PEMBUATAN KALIBRATOR METER REAKTIVITAS DENGAN SISTEM DAQ BERBASIS PC

(1)

24

PEMBUATAN KALIBRATOR METER REAKTIVITAS

DENGAN SISTEM DAQ BERBASIS PC

Edison, A.Mariatmo, Sujarwono Pusat Reaktor Serba Guna - BATAN

ABSTRAK

PEMBUATAN KALIBRATOR METER REAKTIVITAS DENGAN SISTEM DAQ BERBASIS PC. Telah dibuat kalibrator meter reaktivitas dengan mengaplikasikan sistem DAQ berbasis PC yang diprogram menggunakan LabVIEW. Keluaran kalibrator berupa sinyal tegangan yang sebanding dengan populasi neutron n(t)yang berkorespondensi dengan nilai reaktivitas undak ρ₀. Program ”Kalibrator meter reaktivitas.vi” menghitung tujuh akar ω_j dan koefisien A_j dari penyelesaian n(t)dengan menggunakan persamaan perjam kinetika reaktor. Berdasarkan data dt=t_k+1−t_k dan t0 =0 yang diinputkan, program

mendekati

n

(

t

)

untuk setiap selang waktu tk ≤t<tk+₁ dimana k=0,1,2,3,...., dengan fungsi undak

∑

=

7 1 0

)

(

j t j k j

e

A

n

t

n

ω . Kemudian program memerintahkan perangkat DAQ untuk mengeluarkan sinyal tegangan V(t)=n(t)Voltuntuk setiap waktu t. Dari pengukuran reaktivitas standar dengan meter reaktivitas diperoleh bahwa penyimpangan maksimum reaktivitas terukur dari standar sebesar lebih kecil dari 1 %..

ABSTRACT

DEVELOPMENT OF THE CALIBRATOR OF REACTIVITY METER USING PC-BASED DAQ SYSTEM. The reactivity meter calibrator has been developed by applying the PC-Based DAQ System programmed using LabVIEW. The Output of the calibrator is voltage proportional to neutron density n(t)corresponding to the step reactivity change ρ₀. The “Kalibrator meter reaktivitas.vi” program calculates seven roots and coefficients of solution n(t)of Reactor Kinetic equation using the in-hour equation. Based on data of

k k t

t

dt= +1− and t0=0 input by user, the program approximates n(t)for each time interval

1

+

<

≤ _k

k t t

t , where k=0,1,2,3,.... by a step function

∑

=

7 1 0

)

(

j t j k j

e

A

n

t

n

ω . Then the program

commands the DAQ device to output voltage V(t)=n(t)Volt at time t. The measurement of standard reactivity with the meter reactivity showed that the maximum deviation of measured reactivity from its standard were less than 1 %.

PENDAHULUAN

aat ini banyak digunakan sistem akuisisi data (DAQ) berbasis komputer pribadi (PC) untuk keperluan akuisisi data dalam riset, pengujian, pengukuran dan otomatisasi industri. Kombinasi perangkat DAQ dengan PC ini dapat melaksanakan berbagai macam keperluan hanya dengan merubah perangkat lunak yang dijalankan di PC. Dengan memanfaatkan fleksibelitas sistem akuisisi seperti ini, dalam tulisan ini dibahas mengenai peman-faatannya sebagai kalibrator meter reaktivitas. Kalibrator meter reaktivitas dapat menunjang pengendalian keselamatan operasi reaktor, terutama

dalam verifikasi akurasi meter reaktivitas karena reaktivitas merupakan parameter kinetika yang penting bagi keselamatan reaktor.

