RANCANG BANGUN LOAD CELL PENGUKUR MASSA
BENDA DENGAN MENGGUNAKAN USER INTERFACE
LABVIEW
Mohamad Rif’an Azis*, Ihsan Saputra, S.T., M.T.
Batam Polytechnics
Mechanical Engineering Study Program
Jl. Ahmad Yani, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia
E-mail: [email protected]
Abstrak
Teknologi diciptakan untuk membantu pekerjaan manusia agar lebih mudah, cepat, tepat, dan efisien. Contoh penerapan teknologi yaitu dalam pengembangan alat ukur. Alat ukur digunakan untuk mengetahui besaran, dimensi, dan kapasitas dalam proses pengukuran. Salah satu alat ukur yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari yaitu alat pengukur massa benda atau biasa disebut timbangan. Kebanyakan dari alat pengukur massa menggunakan load cell sebagai pendeteksi beban. Dengan memanfaatkan sensor strain gauge dalam konfigurasi sambungan jembatan penyeimbang, load cell dapat mengukur massa beban dengan ketelitian cukup tinggi. Tujuan rancang bangun alat ini yaitu untuk membuat load cell sebagai alat pengukur massa dengan konsep digitalisasi hasil. Konsep ini bertujuan untuk mempermudah pengguna dalam pembacaan hasil dan mencegah human error. Digitalisasi hasil memanfaatkan software labview untuk user interface penampil data. Dengan menggunakan material carbon steel beban minimal yang dapat diberikan sebesar 25 gram dan maksimal sebesar 2500 gram. Dengan pembebanan tersebut didapatkan rata-rata hasil error sebesar 1.3%.
Kata kunci: Load Cell, Strain Gauge, Alat Pengukur Massa, Labview
Abstract
Technology was created to help human work to be easier, faster, more precise, and efficient. One example of the application of technology are in developing of measuring instruments. The measuring instrument is used to determine the magnitude, dimensions, and capacity in the measurement process. One of the measuring instruments that are often used in everyday life is a mass measuring instrument commonly called a scale. Most of the mass measuring devices use load cell as a load detector. By utilizing a strain gauge sensor in a balancing bridge connection configuration, load cell can measure load mass with high accuracy. The purpose of designing this tool is to make a load cell as a mass measuring device with the concept of digitizing. This concept aims to facilitate the user in reading the results and preventing human error. Digitizing the results utilizes Labview software for the data viewer user interface. By using carbon steel material, minimum load that can be given is 25 grams and maximum load is 2500 grams. based on the loading obtained an average error of 1.3%.
Keywords : Load Cell, Strain Gauge, Mass Measuring Instrument, Labview
1
Pendahuluan
Pada dasarnya teknologi diciptakan untuk membantu pekerjaan manusia agar lebih mudah, cepat, tepat, dan efisien. Maka dari itu penerapan teknologi dibutuhkan di dalam semua bidang. Salah satu penerapan teknologi yaitu dalam bidang pengukuran. Pengukuran merupakan perbandingan secara kuantitatif suatu standar yang telah ditentukan sebelumnya dengan suatu besaran yang tidak diketahui. Pengukuran digunakan untuk menentukan besaran, dimensi, dan kapasitas. Pengukuran juga dapat diartikan sebagai pemberian angka terhadap
suatu material yang aturan dan formulasinya telah jelas dan disepakati [1]. Umumnya, di dalam sebuah pengukuran dibutuhkan instrumen sebagai cara untuk menentukan suatu besaran. Instrumen tersebut membantu meningkatan keterampilan manusia dan dapat menentukan nilai suatu besaran yang tidak diketahui. Sistem instrumen terdiri dari sejumlah komponen yang secara bersama-sama digunakan untuk melakukan suatu pengukuran dan mencatat hasilnya. Sebuah sistem instrumentasi umumnya terdiri dari tiga elemen utama, yaitu: peralatan masukan, pengkondisi sinyal (signal conditioning) atau peralatan pengolah, dan peralatan keluaran (out-put) [2].
