11 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1Inovasi
Viskometer
Bola
Jatuh
Berbasis
Mikrokontroler Arduino Arduini Mega 2560 Dengan
Optimasi Parallax Data Acquisition (Plx Daq)
Hartono
1, YB Praharto
21,2,3 Program Studi Teknik Elektro, STT Wiworotomo Purwokerto
Jln. Semingkir No. 1 Purwokerto 53132 Indonesia
Email : 1hartono.fahmi@gmail.com, 2ybpra06@gmail.com
Abstrak
Viskositas fluida adalah gesekan yang ditimbul oleh fluida yang bergerak, atau benda padat yang bergerak di dalam fluida. Semakin besar viskositas zat cair, maka semakin sulit benda padat bergerak didalam zat cair tersebut. Pengukuran viskositas umunya menggunakan metode bola jatuh, dalam praktikum fisika pada percobaan tentang praktikum viskositas masih bersifat manual atau konvensional yang artinya alat tersebut dijalankan secara manual. Untuk itu dibuatlah alat peraga viskosimeter otomatis. Penelitian ini berbasis modul Arduino Mega 2560 dengan Parallax Data Acquisition digunakan sebagai pemantau hasil waktu tempuh. Langkah-langkah dari metode yang digunakan antara lain adalah diawali dengan inisialisasi port yang digunakan pada mikrokontroler, selanjutnya mikrokontroler menerima sinyal masukan dari sensor LDR untuk menghidupkan dan mematikan data stopwatch dan data stopwatch akan dipantau pada Parallax Data Acquisition yang kemudian data tersebut akan diolah pada ms. Excel untuk membuat grafik.Hasil akhir pengujian alat peraga fisika viscometer metode bola jatuh dengan hokum stokes dan menggunakan parallax data acquisition. Semakin berat bola maka laju bola akan cepat, jika bola ringan maka laju bola akan lamban. Dengan pengukuran menggunakan pelumas prima xp sae 20W-50 dan mesran 40 menunjukkan pelumas prime xp adalah η = 212.3. Nilai viskositas berdasarkan referensi adalah η = 185.91. Ada perbedaan nilai sebesar 26,65 sedangkan pelumasan mesin jenis Mesran 40, berdasarkan penelitian dengan alat ukur viskositas metoda bola logam jatuh adalah η = 151.7. Nilai viskositas berdasarkan referensi adalah η = 133.4. Ada perbedaan nilai sebesar 18.2. Ini menunjukkan bahwa sistem Alat peraga fisika viskometer metode bola jatuh dengan hukum stokes berjalan dengan baik sesuai dengan spesifikasi oli.
Kata kunci : Viskositas, Arduino, Parallax Data acquisition.
Abstrac
t
Fluid viscosity is friction caused by a moving fluid, or a solid object that moves in a fluid. The amount of friction is also commonly referred to as the degree of viscosity of the liquid. The greater the viscosity of the liquid, the more difficult solid objects to move inside the liquid. The measurement of viscosity is generally using the falling ball method, in physics practicum, experiments on viscosity practicum are still manual or conventional, which means the tool is run manually. For this purpose, automatic visual aids are made. This research is based on the Arduino Mega 2560 module that uses an ATMega2560 microcontroller with Parallax Data Acquisition used as a monitor of travel time results. The steps of the method used are starting with the port initialization used on the microcontroller, then the microcontroller receives the input signal from the LDR sensor to turn on and off the stopwatch data and the stopwatch data will be monitored in Parallax Data Acquisition then the data will be processed in MS. Excel to create graphics. The final results of testing the physics viscometer with the falling ball method with legal stokes and using parallax data acquisition. The heavier the ball is, the faster the ball will be, if the ball is lighter the ball will be slower. By measuring using prime lubricant xp sae 20W-50 and mesran 40 shows prime xp lubricant is η = 212.3. The value of viscosity based on reference is η = 185.91. There is a difference in value of 26.65 while the engine lubrication type of Mesran 40, based on research by measuring
12 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1the viscosity of the metal ball method produces is η = 151.7. The value of viscosity based on reference is η = 133.4. There is a difference in value of 18.2. This shows that the physical teaching aids system of the falling ball viscometer method runs well according to the oil specifications.