Penggunaan sistem ini sebagai kalibrator meter reaktivitas terinspirasi dari pembuatan kalibrator meter reaktivitas menggunakan IBM-PC, antarmuka DAS-20[1] dan bahasa pemrograman Turbo Pascal. Berbeda dengan perangkat keras yang digunakan dalam kalibrator meter reaktivitas tersebut, perangkat keras sistem ini menggunakan perangkat DAQ yang berfungsi untuk merubah informasi fisis menjadi informasi digital dan meneruskannya ke komputer. Perangkat keras

(2)

sistem ini juga tidak diadakan secara khusus tetapi hanya mengaplikasikan perangkat yang sudah digunakan untuk meter reaktivitas dengan program berbeda sesuai untuk keperluan ini. Disamping itu, bahasa program yang digunakan dalam sistem ini adalah LabVIEW sehingga untuk keperluan kontrol akuisisi data dan pembuatan tampilan untuk interaksi dengan pengguna langsung dapat dibuat dengan menggunakan tool-tool yang tersedia. Sedangkan dalam pemrograman menggunakan teks, untuk keperluan kontrol akuisisi data dan tampilan untuk keperluan interaksi dengan pengguna harus dibuat dengan instruksi-instruksi satu-persatu.

TEORI

Sistem akusisi data berbasis PC dan Program LabVIEW

Gambar 2 memperlihatkan sistem DAQ berbasis PC. Perangkat DAQ adalah perangkat yang diperlukan untuk mengakuisisi sinyal fisis, mengkonversinya menjadi sinyal digital dan mengirimkannya ke komputer[2]. Sebaliknya perangkat DAQ juga dapat diperintahkan untuk menghasilkan sinyal analog atau digital oleh program aplikasi yang dijalankan di komputer. Untuk keperluan akuisisi dan generasi sinyal, perangkat DAQ dapat mempunyai beberapa kanal input dan output. Perangkat DAQ juga mempunyai pewaktu sendiri yang digunakan untuk mengatur waktu pembangkitan sinyal atau akuisisi data.

Program aplikasi yang dijalankan di komputer memanipulasi data mentah yang berasal dari perangkat DAQ menjadi informasi yang dapat dimengerti pengguna. Kemudian hasil pengolahan data disajikan dalam grafik, tabel atau tampilan visual lainnya. Program aplikasi dapat mengatur waktu akuisisi atau pembangkitan sinyal. Selanjutnya program aplikasi juga menyiapkan antar-muka pada monitor PC yang dapat digunakan pengguna untuk memasukkan data. Salah satu bahasa pemrograman yang digunakan untuk membuat program aplikasi seperti ini adalah LabVIEW.

LabVIEW adalah bahasa pemrograman grafis yang menggunakan icon-icon sebagai pengganti teks untuk membuat program aplikasi[3]. Antar-muka untuk pengguna dapat dibangun dalam LabVIEW menggunakan tool dan object. Antar-muka ini disebut panel depan. Panel depan merupakan imitasi dari panel pada instrumen fisis sehingga pengguna dapat mengoperasikan instrumen dari layar monitor PC seolah-olah berhadapan dengan instrumen fisis. Disamping itu

LabVIEW juga menyediakan tool-tool untuk penyimpanan data yang dapat dibaca/ditulis dengan program lain seperti Excel dan MS Word. LabVIEW juga menyediakan fungsi-fungsi yang mempermudah pengendalian proses akuisisi data dalam perangkat DAQ.

Kinetika reaktor nuklir

Persamaan kinetika reaktor menurut teori kinetika titik dinyatakan dalam persamaan differensial yang menghubungkan besaran reaktivitas dengan populasi neutron[4]:

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

6 1

t

q

t

c

t

n

t

dt

t

dn

i i i

+

−

=

∑

=

λ

β

ρ

l

(1)

)

(

)

(

)

(

t

c

t

n

dt

t

dc

i i i i

=

β

−

λ

l

(2) dengan, ) (t

n = kerapatan neutron pada saat t (jumlah neu tron dalam satuan volume, daya dan lain- lain).

) (t

c_i = konsentrasi prekursor neutron kasip pada saat t (konsentrasi daya laten dan lain lain, satuannya sama dengan n(t)).

) (t

q = produksi neutron oleh sumber neutron luar pada saat t.

i

λ

= tetapan peluruhan pengemisi neutron kasip kelompok ke i.

β = fraksi total neutron kasip seluruh kelompok (

∑

= 6 1 i i β ). ) (t

ρ = reaktivitas pada saat t.

l = umur generasi neutron.

t

= perubah waktu.

