga (display). load cell dirancang untuk ditempatkan pada mesin palung pelayuan. Load cell ditempatkan pada rangka mekanis yang dibuat statis pada salah satu ujungnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
Pada ujung yang lain digantungkan sebuah rangka besi segi empat sebagai keranjang tempat menyimpan objek yang akan diukur massanya. Untuk mendapatkan hubungan antara massa dengan tegangan pada load cell dilakukan proses kalibrasi menggunakan anak timbangan (timbal). Timbal ini dibuat di bengkel logam Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.
Sinyal keluaran dari load cell dihubungkan dengan rangkaian penguat instrumentasi yang ditempatkan dalam sebuah casing box bersama dengan rangkaian catu daya dan mikrokontroler. Keseluruhan perangkat keras ditempatkan di atas mesin palung pelayuan seperti ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8. Perangkat keras akuisisi pada palung pelayuan
4. HASIL DAN DISKUSI
Sebelum diimplementasikan di industri pengolahan teh hitam, terlebih dahulu load cell harus dikalibrasi. Kalibrasi dilakukan dengan
non-zero calibration pada tegangan, di mana tegangan
keluaran tidak menunjukkan nol ketika belum diberi anak timbangan sebagai pembeban (tanpa pengaturan ofset nol). Timbal sebagai pembeban dikalibrasi di Laboratorium Gaya dan Massa Balai Pengamanan Fasilitas Kesehatan (BPFK) Surabaya pada tanggal 7 April 2010. Anak timbangan bersertifikat yaitu merk sartorius, model/tipe YCW 553-00, nomor seri 15929662, kelas F1 dengan nominal 500 gram. Massa konvensional anak
timbangan standar adalah 499,9996 gram dengan ketidakpastian 0,63 gram. Pada waktu dilakukan kalibrasi, terdokumentasi densitas udara 7390 Kg/m3. Timbangan yang digunakan untuk mengkalibrasi timbal yaitu merk sartorius, model/tipe CP12001S, nomor seri 161108413, kapasitas 12,1 kilogram dengan resolusi 0,1 gram. Metode kerja mengacu ke OIML R111-1 Part-1 & Part-2 Edition 2004 (E).
Hasil kalibrasi terhadap delapan timbal ditunjukkan pada tabel 1. Kondisi ruang ketika diambil pengukuran, suhu 23,2 ± 0,07 0C, kelembaban relatif 50,2 %RH, dan tekanan 1009,5 hPa.
Tabel 1. Data hasil kalibrasi timbal Nilai (g) Nomor Timbal Massa Konvensional (g) Ketidakpastian Pengukuran (g) 500 1 2 3 4 5 6 7 8 499,9982 499,9978 500,0015 499,9995 499,9940 499,9993 499,9983 499,9960 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21
Timbal yang telah diketahui massa konvensionalnya digunakan sebagai data kalibrasi load cell untuk mendapatkan hubungan karakteristik antara massa, m, dengan tegangan, V. Variasi massa diperoleh dengan menambahkan timbal ke dalam keranjang, Gambar 7, yang menyebabkan perubahan tegangan yang diukur dengan multitester digital. Hasil kalibrasi load cell dengan timbal ditunjukkan pada tabel 2 yang berpadanan dengan grafik karakteristik yang ditunjukkan pada Gambar 9. Pada kalibrasi
load cell ini dilakukan dengan cara menambahkan
timbal satu per satu sampai dengan beban total sekitar 4 kilogram timbal yang selanjutnya respon tegangannya dicatat (pengukuran naik).
Tabel 2. Kalibrasi Load cell dengan timbal No. Massa Timbal
(g) Tegangan (V) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. - 499.9982 999.9960 1,499.9975 1,999.9970 2,499.9910 2,999.9903 3,499.9886 3,999.9846 0.2033 0.2541 0.3079 0.3607 0.4144 0.4682 0.5219 0.5757 0.6295
Kalibrasi load cell juga dilakukan dengan cara pengukuran turun. Delapan timbal dengan berat sekitar 4 kilogram dimasukkan ke dalam keranjang pembeban. Timbal diambil satu persatu dan respon tegangan yang keluar dari load cell dicatat. Hasil yang diperoleh untuk pengukuran naik dan turun memberikan respon tegangan yang sama. Grafik karakteristik untuk pengukuran naik dan turun seperti pada Gambar 9 di bawah ini:
Gambar 9. Grafik karakteristik kalibrasi load cell
Penempatan timbal dalam keranjang diatur sedemikian sehinggga load cell tersebar merata secara merata (setimbang). Dalam karaktererisasi load cell, telah dilakukan penempatan timbal pada masing-masing keempat sudutnya. Selanjutnya dilakukan pengukuran naik dan turun seperti semula dan respon tegangan diukur. Hasil pengukuran dengan penempatan timbal berkelompok di masing-masing sudutnya memberikan respon tegangan yang sama dengan respon tegangan ketika penempatan timbal
menyebar. Hal ini terjadi karena pembebanan menekan salah satu ujung load cell pada satu titik.