Seiring berkembangnya teknologi instrumentasi pada alat ukur menyebabkan perkembangan alat ukur lebih efisien dan optimal, dari yang sebelumnya alat ukur analog atau manual menjadi digital. Hal ini bertujuan untuk meminimalisir human error pada saat penggunaan alat ukur. Salah satu alat ukur yang mengalami digitalisasi yaitu alat ukur penghitung massa. Alat penghitung massa bisa juga disebut timbangan. Dengan digitalisasi pada alat penghitung massa maka dapat mempermudah pembacaan data dan menggantikan timbangan mekanik analog yang masih menggunakan perhitungan secara manual [3].
Tujuan pengembangan teknologi instrumentasi dari alat ukur analog ke digital dilakukan untuk mendapatkan hasil ketelitian yang akurat dan untuk mempermudah pembacaan hasil. Untuk mendapatkan hasil tersebut dibutuhkan load cell sebagai alat bantu. Load cell merupakan alat penghitung beban dengan ketelitian tinggi. Prinsip kerja load cell yaitu mengubah deformasi tekanan menjadi sinyal listrik yang sebanding. Load cell memanfaatkan sensor strain gauge untuk mengubah pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan. Strain gauge merupakan transducer pasif yang berbentuk seperti seperti biskuit tipis (wafer), yang dapat disatukan (bonded) ke load cell [4]. Load cell digunakan hampir disemua sektor industri, mulai dari industri automotive, aerospace, medical, dan manufacturing. Contoh pengaplikasian di bidang manufacturing yaitu untuk automation container filling [5], di mana load cell digunakan untuk alat bantu dalam proses pengemasan suatu produk. Pada proses tersebut load cell digunakan untuk menghitung suatu produk agar mempunyai berat yang sama. Berdasarkan kapasitasnya load cell di bagi menjadi 3 yaitu: low capacity load dengan beban sebesar (25 gram – 150 pounds), mid range capacity (200 pounds – 20.000 pounds), high capacity (25.000 pounds – 1 million pounds). Untuk load cell dalam pengujian termasuk kategori low capacity load. Berdasarkan arah pembebanan load cell dalam pengujian menggunakan pembebanan bending.
Hasil keluaran dari pembebanan pada load cell harus dapat dibaca dengan benar. Penunjukan hasil akhir berupa massa benda harus sebanding dengan besaran pembebanan yang diberikan. Untuk mempermudah pembacaan digunakan software labview sebagai penunjukkan hasil akhir. Dengan software ini keluaran dari load cell dapat diolah dan dikontrol dengan benar. Labview merupakan singkatan dari (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) [6]. Software ini digunakan khusus untuk pemrosesan dan visualisasi dalam bidang akuisisi data, kendali dan instrumentasi, serta otomasi.
Tujuan dari penelitian ini yaitu untuk membuat alat berupa rancang bangun load cell pengukur massa. Kemudian membuat visualisasi hasil akhir berupa penunjukan massa benda menggunakan user interface pada labview. Hasil pengukuran massa benda yang
didapatkan pada pengukuran nantinya digunakan untuk perbandingan dengan massa sebenarnya. Hasil persentase perbandingan dijadikan sebagai tolak ukur keberhasilan alat ukur. Diharapkan rancang bangun alat ini dapat membaca hasil dengan tingkat error sebesar ±5%. Dalam penulisan ini tidak membahas lebih lanjut mengenai sistem penguat sinyal dan perhitungan secara mendalam.
2
Metodologi Penelitian
Pengukuran menggunakan konsep pengukuran langsung, dimana hasil pengukuran dapat langsung terbaca menggunakan alat ukur. Proses awal dimulai dari perancangan, selanjutnya masuk ke pengujian alat ukur, kemudian tahap akhir berupa analisa dan kesimpulan. Tahapan proses berupa diagram alur dapat dilihat pada Gambar 1 berikut.