Keywords : Viskositas, Arduino, Parallax Data acquisition
1. Pendahuluan
Fisika merupakan ilmu yang mempelajari tentang alam, berupa unsur- unsur pembentukan alam
semesta, gaya-gaya yang bekerja didalamnya. Dalam mempelajari ilmu fisika terdapat sub-sub
materi yang mempelajari tentang fluida (fluid). Pengertian fluida itu sendiri merupakan suatu zat
yang dapat mengalir, fluida dapat berupa cairan dan gas, fluida dapat dibedakan menjadi dua macam
yaitu fluida statis dan dinamis. Adapun fluida yang sering dijumpai terdapat pada pelumas mesin
(oli). Dalam praktikum fisika tentang uji viskositas fluida alat yang digunakan untuk mengukur
kekentalan suatu fluida cair (pelumas), alat ini dinamakan viskometer. Adapun macam-macam
model viskometer
yang umum digunakan berupa viskometer
bola jatuh, tabung (pipa kapiler) dan
sistem rotasi.
Pengertian viskositas itu sendiri merupakan sifat fisik yang penting pada fluida.
Viskositas fluida adalah gesekan yang ditimbul oleh fluida yang bergerak, atau benda padat yang
bergerak di dalam fluida. Besarnya gesekan ini biasa juga disebut sebagai derajat kekentalan zat cair.
Semakin besar viskositas zat cair, maka semakin sulit benda padat bergerak didalam zat cair
tersebut.
[1]Pengukuran viskositas fluida sederhana sering dilakukan di laboraturium fisika pada umumnya
menggunaka metode bola jatuh, metode bola jatuh ini dilakukan dengan cara menjatuhkan bola
kedalam tabung yang berisi fluida (Pelumas/OLI) dan mengukur waktu tempuh dengan
menggunakan hukum stokes.
Alat uji viskometer sistem bola jatuh yang terdapat di laboratorium fisika masih bersifat manual
atau konvensional yang artinya alat tersebut dijalankan secara manual. Menurut penelitian yang telah
dilakukan tentang viskometer sistem bola jatuh, bahwa hasil yang didapatkan ketika dilakukan
pengujian masih memiliki error yang tinggi dari data aktual (characteristic) pelumas uji yang
digunakan dalam pengujian berkisar 10 sampai 11 %.
[2]Dengan menggunakan sensor yang dikontrol
oleh arduino dan dioptimasi dengan Parallax Data acquisition diharapkan hasil pengujiannya
mendekati presisi.
2.
Tinjauan Pustaka
Viskositas
Viskositas (kekentalan) berasal dari perkataan Viscous.
[3]Viskositas adalah ukuran kekentalan
suatu fluida, dimana dalam mendapatkan nilai tersebut zat cair atau fluida uji dilakukan pengujian
menggunakan alat viskometer, jadi dapat diartikan sebagai karakteristik nilai kekentalanya.
Karekteristik nilai kekentalan dari fluida dapat dihitung dengan membandingkan nilai hambatan per
satuan luas terhadap kecepatan perubahan aliran dari fluida.Viskositas fluida (zat cair) adalah
gerakan yang timbul di bagian dalam (internal) suatu fluida.
[4]Atau bisa dikatan gesekan yang
ditimbulkan oleh fluida yang bergerak,atau benda padat yang bergerak didalam fluida.besarnya
gesekan juga bias disebut juga sebagai derajat kekentalan zat cair.jadi semakin besar viskositas zat
cair maka semakin sulit benda padat bergerak di dalam zat cair. Ilmu dasar yang digunakan untuk
menghitung nilai kekentalan suatu fluida dengan menggunakan beberapa percobaan antara lain
dengan menggunakan metode putar, yaitu dengan meletakkan hambatan ke dalam fluida uji dan
kemudian diputar.
Kemudian dikembangkan dengan menggunakan metode gelombang ultrasonic metode ini tidak
menimbulkan kerusakan pada cairan uji. Selanjutnya untuk metode yang sering banyak untuk
melakukan uji coba dan metode ini sudah lama dikenal yaitu dengan metode bola jatuh (Falling Ball
Method) metode ini baik untuk
mendapatkan nilai kekentalan suatu fluida adalah dengan cara
13 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1menghitung kecepatan bola jatuh dalam fluida tersebut. Metode ini menggunakan prinsip Hukum
Stokes.
Hukum Newton dan Hukum Stokes
Ketika bola dijatuh kedalam fluida, maka akan terjadi gaya apung bola (FA), gaya gesekan
antara bola dengan fluida (FS) dan juga gaya berat (W). Maka dapat dirumuskan dengan dasar
hukum I Newton. Hukum 1 Newton mengatakan bahwa perecepatan benda nol jika gaya total (gaya
resultan) yang bekerja pada benda sama dengan nol. Sebuah bola yang bergerak dalam cairan yang
diam, maka pada bola bekerja gaya yang menghambat. Menurut stokes besarnya gaya tersebut
adalah:
………. (2 - 1)
dengan :
η : menyatakan koefisien kekentalan
r : adalah jari-jari bola logam
v : kecepatan relatif bola terhadap fluida.