Penyelesaian n(t) untuk sistem yang terdiri dari kedua persamaan differensial 1 dan 2 dengan

0 ) (t =

q , n = n0 untuk t ≤ 0 dan dalam keadaan seimbang dilakukan perubahan reaktivitas step pada

t = 0 (ρ(t) = 0 untuk t < 0, dan ρ(t)=ρ0 untuk t ≥ 0) adalah[4] :

∑

=

7 1 0

)

(

j t j j

e

A

n

t

n

ω ₍₃₎ dengan :

(3)

26 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + =

∑

= 6 1 2 0 ) ( i j i i i j j A

λ

ω

λ

β

ω

ρ

l (4)

dan masing-masing ωj merupakan akar dari

persamaan perjam :

∑

=

+

−

+

=

6 1 0 i i i i

λ

ω

λ

β

ω

β

ρ

l

(5)

Karena umur generasi _l dapat dinyatakan dalam

l

p yang disebut umur neutron serempak,

maka persamaan perjam menjadi[5]

∑

=

+

=

6 1 0

1

i i i p p p

λ

ω

β

ω

ρ

l

(6) dimana k p l

l = dan k adalah faktor perlipatan neutron.

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN

SISTEM

Untuk melakukan kalibrasi dengan menggunakan sistem DAQ berbasis PC, perangkat DAQ diperintahkan oleh program agar menge-luarkan sinyal tegangan yang mensimulasikan kerapatan neutron n(t) untuk reaktivitas tertentu. Sinyal keluaran perangkat DAQ ini dijadikan input pengkalibrasi untuk meter reaktivitas.

Program “Kalibrator meter reaktivitas.vi”

Program “Kalibrator meter reaktivitas.vi” digunakan untuk menghitung kerapatan neutron

) (t

n untuk perubahan reaktivitas undak ρ0 tertentu.

Disamping itu, untuk keperluan interaksi dengan pengguna program ini menyediakan panel depan yang terdiri dari cluster kontrol dan indikator.

Cluster kontrol (Lampiran Gambar 3) dapat

digunakan pengguna untuk menginputkan nilai reaktivitas reaktor dalam satuan tertentu, nama reaktor, parameter-parameter kinetika reaktor (_l,β_i ,λ_idan ρ₀), selang waktu update tegangan output dt, kerapatan neutron awal n0 dan

kontrol-kontrol untuk pengoperasian kalibrator.

Kemudian berdasarkan data yang diinputkan pengguna program melakukan perhitungan masing-masing akar persamaan perjam

ω

_j (persamaan (5)) yang ditulis dalam bentuk ekuivalennya :

0 1 1 ) ( 6 1 0 ⎟⎟= ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + + + − =

∑

= i i i p p p f λ ω β ω ω ω ω ρ ω l l l (7)

Masing-masing akar diperoleh dengan mengguna-kan metode bisection[6]. Selang iterasi awal ditetapkan berdasarkan grafik Gambar 1 yang memperlihatkan bahwa masing-masing dari enam buah akar persamaan (6) atau (7) terletak diantara dua titik diskontinyu bersebelahan −1/lp,

, ,-,- 5 4

6 λ λ

λ

− −λ₃,-λ₂,dan -λ₁. Sedangkan sebuah lagi sedikit lebih besar dari λ1.

(4)

Pencarian akar dimulai dari akar

ω

6 yang terletak diantara ω=−1/_l_pdan ω −= λ₆. Selang iterasi awal [a,b] dalam persamaan (7) ditetapkan dengan nilai a=−1/_l_p+0,001 dan b =

001 , 0

6−

−λ . Kemudian selang dibagi dua dan nilainya digunakan sebagai batas selang baru. Sedangkan batas selang yang satu lagi dipilih dari a atau b sedemikian hingga persamaan (7) terpenuhi lagi. Proses seperti ini diulangi sampai diperoleh selang yang membatasi akar sebesar δ<₁₀−12_.

Akar-akar yang lain

ω

jkecuali akar

ω

0 didapatkan dengan cara yang serupa, yaitu denga selang iterasi awal [(−λj+1+0,001),(−λj−0,001)]. Akar

ω

0 dihitung dengan selang awal [(−λ₁+0,001),10]. Proses penghitungan akar ini dalam program “Kalibrator meter reaktivitas.vi” dilakukan oleh subprogram “Akar perjam.vi”. Perhitungan ini ditulis dalam node formula dengan bahasa seperti C[7] yang diagram bloknya ditunjukkan pada Lampiran Gambar 4.