Gambar 1: Diagram Alur Metodologi Penelitian Mulai
Pemilihan Material Load Cell
Penentuan Beban Maksimum Load Cell
Design Stand Pembuatan Stand
Pemasangan Strain Gauge
Strain Gauge Berfungsi Analisa Kesimpulan Selesai Tidak Ya
2.1 Design Stand Load Cell
Untuk mempermudah proses pengambilan data dibutuhkan stand penjepit untuk menjepit salah satu ujung sisi load cell. Pembuatan design bertujuan untuk mengetahui bentuk dan detail dimensi alat sebelum proses machining. Design dibuat menggunakan software Solidworks. Design assembly terdiri dari 6 bagian part. Gambar assembly dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2 : Assembly Stand Load Cell 2.2 Proses Pembuatan Stand Load Cell
Setelah detail drawing tahap selanjutnya yaitu proses machining stand load cell. Dengan acuan ukuran pada detail drawing diharapkan proses machining dapat lebih mudah dan susuai dengan dimensi yang tertera pada detail drawing. Material yang digunakan untuk membuat stand yaitu aluminium. Material ini dipilih agar stand lebih ringan dan mudah saat proses machining.
Proses machining menggunakan mesin CNC milling agar hasil yang di dapatkan presisi. Design yang sudah dibuat menggunakan solidworks di masukan ke mastercam dengan format file xt. Keluaran dari Mastercam berupa G-code dengan parameter yang sudah ditentukan. G-code akan di transfer ke mesin untuk proses eksekusi program. Sebelum program dijalankan pastikan benda kerja sudah terpasang erat pada ragum mesin. Setting titik nol dan jalankan program pada mesin. Gambar proses pembuatan dapat dilihat pada gambar 3 berikut.
(a)
(b)
Gambar 3: (a) Simulasi G-code; (b) Proses Pemesinan 2.3 Pemilihan Material Load Cell
Jenis material pada load cell akan menentukan berapa beban maksimum yang dapat diberikan pada load cell. Semakin tinggi nilai Modulus young pada material yang digunakan, maka semakin besar beban yang dapat diterima oleh load cell. Material Carbon steel dipilih untuk membuat load cell. Dengan spesifikasi material yang dirasa cukup, material tersebut mampu menahan beban yang sudah ditentukan. Spesifikasi material carbon steel dapat dilihat pada Table 1.
Tabel 1: Spesifikasi Material Carbon Steel
Material Young Modulus (MPa) Yield Strengh (MPa) Mass Density (Kg/m³) Tensile Strengh (MPa) Carbon Steel 210000 220 7800 399
2.4 Penentuan Beban Maksimum
Setelah material diketahui tahap selanjutnya yaitu penentuan beban maksimum. Tahapan ini dilakukan untuk menentukan batasan maksimum beban yang mampu diterima load cell. Dengan mengetahui spesifikasi material yang terdapat pada Tabel 1 dan dimensi material load cell 300x45x2.2 (mm), maka analisa beban maksimum dapat dicari menggunakan Solidworks simulation. Pembebanan yang diberikan
terhadap material uji tidak boleh melebihi batas elastisitas material. Dengan syarat Yield Strength reaksi tidak boleh melebihi Yield Strength material. Factor of safety minimum yang diporoleh harus di atas satu. Hal tersebut dilakukan untuk menghindari kerusakan grid foil dari strain gauge. Penentuan beban maksimum dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Penentuan Beban Maksimum Material Yield Strenght material (Mpa) Yield strength reaction (Mpa) Factor Safety Max. load (Newton) Carbon Steel 220 199 1.1 25
Dari Tabel 2 didapatkan maksimal beban yang dapat diberikan pada load cell sebesar 25 newton atau 2.5 kg. 2.5 Pemasangan Strain Gauge dan Spesifikasinya
Setelah penentuan jenis material yang digunakan pada load cell, dan penentuan beban maksimum, tahapan selanjutnya yaitu menentukan jenis strain gauge dan cara pemasangan nya. Pada pengujian kali ini digunakan sensor strain gauge tipe BF 3503 AA metal foil strain gauge. Tipe strain gauge ini memiliki dua elemen tahanan yang berbeda sehingga dapat digunakan untuk mengukur gaya tekan dan gaya tarik. Sama seperti jenis sensor pada umumnya yang berfungsi untuk mengukur, menghitung, dan menganalisa suatu kondisi kemudian merespon terhadap perubahan sekitar. Spesifikasi strain gauge dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Spesifikasi Strain Gauge
Spesifikasi Nilai Type BF 3503 AA Resistance 350 Ω Gauge Factor 2,1 Temperature Range -25°C-80°C Strain Limit 2,0 %
Metal Foil Alloy
Strain gauge memiliki konstanta sensitivitas yang disebut gauge factor. Nilai dari gauge factor merupakan perbandingan antara perubahan hambatan yang terjadi pada strain gauge dengan regangan yang terjadi pada benda. Persamaan gauge factor dapat di lihat pada persamaan 1.