Persamaan (2-1) pertama kali dijabarkan oleh Sir George Stokes tahun 1845, sehingga disebut
Hukum Stokes. Selain bekerja pada gaya penghambat F, juga bekerja gaya berat bola sendiri
……… (2 - 2)
dengan :
W : Gaya berat logam (N)
: Rapat masa bola logam (
g : Percepatan gravitasi. (
Selain itu terdapat gaya mengapung “Archimedes” yang besarnya:
………... (2 - 3)
Dengan :
Fa : Gaya apung bola (Newton)
o : Rapat masa jenis zat cair
. ( atau (Persamaan
……… (2 – 4)
Dengan memasukkan gaya apung persamaan (Fa) (2-3), gaya gesekan dari Hukum Stokes
persamaan (2-1), massa bola jatuh persamaan (2-2) ke
persamaan (2-4), maka diperoleh nilai
koefisien viskositas
[5]:
14 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1Dengan :
r = jari-jari bola logam
Arduino mega 2560
Arduino mega 2560 adalah board berbasis mikrokontroler open source yang di dalamnya terdapat
chip mikrokontroler jenis AVR dari perusahaan Atmel
[6].
Gambar 1. Arduino Mega 2560
Cara paling mudah untuk memenuhi persyaratan format penulisan adalah dengan menggunakan
dokumen sebagai template. Kemudian ketikkan teks ke dalamnya.
Modul Sensor LDR
Modul sensor proximity menggunakan sensor LDR (Light Dependent Resistor) yang peka
terhadap cahaya. Sensor ini adalah jenis resistor variabel yang nilai resistansinya beubah terhadap
intensitas cahaya yang diterimanya. Modul akan menghasilkan sinyal output berupa logika 1 jika
mendeteksi cahaya dan logika 0 jika tidak terdeteksi cahaya
[7].
15 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1 LCD 16X 3 I2CLCD merupakan singkatan dari Liquid Crystal Display, atau umumnya disebut dengan LCD atau display saja. fungsi LCD biasa digunakan untuk menampilkan huruf dan angka bahkan ada yang digunakan untuk menampilkan gambar.LCD mempunyai berbagai ukuran namun yang sering digunakan ukuran 16 x 2 (2 baris 16 kolom) adapun LCD dengan modul I2C konveter .LCD I2C mempunyai mempunai keuntungan yaitu hanya menggunakan 4 Pin input yaitu (VCC, GND, SDA, SCL)[8].
Gambar 3. A. LCD 16X2 I2C b. Laser Diode Laser Diode
Laser diode adalah sebuah komponen elektronika yang dapat memancarkan cahaya seperti halnya LED (Light Emitting Diode) warna yang disediakan berupa merah ,biru, dll, namun berbeda dengan LED diode laser dapat memancarkan cahaya berbentuk lusur seperti titik (DOT) jarak yang dihasilkan lebih jauh dibanding LED[9].
Parallax Data Acquisition
Parallax Data Acquisition (PLX DAQ) adalah program yang digunakan untuk membangun komunikasi
yang mudah antara Microsoft Excel pada Windows Komputer dan perangkat yang mendukung protokol port serial. Hal itu sengaja ditulis untuk memungkinkan komunikasi antara arduino dan Excel[10]. Fungsi dari plx
daq adalah untuk mengukur suhu , waktu dan lain lain yang dihubungkan dengan Arduino dan akan mengirim data ke excel setiap 10 detik , yang dihasilkan data pada lembar dan bisa digunakan untuk menampilkan grafik dengan semua informasi.
16 |
I t e k s V o l 1 3 N o 13. Metode Penelitian
Bahan yang digunakan untuk pengambilan data, merancang alat deteksi bola dan waktu viskometer otomatis otomatis dalam penelitian ini adalah Arduino Mega 2560, sensor LDR, LCD 16X2, dan I2C. Langkah-langkah perancangan dibuat untuk mengetahui garis besar dari perancangan. Dalam hal ini yang dirancang adalah waktu tempuh benda logam yang dibaca oleh sensor LDR dengan bantuan Arduino Mega 2560 digunakan untuk mengatur program stopwatch dan data tersebut akan dipantau di parallax data acquisition untuk diolah pada MS. Excel. Blok diagram prinsip kerja ditunjukkan gambar 6.