Berdasarkan nilai-nilai akar dan koefisien yang dihitung oleh subprogram “Akar perjam.vi”, subprogram “hitung n(t).vi” membentuk matrik dengan elemen-elemen n(tk) sesuai dengan

per-samaan (3) : k jt j j k

n

A

e

t

n

∑

ω =

=

7 1 0

)

(

(8) dimana k=0,1,2,3,...., dt=t_k+1−t_k dan t0=0.

Matrik n(tk) dan selang waktu dt mengkreasikan

waveform. Waveform yang terbentuk dapat

ditampilkan ke dalam waveform chart ketika pengguna menekan kontrol “Buat grafik”, dikirim ke kanal keluaran modul DAQ sehingga mengeluarkan sinyal tegangan V(tk)=n(tk)Volt mulai dari k=0 ketika pengguna menekan kontrol “Kalibrasi” dan disimpan dalam file spreadsheet jika pengguna menekan kontrol “Simpan n(t)”. Pengaturan waktu pengiriman sinyal kepada kanal keluaran analog dilakukan oleh perangkat DAQ sendiri dengan memberikan masukan update rate

(nilai

dt

) pada “Generate Waveform.vi”.

Perangkat keras sistem DAQ berbasis PC.

Sistem ini terdiri dari PC berikut program “ Kalibrator meter reaktivitas.vi” dan perangkat

akuisisi data DAQ PCI NI 6024E[8] seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Perangkat DAQ ini disisipkan pada slot PCI PC dengan terminal berada pada panel belakang chasing sebagai tempat untuk Input/Output sinyal. Sinyal output perangkat ini mempunyai rentang ± 10 V. Perangkat DAQ ini terdiri dari penguat instrumentasi yang dapat diprogram, multiplexer, ADC dan DAC, pewaktu dan unit-unit lain yang digunakan untuk kontrol akuisisi data dan komunikasi dengan komputer. Semua operasi komponen-komponen dalam perangkat DAQ dapat diprogram oleh program aplikasi LabVIEW.

PERCOBAAN DAN ANALISIS

Untuk mengetahui kinerja perangkat lunak sistem dilakukan pengujian terhadap program-program yang dikembangkan. Disamping itu sistem sebagai satu kesatuan juga diuji dengan pengukuran reaktivitas berdasarkan sinyal output kalibrator untuk berbagai nilai reaktivitas.

Percobaan program “Kalibrator meter reaktivitas.vi”, hasil dan analisa

Percobaan program “Kalibrator meter reaktivitas.vi” dilakukan untuk menguji fasilitas antar muka pengguna pada panel depan, perhitungan akar persamaan perjam oleh subprogram “Akar perjam.vi”, perhitungan n(t_k)oleh subprogram “hitung n(t).vi” dan penampilan atau penyimpanan hasil.

Percobaan ini dilakukan dengan memasuk-kan data reaktor dan data pengukuran di panel depan. Tabel 1 memperlihatkan hasil perhitungan akar ω_j dan kerapatan neutron n(t_k) sesuai dengan data yang diinputkan pengguna. Tabel ini merupakan hasil perhitungan yang disimpan dalam bentuk spread sheet oleh program.

Data n(tk)ini merupakan pendekatan dari nilai idealnya. Nilai pendekatan ini bebeda sedikit dengan nilai benarnya. Misalnya nilai n(0)=n₀ =1 dihitung dengan perhitungan numerik oleh subprogram “Akar perjam.vi” menjadi 1,000173. Dengan demikian meskipun kecil terdapat ralat pada n0 sebesar εn0 =1−1,000173=−0,000173. Ralat ini

diakibatkan oleh ralat pembulatan komputer karena keterbatasan ruang penyimpanan bilangan dan perhitungan akar persamaan perjam (roundoff error) beserta perambatan ralatnya.

(5)

28

Tabel 1. File data reaktor dan

n

(

t

)

.