Dari hasil karakterisasi pada load cell, diperoleh persamaan karakteristik V = 0.0001m + 0.2014. Persamaan karakteristik ini menyatakan hubungan antara tegangan dan massa yang selanjutnya akan digunakan untuk antarmuka pada LCD. Dari grafik karakteristik Gambar 9 juga diketahui bahwa load cell telah berunjuk kerja dengan linieritas tinggi dan error histeresis yang sangat rendah. Karakteristik load cell ini dapat digunakan untuk mengukur derajat layu pada pengolahan teh hitam dengan memanfaatkan kehilangan kadar air pada daun teh.
Secara keseluruhan sistem instrumentasi, blok-blok rangkaian elektronis yang terdiri dari blok sensor, power supply, penguat instrumentasi, mikrokontroler dan display telah menunjukkan performa yang baik. Rangkaian catu daya didesain untuk menghasilkan tegangan +5V, +10 V, -10 V dan ground. Penguat instrumentasi klasik dengan menempatkan R1, R2, R3 dan R4 = 10 kΩ, Rg = 1 kΩ, R5 dan R6 = 100 kΩ, mengkonfigurasi besarnya penguatan sekitar 40 kali. Rangkaian mikrokontroler yang mengaplikasikan ATMega8 digunakan untuk mengubah tegangan analog ke digital dan antarmuka pada LCD dan personal komputer.
5. KESIMPULAN
Dari hasil karakteristik dan kalibrasi terhadap sensor massa, load cell tipe CZL601, dapat disimpulkan bahwa:
1. Rangka mekanis dari bahan logam dibuat khas untuk dapat ditempatkan di atas palung pelayuan, pada mana salah satu ujung load cell dibuat dibuat statis dan ujung lainnya digantungkan sebuah keranjang sebagai pembeban.
2. Delapan anak timbangan (timbel), sebagai pembeban kalibrator untuk load cell, dengan V = 0.0001m + 0.2014 R² = 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 2000 4000 6000 T e g a n g a n ( v o lt ) Massa (gram)
berat nominal masing-masing sekitar 500 gram telah dikalibrasi di Laboratorium Massa dan Gaya BPFK Depkes Surabaya untuk mengetahui nilai benarnya di mana kalibrator timbangan dan anak timbangan bersertifikat dan tertelusur.
3. Load cell sebagai sensor massa, penguat instrumentasi, dan perangkat akuisisi bekerja sebagai sebuah sistem instrumentasi pengukuran derajat layu pada pengolahan teh hitam.
4. Load cell dengan desain untuk digunakan sebagai pengukur derajat layu pengolahan teh hitam menunjukkan persamaan karakteristik V = 0.0001m + 0.2014. Unjuk kerja dari load cell sangat baik yang ditandai oleh linieritas yang sangat tinggi dan error histeresis yang sangat rendah.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Saudara Moch. Adi Wardhana yang telah membantu dalam menyiapkan kelengkapan instrumen dan kepada Ibu Betty Rahayu dan Ibu Rikyan di BPFK Surabaya yang menyediakan fasilitas kalibrasi
DAFTAR PUSTAKA
Fraden, Jacob. 2003. Handbook Of Modern
Sensors: Physics, Designs, and
Applications. AIP Press. San Diego.
J.G. Rocha, C. Couto, J.H. Correia. 2000. Smart
load cells: an industrial application. Sensor
and Actuator, ScienceDirect Journal, Elsevier.
Jacek Piskorowski, Tomasz Barcinski. 2008. Dynamic compensation of load cell
response: A time-varying approach.
Mechanical Systems and Signal Processing. ScienceDirect Journal, Elsevier.
Kurniawan, Dayat. 2009. ATMega 8 dan
Aplikasinya. PT Elex Media Komputindo.
Jakarta.
Santoso, Joko., Suprihatini, Rohayati., Abas Tadjudin., Rohdiana, Dadan., Shabri. 2008.
Petunjuk Teknis Pengolahan Teh. Pusat
Penelitian Teh dan Kina (PPTK) Gambung. Bandung.
Sascha Mäuselein, Oliver Mack, Roman Schwartz. 2009. Investigations into the use of single-crystalline silicon as mechanical spring in
load cells. Measurement, ScienceDirect
Journal, Elsevier.
Terrel, David L. 1996. Op-Amps: Design, Application, and Troubleshooting. Elsevier
Science and Technology. Oxford UK.
Tompkins, W.J., Webster, J.G. 1988. Interfacing
Sensor To The IBM PC. Printice Hall.
