OLEH YULIANSYAH BAHARI SIMANJUNTAK NIM:

PEMODELAN SENSITIVITAS SENSOR LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER (LVDT) DENGAN COMSOL MULTIPHYSICS

REPOSITORY

OLEH

YULIANSYAH BAHARI SIMANJUNTAK NIM: 1703113265

PROGRAM STUDI S-1 FISIKA JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU

2021

1 Pemodelan Sensitivitas Sensor Linear Variable Differential Transformer (LVDT) dengan

COMSOL Multiphysics

Yuliansyah Bahari Simanjuntak*, Lazuardi Umar Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Bina Widya Pekanbaru, 28293, Indonesia

* yuliansyah.bahari3412@student.unri.ac.id ABSTRACT

Linear Variable Differential Transformer (LVDT) sensor is a position sensor that is widely used in the industrial field as a control system because it has a high level of accuracy, precision, excitation and has a sensitivity value of 61.8 mV/mm. In this study the sensitivity value can be increased by strengthening the output signal of the LVDT sensor. COMSOL Multiphysics software is used to simulate LVDT sensors with cores using Iron, Supermendur and Vitrovac materials. Coils also vary from 100, 1,000, and 10,000 coils. The simulation results showed variations in materials with high permeability had larger magnetic fields, and the addition of the number of coils also affected the magnetic field. The magnetic field relationship is directly proportional to the output signal, so a large magnetic field can increase the sensitivity value.

Keywords : Position sensor, LVDT, sensitivity, COMSOL

ABSTRAK

Sensor Linear Variable Differential Transformer (LVDT) merupakan sensor posisi yang banyak digunakan dalam bidang industri sebagai sistem kontrol karena memiliki tingkat akurasi, presisi, eksitasi yang tinggi dan memiliki nilai sensitivitas sebesar 61.8 mV/mm. Pada penelitian ini nilai sensitivitas dapat ditingkatkan dengan memperkuat sinyal keluaran dari sensor LVDT.

Software COMSOL Multiphysics digunakan untuk mensimulasikan sensor LVDT dengan core menggunakan material Iron, Supermendur dan Vitrovac. Lilitan pada kumparan juga divariasikan dari 100, 1.000, dan 10.000 lilitan. Hasil simulasi menunjukkan variasi material dengan permeabilitas tinggi memiliki medan magnet yang lebih besar, dan penambahan jumlah lilitan pada kumparan juga mempengaruhi medan magnetik. Hubungan medan magnetik berbanding lurus dengan sinyal keluaran, sehingga medan magnetik yang besar dapat meningkatkan nilai sensitivitas.

Kata Kunci : Sensor posisi, LVDT, sensitivitas, COMSOL

2 PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi yang semakin pesat dalam berbagai aspek kehidupan, telah banyak mempermudah aktivitas manusia dalam hal pekerjaan, seperti halnya pada bidang industri yang memerlukan akses pengukuran yang berkualitas dan memiliki tingkat akurasi dan presisi yang tinggi untuk proses kontrol (Putu et al., 2015). Berbagai cara telah dikembangkan untuk mendapatkan akses tersebut, salah satunya yaitu dengan menggunakan sebuah sensor Linear Variable Differential Transformer atau biasa disebut LVDT.

Sensor LVDT merupakan sebuah transduser induktif pengatur linear yang banyak digunakan dalam sebuah sistem instrumentasi dan pengukuran. Sensor ini menawarkan banyak keuntungan seperti pengindraan tanpa kontak, pengukuran tanpa gesekan, masa pakai mekanis tak terbatas, resolusi tinggi, linearitas tinggi, daya tahan terhadap lingkungan yang keras dan tidak mengalami masalah keausan karena memiliki tingkat presisi yang tinggi (Nabavi et al., 2018).

Gambar 1. Komponen dari sensor LVDT Sensor LVDT terdiri dari 1 kumparan primer dan 2 kumparan sekunder yang dililitkan segaris pada silinder isolator berlubang yang didalamnya terdapat core besi yang dapat digerakkan. Prinsip kerja dari sensor LVDT hampir sama dengan transformator. Sinyal eksitasi Vex = Vx sin ωt diterapkan pada kumparan primer, maka sinyal eksitasi pada 2 kumparan sekunder vS1

dan vS2 dapat dinyatakan pada persamaan berikut.



sin( )



)

1 (

1 x null S

S kV l l t

v     (1)



^{sin( )}



)

1 (

2 x null S

S kV l l t

v     (2)

Koefisien Vx adalah puncak amplitudo dari sinyal eksitasi Vex , k1 adalah sensitivitas dari sensor LVDT, lnull dan l adalah posisi null dan posisi core dari LVDT, φs adalah pergeseran fasa antara kumparan primer dan kumparan sekunder (Petchmaneelumka et al., 2017).