𝐺𝑓= ∆𝑅 𝑅 ⁄ ∆𝐿 𝐿 ⁄ 𝑎𝑡𝑎𝑢 ∆𝑅 𝑅 ⁄ 𝜀 (1) Strain gauge terdiri dari beberapa bagian penyusun. Untuk mengetahui bagian-bagian penyusun
dari strain gauge, dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 4 : Bagian – Bagian Strain Gauge Untuk mendapatkan hasil yang akurat strain gauge harus direkatkan di area yang mempunyai tegangan maksimum terhadap load cell pada saat pembebanan. Tegangan maksimum pembebanan dapat dicari menggunakan solidworks simulation. Strain gauge harus merekat erat pada load cell. Hal ini bertujuan agar regangan yang dialami load cell pada saat pembebanan berbanding lurus dengan beda hambatan yang keluar dari strain gauge. Untuk merekatkan strain gauge pada load cell dibutuhkan lem adhesive. Gambar dimensi penempatan strain gauge dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5 : Dimensi Penempatan Strain Gauge 2.6 Pengujian
Tahap pengujian dilakukan setelah strain gauge sudah direkatkan pada load cell. Alur proses pengujian dapat di lihat pada Gambar 6.
Load cell dijepit pada bagian ujung salah satu sisi nya. Kemudian beban di berikan pada ujung sisi yang lain. Strain gauge akan bereaksi setelah pembebanan diberikan pada load cell. Keluaran dari strain gauge berupa beda hambatan. Untuk dapat diproses ke tahap selanjutnya nilai beda hambatan harus dikonversi ke dalam nilai beda tegangan. Permasalahan sering timbul dikarenakan nilai beda hambatan yang keluar dari strain gauge sangat kecil. Dibutuhkan rangkaian elektrikal dengan sensitifitas pembacaan yang tinggi untuk dapat membaca perubahan hambatan pada strain gauge. Rangkaian yang dapat digunakan yaitu rangkaian jembatan wheatstone. Rangkain ini dapat membaca dan merubah keluaran dari strain gauge menjadi beda tegangan. Jembatan wheatstone memanfaatkan keseimbangan rangkaian resistor dalam pembacaan. Gambar jembatan wheatstone dapat di lihat pada Gambar 7.
Gambar 7: Jembatan Wheatstone
Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang tepat dan meminimalisir error, maka digunakan empat buah strain gauge aktif dalam jembatan wheatstone. Cara ini lebih efektif dari pada menggunakan rangkaian penyeimbang resistor. Strain gauge dikatakan seimbang apabila R1 = R2 = R3 = R4 = R atau R1 x R3 = R2 x R4 = 0. Dalam keadaan setimbang voltage keluaran strain gauge = 0. Untuk mengetahui nilai beda tegangan dari strain gauge dapat dihitung menggunakan persamaan 2.
𝐸𝑜 = 𝛥𝑅
4𝑅 + 2𝛥𝑅𝐸𝑖 (2) Keterangan :
EO = Tegangan Keluar (mVolt) Ei = Tegangan Masuk (mVolt)
𝛥 R = Perubahan Hambatan Strain Gauge (Ω) R = Hambatan Awal Strain Gauge (Ω)
Nilai beda tegangan yang keluar dari jembatan wheatstone belum cukup besar untuk dibaca oleh data acquisition. Dibutuhkan penguat sinyal (amplifier) yang dapat memperbesar nilai beda tegangan tersebut. Dalam pengujian digunakan penguat sinyal SCC-SG04. Amplifier tersebut mampu menguatkan sebesar 100 kali dalam satuan data.
