PENGEMBANGAAN ALAT UJI KOMPOSISI MASSA PADA LOGAM PADUAN BINER MENGGUNAKAN SENSOR VOLUME DAN MASSA Agus Slamet 1) , Wahyu Djalmono P 2) , Anwar Sukito A 3)
PENGEMBANGAAN ALAT UJI KOMPOSISI MASSA PADA LOGAM PADUAN BINER MENGGUNAKAN SENSOR VOLUME DAN MASSA
1) 2) 3) Agus Slamet , Wahyu Djalmono P , Anwar Sukito A
1),2),3)
Jurusan Teknik Mesin Polines, Jl. Prof. Soedarto,S.H., Semarang 503293 e-mail : agussmg2002@yahoo.com
Abstract This composition testing equipment of binary alloy metal mass has work principles that are based on sinking or floating object on the surface of the liquid fluid, with the result that the force works on the object happens due to the pressure of the liquid fluid or so called buoyancy. The research that has been conducted by this composition testing equipment can be used to measure composition of two elements of metal mass with the result of the measurement of mass composition is different with the measurement using Spectrometer.
The differences of the measurement result is caused by the readout of the changes in the volume of water is conducted manually by observing the changes in the water surface using both eyes. In this research, there is a development in a mass and volume data readout method using mass and volume sensor that are integrated with the data processing system software to avoid errors in data reading. This test will get the data from the testing equipment which is, displaced water volume and the test material before and after in the fluid. The research method starts from the planning and manufacturing the equipment using ultrasonic volume sensor and load cell mass sensor, followed by testing and data retrieval. The test material used contains of two elements, namely Tin (Sn) and Lead (Pb). The test results showed differences in the percentage composition of tools an average of 16.72% with the composition of the test material, because the possible use of ultrasonic sensor types that do not fit.
Keywords : mass composition, biner alloy, sensor Abstrak Alat uji komposisi massa logam paduan biner ini prinsip kerjanya berdasarkan benda yang terbenam atau terapung pada permukaan fluida cair, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut terjadi karena tekanan fluida cair atau disebut sebagai gaya buoyancy. Penelitian yang telah dilakukan alat uji komposisi tersebut dapat digunakan untuk mengukur komposisi massa logam paduan dua unsur dengan hasil pengukuran komposisi massa terdapat perbedaan dibandingkan dengan hasil pengukuran menggunakan Spectrometer. Perbedaan pengukuran/penyimpangan tersebut disebabkan cara pembacaan perubahan volume air masih manual dengan mengamati perubahan permukaan air dengan penglihatan mata. Pada penelitian ini dilakukan pengembangan cara pembacaan data volume dan massa menggunakan sensor volume dan massa yang terintegrasi dengan perangkat lunak sistem pengolahan data, Untuk menghindari kesalahan pembacaan data. Pengujian ini akan mendapatkan data dari alat uji adalah volume air yang dipindahkan dan massa bahan uji saat dan sebelum di dalam fluida. Metode penelitian yang dilakukan dimulai dari perancangan cell ,kemudian dilanjutkan dengan pengujian, pengambilan data. Bahan uji yang digunakan dan pembuatan alat dengan menggunakan sensor volume ultrasonik dan sensor massa load mengandung dua unsur yaitu Tin (Sn) dan Lead (Pb). Hasil pengujian alat menunjukan perbedaan prosentasi komposisi rata-rata 16,72% dengan komposisi benda uji. Karena dimungkinkan penggunaan tipe sensor ultrasonik yang tidak sesuai.