Sensitivitas yang dimiliki sensor LVDT relative kecil yaitu 61.8 mV/mm. Nilai sensitivitas ini dapat ditingkatkan dengan menambahkan kumparan pada sensor LVDT dan juga dengan menggunakan bahan yang memiliki permeabilitas tinggi seperti permalloy, ferrit permeabilitas tinggi, atau menggunakan bahan campuran logam amorf (Szewczyk & Bieńkowski, 2004). Penelitian ini menggunakan software COMSOL Multiphysics untuk mensimulasikan garis gaya yang dihasilkan dari sensor LVDT dengan memvariasikan jumlah kumparan dan bahan material yang digunakan untuk core LVDT.

METODE PENELITIAN

COMSOL Multiphysics merupakan sebuah software analisis elemen hingga lintas platform, pemecah dan simulasi multifisika.

COMSOL multiphysics juga merupakan sebuah software simulasi yang bertujuan untuk memodelkan desain, perangkat, dan proses disemua bidang teknik, manufaktur, dan penelitian ilmiah. COMSOL multiphysics menyediakan berbagai macam physics interface dan dimensi dari 0D sampai 3D.

COMSOL multiphysics ini dapat digunakan secara efektif untuk membuat simulasi garis gaya yang dihasilkan dari sensor LVDT. Sensor LVDT bekerja dengan menggunakan prinsip dari hukum faraday dan hukum amper yang ditunjukkan pada persamaan (3) dan (4).

dt N d

V ^B



 (3)

3 l

I n

H  . (4)

Jika kedua kumparan digabungkan, maka tegangan induksi pada kumparan sekunder (vs) sebanding dengan tegangan induksi pada kumparan primer (vp) .

p s p s

N N

vv  (5)

Physiscs interface yang digunakan untuk membuat garis gaya pada LVDT adalah magnetic field interface dengan kurva B-H non-linear yang mencakup efek saturasi digunakan untuk mensimulasikan prilaku magnetis dari core LVDT. Magnetic field interface digunakan untuk menghitung medan magnet dan distribusi arus induksi didalam dan sekitar kumparan, konduktor dan magnet (Sarkar, 2013). COMSOL multiphysics memiliki klasifikasi medan elektromagnetik, salah satunya magnetostatics. Magnetostatics jenis analisis ini digunakan untuk menganalisis medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik searah, magnet permanen atau medan magnet terapan dengan persamaan.

dy J A d y dx

A d

x ²₂  1 ²₂  1



 ⁽⁶⁾

Analisis ini digunakan untuk menghitung parameter seperti fluks magnet, induktansi diri dan timbal balik, gaya, torsi dan sebagainya (Kulkarni, 2011).

Geometri eksperimen dibuat dalam bentuk beberapa silinder yang menyesuaikan dari bentuk sensor LVDT. Gambar 2a menampilkan geometri dari sensor LVDT yang dimasukkan ke dalam sebuah kotak udara. Kemudian bagian magnetic field digunakan untuk memberikan parameter fisis dan persamaan yang digunakan dalam komputasi pada masing-masing bagian sensor LVDT. Gambar 2b menunjukkan bagian magnetic field yang digunakan pada geometri sensor LVDT.

(a)

(b)

Gambar 2. (a) Geometri dari sensor LVDT dan (b) jenis magnetic field yang digunakan

Setiap bagian yang telah dibuat harus diberikan parameter berupa jenis material penyusun yang akan mewakili dari keadaan sebenarnya. Material yang digunakan dapat ditambahkan pada menu add material yang kemudian akan dimasukkan pada model builder material. Jenis material yang digunakan adalah udara, besi, stanless steel, tembaga, dan bahan soft magnetic.

4 Gambar 3. Jenis material yang digunakan HASIL DAN PEMBAHASAN

Penelitian ini menggunakan software COMSOL untuk memodelkan garis gaya yang dihasilkan dari sensor LVDT. Properti material core yang digunakan dalam simulasi ini, yaitu bahan Iron, Supermendur dan Vitrovac dengan variasi kumparan sebanyak 100, 1.000 dan 10.000 lilitan. Modul yang digunakan untuk memodelkan LVDT yaitu modul AC-DC yang didalamnya terdapat magnetic fields untuk diaplikasikan kedalam model LVDT.

Gambar 4. Desain simulasi LVDT Gambar 4 menunjukkan desain sensor LVDT yang akan digunakan dalam menjalankan simulasi. Bahan yang digunakan dalam simulasi ini disesuaikan dengan bahan sebenarnya. Parameter yang digunakan untuk mensimulasikan sensor LVDT ini dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Parameter penyusun model LVDT

Parameter Value

Panjang lilitan koil 17.7 mm

Panjang core 37 mm

Jarak antar coil 2 mm

Tegangan input 5 V

Frekuensi 5 kHz

Gambar 5 menunjukkan hasil simulasi garis medan gaya yang dihasilkan oleh sensor LVDT dengan jumlah kumparan 100 lilitan.

Berdasarkan gambar 5 dapat dilihat bahwa garis gaya yang dihasilkan oleh LVDT dengan core yang dilapisi bahan soft magnetic Vitrovac lebih luas dan memiliki kuat medan magnet yang lebih besar dari pada core yang dilapisi bahan Iron dan Supermendur.