Keluaran sinyal yang sudah dikuatkan dari amplifier SCC-SG04 kemudian masuk ke connector block signal conditioning. Dalam pengujian ini signal conditioning berfungsi mengkonversi sinyal ke dalam bentuk yang cocok agar dapat dibaca oleh data acquisition. Setelah data acquisition menerima sinyal tahap selanjutnya yaitu merubah sinyal analog yang dikirim dari signal conditioning menjadi sinyal digital. Cara ini biasa disebut proses ADC (Analog to Digital Converter). Hasil keluaran harus dapat diolah dan dikontrol dengan benar. Software bantu yang di butuhkan dalam pembacaan hasil pengujian yaitu labview software. Labview merupakan singkatan dari Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench. Software ini digunakan khusus untuk pemprosesan dan visualisasi dalam bidang akuisisi data, kendali dan instrumentasi, serta otomasi industri. Pembuatan progam labview mudah di pahami karena tampilan berbentuk grafis yang menunjukan aliran data seperti flow chart. Digital Signal yang dikirim dari data acquisition akan diolah oleh labview yang nanti akan di tampilkan dalam bentuk data final berupa massa benda pembebanan.
3
Analisa Data dan Pembahasan
Pemberian beban pada load cell dilakukan berulang kali dengan besar pembebanan yang seragam. Untuk mendapatkan hasil yang akurat maka dilakukan pengukuran hasil sebanyak 3 kali dengan jumlah beban yang sama. Kemudian dari 3 percobaan tersebut dicari nilai rata-rata yang kemudian dijadikan nilai keluaran dari load cell. Pengujian dilakukan untuk mendapatkan hasil beda tegangan pada load cell setelah pembebanan. Kemudian hasil beda tegangan di konversi menjadi massa. Set up pengujian dapat dilihat pada gambar 8 berikut.Gambar 8: Set up Pengujian Keterangan :
1. Load cell 4. Cable Connector 2. CPU & DAQ 5. Beban Uji 3. SCC-SG04 & Connector Block
Data hasil pengujian pada load cell ditunjukan pada tabel 4.
Tabel 4: Keluaran Load Cell
Beban Tegangan ( mV ) Rata-Rata
(gram) Uji 1 Uji 2 Uji 3 (mV )
0 0 0 0 0 25 0.14 0.13 0.12 0.13 157 0.80 0.82 0.85 0.82 305 1.80 1.70 1.70 1.73 609 3.59 3.58 3.63 3.60 914 5.47 5.45 5.47 5.46 1219 7.47 7.46 7.3 7.41 1619 9.95 9.80 9.70 9.82 1867 11.30 11.40 11.27 11.32 2124 13.10 13.20 13.10 13.13 2505 15.70 15.60 15.50 15.60
Data yang didapatkan dari Tabel 4 kemudian dijadikan referensi untuk membuat grafik linier pembebanan dan tegangan keluar pada load cell. Grafik linier dapat dilihat pada gambar 9.