Percobaan pengukuran reaktivitas standar kalibrator dengan meter reaktivitas digital.

Untuk mencoba akurasi kalibrator meter reaktivitas yang dibuat dengan mengaplikasikan sistem DAQ berbasis PC, berikut ini akan dilakukan penguku-ran reaktivitas standar berdasarkan sinyal tegangan V(t) yang dihasilkan oleh perangkat DAQ NI 6024E dengan meter reaktivitas digital[9] yang menggunakan perangkat DAQ yang sama sebagai perangkat input. Perangkat DAQ ini diperintahkan oleh program “Kalibrator meter reaktivitas.vi” agar mengeluarkan tegangan

) ( ) (t nt

V = untuk nilai reaktivitas ρ₀ dan n₀

tertentu. Nilai n(t) untuk setiap selang waktu

1 + < ≤ _k k t t t adalah :

)

(

)

(

t

n

t

_k

n

=

(9)

dimana k=0,1,2,3,....dan n(t_k) diperoleh dari persamaan (8). Selang waktu update dt=tk+1−tk

diatur oleh pewaktu internal perangkat DAQ. Tegangan keluaran pada terminal keluaran analog perangkat DAQ, yaitu AO dan AO GND dihubungkan ke terminal AI+ dan AI- seperti pada Gambar 2.

Tabel 2 merupakan daftar data pengukuran yang dilakukan untuk setiap nilai standarρi. Nilai standar bertambah 1 Sen mulai dari –25 sampai 25 Sen. Kemudian menurun 1 Sen dari 25 sampai kembali ke –25 Sen. Nilai bacaan ρo diambil secara acak pada daerah lebih dari 10 detik setelah perubahan tas step, mengingat pada saat ini akurasi meter reaktivitas semakin baik.

(6)

Gambar 2. Diagram peralatan percobaan pengukuran reaktivitas keluaran kalibrator.

Tabel 2. Data pengukuran reaktivitas kalibrator oleh meter reaktivitas digital.

ρi (Sen) ρo (Sen) ∆ρ (Sen) ρi (Sen) ρo(Sen) ∆ρ (Sen)

-25 -25,118236 0,118236 1 0,956532 0,043468 -24 -24,230632 0,230632 2 2,029020 0,02902 -23 -22,971545 0,028455 3 3,011581 0,011581 -22 -22,111154 0,111154 4 3,994054 0,005946 -21 -20,985103 0,014897 5 4,854890 0,14511 -20 -20,078099 0,078099 6 6,044316 0,044316 -19 -19,093888 0,093888 7 6,860652 0,139348 -18 -18,095902 0,095902 8 8,010478 0,010478 -17 -17,084459 0,084459 9 9,101063 0,101063 -16 -16,020559 0,020559 10 10,059836 0,059836 -15 -15,004810 0,00481 11 10,969290 0,03071 -14 -14,012557 0,012557 12 11,844526 0,155474 -13 -13,014317 0,014317 13 13,064172 0,064172 -12 -12,017893 0,017893 14 14,091109 0,091109 -11 -11,018510 0,01851 15 15,115639 0,115639 -10 -10,096593 0,096593 16 16,091568 0,091568 -9 -9,000567 0,000567 17 17,030127 0,030127 -8 -7,960577 0,039423 18 17,999545 0,000455 -7 -7,028747 0,028747 19 19,094796 0,094796 -6 -6,066930 0,06693 20 20,086998 0,086998 -5 -5,011891 0,011891 21 21,049557 0,049557 -4 -4,008607 0,008607 22 21,941842 0,058158 -3 -2,925298 0,074702 23 23,075819 0,075819 -2 -2,028672 0,028672 24 23,962450 0,03755 -1 -0,978513 0,021487 25 25,101806 0,101806

Dari Tabel 2 terlihat bahwa deviasi maksi-mum nilai reaktivitas bacaan dari nilai reaktivitas standar adalah 0,23 Sen atau jika dinyatakan dalam persen skala tertinggi adalah 0,92 %. Ralat ini bersumber dari ralat dalam mendekati nilai analitis

) (t

n yang diberikan oleh persamaan (3) dengan fungsi undak persamaan (9) meliputi ralat perhitungan nilai n(t_k)oleh program “Kalibrator

meter reaktivitas.vi” dan ralat yang bersumber pada meter reaktivitas sendiri. Oleh karena itu ralat kalibrator meter reaktivitas sendiri sesungguhnya lebih kecil dari ralat total pengukuran di atas. Namun demikian reaktivitas standar dengan akurasi sebesar 0,23 Sen dan skala tertinggi 25 Sen sudah mencukupi untuk memverifikasi akurasi pengukuran yang dilakukan oleh meter reaktivitas.