Kata kunci : komposisi massa, paduan biner,sensor
PENDAHULUAN
Peralatan untuk pengujian komposisi bahan terutama logam salah satunya adalah Spectrometer yaitu alat uji komposisi bahan yang mempunyai teknologi tinggi. Cara kerja Spectrometer berdasarkan intensitas gelombang warna masing-masing unsur pemadu dari logam paduan, maka akan diketahui prosentase komposisi pada bahan uji tersebut, tetapi alat ini harganya relatif mahal. Laboratorium pengujian bahan pada lembaga pendidikan tinggi di Indonesia yang mempunyai alat ini masih sangat terbatas. Hasil penelitian yang telah dilakukan Agus Slamet, Amrul, 2007 tentang Prototipe Alat Uji Komposisi berdasarkan Gaya Angkat Fluida, prinsip kerjanya berdasarkan benda yang terbenam atau terapung pada permukaan fluida cair, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut terjadi karena tekanan fluida cair atau disebut sebagai gaya buoyancy. Prototipe alat uji komposisi tersebut dapat digunakan untuk mengukur komposisi massa logam paduan dua unsur dengan hasil pengukuran komposisi massa terdapat perbedaan 3,31% sampai 4,96%, kemudian diperbaiki menjadi 0,20% dibandingkan dengan hasil pengukuran menggunakan Spectrometer. Penggunaan prototipe alat uji ini dalam pembacaan perubahan volume air masih manual dengan mengamati perubahan permukaan air dengan penglihatan mata, Data volume tersebut dan data ukuran massa yang dihasilkan dimasukan secara manual ke program perhitungan komposisi, sehingga menyebabkan penyimpangan hasil pengukuran. Kemampuan pengukuran prototipe alat uji komposisi tersebut masih bisa dioptimalkan atau dikembangkan dengan menggunakan sensor volume dan massa yang terintegrasi dengan perangkat lunak sistem pengolahan data yang divisualisasikan melalui aplikasi visual basic, sehingga kesalahan pembacaan data melalui mata dan memasukan data volume dan massa dapat dihindari,
Untuk menghasilkan alat uji komposisi logam paduan dua unsur dengan kemampuan pengukuran yang diharapkan mendekati atau sama dengan hasil pengukuran menggunakan Spectrometer dengan harga jauh lebih murah, maka perlu dilakukan rancang bangun alat uji komposisi massa pada logam paduan menggunakan sensor volume dan massa serta hasil pengukuran ditampilan dengan visual basic, Rancangan alat ini terdiri dari komponen-komponen utama yaitu :- - Dudukan / holder benda uji - Meja uji
- Unit sensor massa
- Unit sensor volume Pengujian terhadap rancang bangun alat uji komposisi ini dilakukan untuk mengetahui unjuk kerja dan fungsi dari sensor volume dan sensor massa yang dapat menghasilkan nilai hasil pengukuran secara konsisten serta data pengukuran dapat dibaca dan diolah dengan program pengolah data . Benda atau sampel uji yang digunakan adalah logam paduan biner tin (Sn) dengan lead (Pb).
Rancangan Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner Menggunakan Sensor Volume Dan Massa dapat dilihat pada gambar 1 berikut : (Feri Nur Akbar,Dkk, 2015)
3
2
4
5
6
1 Keterangan :
1. Meja Uji
4. Unit Sensor Volume
2. Dudukan/holder Benda Uji
5. Sistem Mekanik Roda Gigi
3. Unit Sensor Massa
6. LCD Display 16x2
Gambar 1 : Rancangan Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan
Biner Menggunakan Sensor Volume Dan Massa
TINJUAN PUSTAKA Bouyancy (Gaya Angkat)Jika suatu benda terbenam atau terapung pada permukaan fluida cair maka gaya yang bekerja pada benda tersebut terjadi karena tekanan fluida cair atau disebut sebagai gaya angkat /bouyancy. (Robert W Fox, 2004) Gaya vertikal pada benda terjadi karena tekanan hidrostatik dapat ditentukan sebagai berikut : dp
g dh Kesetimbangan Gaya
Benda terbenam di dalam fluida cair dan dalam keadaan diam pada posisi tertentu, maka pada benda tersebut mencapai kesetimbangan mekanik atau terjadi kesetimbangan gaya. (Robert W Fox, 2004) Menggunakan Hukum Kedua Newton maka kesetimbangan gaya yang terjadi pada benda yang terbenam pada fluida cair dengan massa jenis dapat ditulis sebagai berikut :
F a m
net
F
z
F
Fluida
F gravitasi
a
Bila benda dalam keadaan setimbang atau diam maka = 0 , sehingga ; F F F F m a
net gravitasi z
sedangkan Gaya Angkat = Fz = gV ;dan Fgravitasi = benda gV Kesetimbangan gaya dapat ditulis menjadi : Fnet - Fgravitasi + Fz = 0 Fgravitasi = Fnet + gV = benda gV F net
benda gV
Kesetimbangan Massa
Jika benda tersebut merupakan campuran dari dua unsur yang mempunyai massa m1 dan massa m2 ,maka kesetimbangan massa benda dapat dituliskan menjadi : mbenda = m1 + m2 jika kesetimbangan massa ditulis dalam bentuk satuan volume maka : Vbenda = V1 + V2 sedangkan V = m / Jadi kesetimbangan massa juga dapat dinyatakan sebagai berikut : m m m benda
1
2 m2 = mbenda – m1 sehingga ; benda m m ( m m ) benda benda
1
2
1
1
benda
1
2
(Agus Slamet,Amrul,2007)
m m
1
1 benda
1
1
1
benda
1
2
2 Sensor Ultrasonik
Gelombang ultrasonik mempunyai frekuensi di atas frekuensi gelombang suara yaitu lebih dari 20 KHz. Sensor ultrasonik terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik yang disebut transmitter dan rangkaian penerima ultrasonik yang disebut receiver. Sinyal ultrasonik yang dibangkitkan akan dipancarkan dari transmitter ultrasonik.