Gambar 9: Grafik Linier Beban & Tegangan Grafik pada gambar 9 menunjukkan bahwa dengan bertambahnya beban yang diberikan pada load cell maka nilai tegangan akan semakin naik. Maka dapat disimpulkan bahwa hubungan antara pembebanan berbanding lurus dengan perubahan tegangan pada load cell. Grafik perbandingan beban dan tegangan mengikuti persamaan y = 161.03x + 20.697 dimana y merupakan variable dependen atau nilai yang diprediksikan berupa massa benda pada bembebanan (gram). Sedangkan x merupakan variable independen berupa tegangan keluar (mV). Besar konfiden yang didapatkan yaitu R2 = 0.9995 nilai
tersebut merupakan angka keyakinan terhadap persamaan tersebut. Persamaan y = 161.03x + 20.697 akan dimasukan ke dalam program labview untuk data
kalibrasi load cell. Pemrogaman labview berupa block diagram dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10: Block Diagram Labview
Hasil pembebanan berupa massa benda dapat diketahui dengan memanfaatkan program di atas. Kemudian untuk mempermudah pembacaan hasil digunakan user interface pada front panel indicator labview. Dengan tampilan tersebut pembacaan hasil lebih mudah dan mencegah human error. Tampilan front panel indicator pembaca hasil pada labview dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11: Front Panel Indicator Labview Setelah hasil massa pembebanan dapat diketahui, tahap terakhir yaitu menghitung tingkat keakuratan alat ukur. Pembebanan diberikan berulang kali dengan jumlah beban yang berbeda. Berat beban yang diberikan sudah diketahui sebelumnya. Hasil massa yang diperoleh pada pengujian digunakan untuk perbandingan dengan massa aktual benda. Untuk
mengetahui persentase keberhasilan pembacaan alat ukur digunakan persamaan 3 berikut :
%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = (𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑛𝑦𝑎𝑡𝑎 − 𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑢𝑘𝑢𝑟
𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑛𝑦𝑎𝑡𝑎 ) 𝑥100% (3)
Hasil persentase error alat ukur dapat dilihat pada tabel 5.
Tabel 5: Hasil Persentase Error Beban
Nyata
Beban Ukur (gram) Rata-Rata Error
(gram) Uji 1 Uji 2 Uji 3 (gram) %
6.8 * 5.7 5.8 5.2 5.6 18% 13.6 * 12.6 12.2 12.7 12.5 8% 25 27 24 26 25.67 3% 46 44 43 47 44.67 4% 157 154 155 156 155.00 1% 196 190 189 192 190.33 3% 257 259 258 260 259.00 1% 305 308 310 312 310.00 2% 482 495 494 496 495.00 3% 563 551 553 555 553.00 2% 609 606 610 605 607.00 0.3% 914 903 905 901 903.00 1% 1090 1088 1087 1086 1087.00 0.3% 1219 1204 1207 1206 1205.67 1% 1462 1450 1449 1449 1449.33 1% 1619 1609 1607 1605 1607.00 1% 1867 1858 1857 1860 1858.33 0.5% 2124 2118 2120 2119 2119.00 0.2% 2310 2301 2297 2302 2300.00 0.4% 2505 2512 2510 2509 2510.33 0.2% Rata – Rata % error 1.3% (*) : beban error melebihi 5%
Dikarenakan hasil error harus ±5%, maka beban minimum yang dapat dibaca oleh load cell sebesar 25 gram. Sedangkan beban maksimum yang dapat diterima oleh load cell sebesar 2500 gram. Pemberian beban maksimum tersebut mempertimbangkan agar grid foil pada strain gauge tidak mengalami kerusakan.
4. Kesimpulan
Dari semua tahapan yang sudah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:
1. Jenis material yang dipilih untuk membuat load cell dapat menentukan berapa beban maksimum yang dapat diberikan pada load cell.
2. Dengan penetapan error sebesar ±5%, maka alat ukur dapat mengukur massa benda minimum sebesar 25 gram dan maksimal sebesar 2500 gram.
3. Pada bembebanan 25-2500 gram alat ukur dapat membaca hasil dengan error dibawah ±5% dan rata-rata error sebesar 1.3%.
5. Daftar Pustaka
[1] Poerwanto dan Hidayati, Juliza.2013. Instrumentasi & Alat Ukur. Jakarta : Graha Ilmu. [2] William David Cooper.1999. Instrumentasi
Elektronik dan Teknik Pengukuran. Jakarta : Erlangga.
[3] Limasari, Leny.2009. Rancang Bangun Pengukur Massa Menggunakan Loadcell Berbasis Mikrokontroler AT89S51. Semarang : Universitas Diponegoro.
[4] Permatasari, Vita dan Habiburrahman, Irfan. 2011. Pengukuran Regangan (Strain Gauge). Malang : Universitas Brawijaya.
[5] Futek. 2018. Load Cell Aplications. Diakses tanggal : 25 Maret 2019.
[6] Artanto, Dian. 2012. Interaksi Arduino dan Labview. Jakarta : Elex Media Komputindo.