Gambar 5. Diagram prinsip kerja
4. Hasil dan Pembahasan
Pengambilan data dilakukan menggunakan bantuan board Arduino MEGA. Arduino MEGA digunakan untuk membaca data stopwatch dari keluaran sensor LDR, kemudia data stopwatch tersebut diekspor kedalam software untuk dianalisis.
Hasil Pengukuran
Pengukuran viskositas bola jatuh menggunakan dua cara yaitu pengukuran digital dengan mikrokontroler Arduino dan pengukuran manual. Pengukuran viskosimeter ini menggunakan dua tipe oli dengan standar berbeda yaitu Prima XP SAE 20-50[11] dan Mesran SAE 40[12]. Berikut ini merupakan spesifikasi pelumas oli
17 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1Tabel 1 spesifikasi pelumas
Properties Mesran SAE 40 Prima XP SAE 20-50 Spesifik Gravity pada 15oC 0,895 0,8958
Viskositas pada 40oC 113, 4 185, 91 Viskositas pada 100oC 13, 66 20, 19 Viskositas Indeks 98 126 Pour Point (oC) -9 -27 Flash Point (oC) 242 240 TBN, mg K OH/gram 10,28 10,69 Additive : Zinc (ppm), 1363 1879 Calcium (ppm) - 797
Pengukuran Manual
Pengukuran manual menggunakan alat penghitung waktu (stopwatch) dan hasil. Pengukuran
dilakukan dengan menjatuhkan bola logam lalu menjalankan stopwatch. Bola yang digunakan adalah
4 gram, 6 gram, 10 gram, dan 44 gram, volume bola yang berbeda 4 cm
3, 12,70 cm
3, 13,30 cm
3, 22
cm
3. Hasil pengukuran ditunjukkan pada tabel 2 :
Tabel 2. Hasil pengukuran manual
volume bola (cm3) berat bola (gram) Jenis Oli Percobaan (m/s) Rata-Rata
1 2 3 4 5 4 4 Prima XP SAE20W-50 1,47 1,47 1,18 1,38 1,28 1,36 Mesran SAE 40 2 2,09 1,82 1,89 1,45 1,85 12,70 6 Prima XP SAE20W-50 1,44 1,02 1,31 1,29 1,19 1,25 Mesran SAE 40 1,44 1,1 1,54 1,18 1,2 1,29 13,30 10 Prima XP SAE20W-50 1,12 1,07 1,28 1,15 0,85 1,01 Mesran SAE 40 1,47 1,03 0,64 0,75 1,16 0,68 22 44 Prima XP SAE20W-50 0,74 0,71 0,62 0,66 0,65 0,68 Mesran SAE 40 0,87 0,87 0,64 0,75 0,92 0,81
Pengukuran digital
Pengukuran digital menggunakan mikrokontroller Arduino dan software PLX-DAQ. Arduino
digunakan untuk sistem pewaktuan dan software PLX-DAQ digunakan untuk mengontrol sistem dan
memantau hasil waktu tempuh software PLX-DAQ dihubungkan ke software MS Excel. Hasil
pengukuran dapat dilihat pada tabel 3:
Tabel 3. Hasil pengukuran digital
volume berat
bola(cm3) bola(gram) Jenis Oli Percobaan (m/s) Rata-Rata
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4 4 Prima XP SAE20W-50 0,18 0,20 0,20 0,21 0,20 0,20 0,20 0,22 0,20 0,22 0,20 Mesran SAE 40 0,22 0,22 0,20 0,22 0,22 0,24 0,22 0,22 0,22 0,23 0,22 12,70 6 Prima XP SAE20W-50 0,12 0,13 0,12 0,12 0,15 0,12 0,12 0,13 0,12 0,12 0,13 Mesran SAE 40 0,15 0,15 0,13 0,16 0,15 0,15 0,15 0,15 0,13 0,15 0,15 13,30 10 Prima XP SAE20W-50 0,10 0,10 0,10 0,09 0,10 0,10 0,10 0,09 0,10 0,10 0,10 Mesran SAE 40 0,12 0,13 0,12 0,11 0,12 0,12 0,13 0,12 0,12 0,11 0,12 22 44 Prima XP SAE20W-50 0,05 0,05 0,04 0,05 0,05 0,05 0,05 0,06 0,05 0,05 0,05 Mesran SAE 40 0,07 0,07 0,06 0,07 0,07 0,07 0,07 0,06 0,07 0,06 0,07
18 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1Gambar 6. Grafik pengukuran manual dan digital
Hasil pembacaan PLX-DAQ
Hasil pembacaan pada parallax data acquisition menunjukkan bahwa pengukuran dengan
volume bola 22 mm pada gambar 8 dan gambar 9.