(a)

(b)

(c)

Gambar 5. Hasil simulasi dengan kumparan 100 lilitan pada material (a) Iron (b) Supermendur dan (c) Vitrovac Berdasarkan Gambar 5 dapat dilihat bahwa garis gaya dan medan magnet yang dihasilkan bahan Vitrovac lebih banyak dibandingkan material lainnya.

Tabel 2. Hasil simulasi permeabilitas

Material Permeabilitas (µr)

Medan Magnet (B) Iron 5000 H/m 5.81 × 10^-3 T Supermendur 60.000 H/m 4 × 10^-2 T Vitrovac 100.000 H/m 9 × 10^-2 T

5 Tabel 2 menunjukkan bahwa material

Vitrovac memiliki nilai permeabilitas relative paling besar yaitu 10⁵ H/m dibandingkan dengan material Iron dan Supermendur sebesar 5000 H/m dan 6×10⁴ H/m (Yañez- Valdez et al., 2012). Berdasarkan hal tersebut nilai permeabilitas yang lebih besar dari suatu material menyebabkan medan magnetiknya juga semakin besar, sehingga dapat mempengaruhi nilai sensitivitas dari sensor LVDT. Penambahan jumlah kumparan juga mempengaruhi medan magnetik dari sensor LVDT. Gambar 6 menunjukkan hasil simulasi garis gaya pada material Vitrovac dengan jumlah kumparan 100, 1.000 dan 10.000 lilitan.

(a)

(b)

(c)

Gambar 6. Hasil simulasi Vitrovac dengan jumlah lilitan (a) 100, (b) 1.000 dan (c) 10.000

Jumlah lilitan (N)

Medan magnet (B)

100 0.09 T

1000 0.92 T

10000 9.15 T

Berdasarkan Gambar 6 dapat dilihat bahwa penambahan jumlah kumparan mempengaruhi besaran medan magnetik dari suatu material. Semakin banyak jumlah lilitan dalam sebuah kumparan, maka medan magnet yang dihasilkan juga semakin besar (Salomo et al., 2016).Hal ini juga dapat mempengaruhi nilai sensitivitas dari sensor LVDT. Besarnya medan magnetik berbanding lurus dengan sinyal keluaran, dimana nilai sensitivitas dapat ditingkatkan dengan memperkuat sinyal keluaran (Choi et al., 2000).

KESIMPULAN

Simulasi pengukuran menggunakan software COMSOL Multiphysics telak dilakukan untuk melihat garis gaya yang dihasilkan oleh sensor LVDT. Hasil yang diperoleh dari simulasi menunjukkan bahwa permeabilitas relative dari suatu material dan jumlah lilitan pada kumparan mempengaruhi besaran medan magnetik dari sensor LVDT.

Hubungan medan magnetik berbanding lurus dengan sinyal keluaran, dimana nilai sensitivitas dapat ditingkatkan dengan memperkuat sinyal keluaran dari sensor LVDT.

DAFTAR PUSTAKA

Choi, D. june, Rim, C.T., Kim, S. & Kwak, Y.K. 2000. High sensitivity inductive sensing system for position measurement. Conference Record - IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2: 595–599.

Kulkarni, P.S. V 2011. Electromagnetic and

6 Coupled Field Computations : A

Perspective.

Nabavi, M.R., Chaturvedi, V., Vogel, J.G. &

Nihtianov, S. 2018. Integrated inductive displacement sensors for harsh industrial environments. Smart Sensors and MEMS: Intelligent Sensing Devices and Microsystems for Industrial Applications: Second Edition. Elsevier Ltd.

Petchmaneelumka, W., Songsuwankit, K. &

Riewruja, V. 2017. Simple LVDT signal to DC converter. ACM International Conference Proceeding Series, Part F1278: 193–197.

Putu, N., Septia, W. & Singgih, M.L. 2015.

Meningkatkan Akurasi Dan Presisi Measurement System Analysis Dengan Pendekatan Process Oriented Basis Representation ( Studi Kasus : Pt . Xyz ).

1–11.

Salomo, Erwin & Ardiyani, G. 2016.

Perubahan Kuat Medan Magnet Sebagai Fungsi Jumlah Lilitan pada Kumparan Helmholtz. Jurnal Komunikasi Fisika Indonesia (KFI), (April): 814–819.

Sarkar, N.K. 2013. Finite Element Modeling of Linear Variable Differential Transformer. Faculty of Engineering and Technology.

Szewczyk, R. & Bieńkowski, A. 2004. Stress dependence of sensitivity of fluxgate sensor. Sensors and Actuators, A:

Physical, 110(1–3): 232–235.

Yañez-Valdez, R., Alva-Gallegos, R., Caballero-Ruiz, A. & Ruiz-Huerta, L.

2012. Selection of soft magnetic core materials used on an LVDT prototype.

Journal of Applied Research and Technology, 10(2): 195–205.