(7)

30

KESIMPULAN

1. Perangkat DAQ berbasis PC dapat digunakan sebagai kalibrator meter reaktivitas dengan menjalankan program aplikasi yang dibuat dengan bahasa pemrograman LabVIEW yang sesuai untuk keperluan ini.

2. Kalibrator meter reaktivitas yang dibuat dengan mengaplikasikan sistem ini mempunyai akurasi 0,92 % dengan nilai reaktivitas standar tertinggi 25 Sen.

DAFTAR ACUAN

1. KRISTEDJO K, Pembuatan Kalibrator Reaktivitas Dengan IBM-PC dan Antarmuka

DAS-20, Prosiding pertemuan dan presentasi

ilmiah, PPNY –BATAN, Yogyakarta, 1994.

2. NATIONAL INSTRUMENTS, Data

Acquisition Fundamentals, Application Note 007, http://www.ni.com , National Instruments Corporation, 2002.

3. NATIONAL INSTRUMENTS, User Manual,

http://www.ni.com, National Instruments Corporation, 2001.

4. HETRICK, DAVID L, Dynamics of Nucler

Reactors, The University of Chicago Press,

Chicago and London, 1971.

5. LAMARS, JOHN.R, Introduction to Nuclear

Reactor Theory, Addison-Wesley Publishing

Company, Inc, USA, 1965.

6. ATKINSON, KENDALL, Elementary

Numerical Analysis, 2nd ed, John Wiley & Sons,Inc, Singapore, 1994.

7. LEVINE, D, Teach yourself C++ in 21 days, 2nd ed, http://www.mcp.com.

8. NI-DAQ Device Documentation, NI DAQ

6024E Family Specifications, , National

Instruments, 2003.

9. EDISON, MARIATMO A., Pembuatan Meter Reaktivitas Virtual Dengan Sistem Monitor

Reaktor G.A. Siwabessy, PRSG-BATAN, 2006.

LAMPIRAN

(8)

Gambar 4. Program “Akar perjam.vi”.

TANYA JAWAB

Widarto

− Kalibrator meter reaktivitas yang saudara buat apa juga digunakan untuk alat ukur yang ditampilkan (baku) dalam sistem alat ukur di RSG?

Edison

− Percobaan pengukuran keluaran kalibrator

sudah juga dilakukan dengan meter reaktivitas terpasang dengan penyimpangan yang kurang lebih sama.

Y. Sardjono

− Dari segi program ”jaminan mutu” apakah kalibrator yang dibuat ini sudah melewati tahapan-tahapan : design, pengembangan engineering hingga operasi bahkan sudah uji coba.

− Dari design requirement apakah penyimpangan lebih kecil 1% sudah sesuai?

Edison

− Tahapan-tahapan dalam program ”jaminan

mutu” sudah diimplementasikan.

− Dalam teknik akurasi 1% sudah baik. A. Suntoro

− Dari sudut pandang instrumentasi DAQ akan mengambil data melalui proses sampling. Batasan teori sampling menyatakan frekuensi sampling harus lebih besar dari frekuensi data yang akan di sampling. Apakah DAQ yang digunakan sudah memperhitungkan teori sampling tersebut? Jika teori sampling tidak dipenuhi berakibat hasil sampling (DAQ) akan salah.

Edison

− Pada kalibrator meter reaktivitas ini perangkat DAQ digunakan untuk menggenerasikan sinyal tegangan sebanding kerapatan fluks neutron n(t) (bukan untuk mensampling data). Dengan demikian laju sampling tidak diperhitungkan.