OLI PRIME XP SAE 20W-50
Gambar 7. Hasil PLX–DAQ SAE 20W-50
19 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1 OLI MESRAN SAE 40Gambar 9. Hasil PLX–DAQ SAE 40
Setelah dilakukan pengujian, kemudian merhitungan data viskositas menggunakan metode hukum
stokes dengan rumus
atau
yang diolah dalam MS Excell. Tabel 4 dan 5
adalah data hasil pengukuran viskositas (η) secara manual (tabel 2) dan digital (tabel 3) dengan gaya
berat 4, 6, 10 dan 44 gram.
Tabel 4. Pengukuran secara manual
Mesran SAE 40 Prima XP SAE20W-50
F r v (m/s) Koefisien π η F r v (m/s) Koefisien π η 4 0,004 1,85 6 3,14 28,7 4 0,004 1,36 6 3,14 39,0 12,7 0,006 1,29 6 3,14 87,0 12,7 0,006 1,25 6 3,14 89,9 13,3 0,01 1,01 6 3,14 70,0 13,3 0,01 1,09 6 3,14 64,8 44 0,022 0,82 6 3,14 129,5 44 0,022 0,68 6 3,14 156,1
Tabel 5. Pengukuran secara digital
Mesran SAE 40 Prima XP SAE20W-50
F r v (m/s) Koefisien π η F r v (m/s) Koefisien π η 4 0,004 0,22 6 3,14 241,3 4 0,004 0,20 6 3,14 265,4 12,7 0,006 0,18 6 3,14 764,3 12,7 0,006 0,12 6 3,14 936,2 13,3 0,01 0,12 6 3,14 588,0 13,3 0,01 0,10 6 3,14 705,9 44 0,022 0,07 6 3,14 151,7 44 0,022 0,05 6 3,14 212,3
Berdasarkan penelitian dengan alat ukur viskositas metoda bola logam jatuh dengan diameter
bola 22 mm pelumas prime xp memiliki viskositas (η) = 212,3. Nilai viskositas berdasarkan
referensi pelumas Prime XP SAE adalah η =185.91. Ada perbedaan nilai sebesar 26,65. Sedangkan
pelumasan mesin jenis Mesran 40, berdasarkan penelitian dengan alat ukur viskositas metoda bola
logam jatuh adalah η =151.7. Nilai viskositas berdasarkan referensi nilai viskositas pelumas Mesran
SAE 40 adalah η =133.4. Ada perbedaan nilai sebesar 18.2. Hal ini terjadi karena sensitifitas sensor
LDR berbeda, ketika sensor menerima cahaya dari laser dalam kondisi terhalang oleh oli atau tidak.
5. Kesimpulan dan Saran
5.1. Kesimpulan
Pengujian yang dilakukan pada penelitian Viskometer Bola Jatuh Berbasis Mikrokontroler Arduino
Arduini Mega 2560 Dengan Optimasi Parallax Data Acquisition (Plx Daq) ini menghasilkan
kesimpulan sebagai berikut :
20 |
I t e k s V o l 1 3 N o 1a. Pengkuran viskometer dengan jarak 100 cm menggunakan bola logam berdiameter 22.00 bahwa
pengukuran digital pelumas prime xp SAE 20W-50 menghasilkan waktu tempuh 0.5 m/s
sedangkan manual menempuh waktu 0,68m/s terdapat selisih 18% sedangkan mesran SAE 40
digital waktu tempuh 0,72m/s sedangkan manual 0,81m/s Terdapat perbedaan 9 %
b. Nilai viskositas suatu fluida yang memiliki kekentalan yang digunakan dalam pelumasan mesin
jenis Prime XP 20W-50, berdasarkan penelitian dengan alat ukur viskositas metode bola logam
jatuh adalah 212.56. Nilai viskositas berdasarkan referensi dari oli jenis nilai viskositas Pelumas
Prime XP SAE adalah 185.91. Ada perbedaan nilai sebesar 26,65 sedangkan pelumasan mesin
jenis Mesran 40, berdasarkan penelitian dengan alat ukur viskositas metode bola logam jatuh
adalah 151.6. Nilai viskositas berdasarkan referensi dari oli jenis nilai viskositas Pelumas
mesran SAE 40 adalah 133.4. Ada perbedaan nilai sebesar 18.2.
5.2. Saran