Sensor ultrasonik menggunakan gelombang suara yang dipancarkan dengan frekuensi sebesar 40 KHz oleh transmitter ke benda atau permukaan air yang berhadapan dengan sensor. Benda atau permukaan air akan memantulkan gelombang suara tersebut ke receiver sensor, hasil pembacaan sensor dikirim ke dalam rangkaian program microcontroller untuk diolah dan dihitung sebagai jarak terhadap benda atau permukaan air.. Pada rancangan ini jarak ketinggian permukaan air yang berada di gelas ukur dikalikan luas penampang gelas ukur untuk mengetahui volume serta perubahan volumenya yang akan ditampilkan pada LCD.
Gambar 2 : Sensor Ultrasonik
Sensor Berat (Load Cell)
Load cell adalah sebuah sensor gaya berisi pegas (spring) logam mekanik dengan mengaplikasikan beberapa foil metal strain gauges (SG). Regangan dari pegas mekanik karena adanya pembebanan yang kemudian ditransmisikan pada strain gauges. Pengukuran sinyal yang dihasilkan dari load cell adalah dari perubahan resistansi strain gauge yang linier dengan gaya/beban yang berikan. Kalibrasi dan karakterisasi load cell dapat dilakukan baik secara analog maupun digital. 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
.( Feri Nur Akbar,Dkk, 2015). Sensor yang memberikan output tegangan dari perubahan resistansi yang terjadi akibat adanya perubahan posisi penyangga beban, yaitu massa benda sebelum dan sesudah dicelupkan ke dalam fluida. Perubahan tersebut harus dimasukan ke dalam modul HX711 agar tegangan dapat dibaca oleh rangkaian program microcontroller untuk diolah dan dihitung perubahan massa yang terjadi akan ditampilkan pada LCD.
Gambar 3 : Unit Sensor Massa
Mikrokontroler ArduinoArduino merupakan sebuah mikrokontroler single-board yang bersifat open-source . Arduino dirancang sedemikian rupa sehingga memudahkan para penggunanya di bidang elektronika. Board Arduino didesain menggunakan processor Atmel AVR dan mendukung I/O pada board-nya. Software untuk Arduino terdiri dari compiler bahasa pemrograman standar dan boot-loader. Bahasa pemrograman yang digunakan adalah C. Dalam sebuah mikrokontroler Arduino dapat pula ditanamkan berbagai macam library maupun metode selama kapasitas memori dari sebuah mikrokontroler mencukupi.(Gigih Priyo Nugroho,Dkk, 2013 )
Gambar 4 : Mikrokontroler Arduino Uno METODE PENELITIAN
Perancangan dan Pembuatan Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner
berdasarkan hasil analisis data awal dibuat rancang bangun alat uji komposisi dengan memodifikasi rancangan, terutama pada sistem pembacaan volume air pada gelas pengukur menggunakan sensor volume untuk meningkatkan keakuratan pengukuran volume air dan sensor massa untuk mengukur massa benda uji yang terbenam air di dalam gelas ukur yang hasilnya ditampilkan di layar monitor. Sistem pemegang (holder) bahan uji saat dimasukan ke dalam air pada gelas pengukur dibuat lebih mudah untuk memasang dan melepaskan bahan uji ,juga dapat memosisikan bahan uji di tengah gelas ukur. Keluaran dari tahapan ini adalah Alat Uji komposisi massa logam paduan hasil modifikasi dengan dilengkapi sensor volume dan massa.
Pembuatan Set Komposisi Bahan Uji
Pada tahapan ini dibuat satu set komposisi bahan uji yang yang terbuat dari paduan logam Tin (Sn) dengan Lead (Pb). Satu set komposisi bahan uji ini dengan massa paduan bahan uji mempunyai rentang antara 75% Sn dengan 25% Pb, bahan uji mempunyai massa total sekitar 100 gram.
Pengujian Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner
Langkah pengujian Alat Uji komposisi ini adalah dengan memasukan bahan uji yang sudah terkalibrasi ke dalam gelas ukur yang berisi air sampai tercelup semuanya pada posisi di atas dasar gelas ukur, maka permukaan air di dalam gelas ukur akan naik yang akan terbaca oleh sensor volume sebagai volume benda uji dan secara bersamaan sensor massa akan membaca massa benda uji saat terbenam di dalam air yang merupakan presentasi gaya netto. Pembacaan volume dan massa oleh sensor tersebut secara bersamaan akan ditampilkan pada monitor, selanjutnya data hasil pembacaan dari sensor
volume dan massa dimasukan (enter) secara manual
dan diolah dengan program aplikasi pengolah data yang juga akan ditampilkan pada monitor sebagai komposisi massa dari bahan uji. Langkah tersebut di atas diulang minimal lima kali untuk setiap bahan uji. Data hasil pengujian bisa untuk mengetahui nilai penyimpangan dan ketidakpastian pengukuran dari Alat Uji komposisi ini.
HASIL DAN PEMBAHASAN Perancangan dan Pembuatan Alat
Rancangan Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner Menggunakan Sensor Volume Dan Massa yang telah dimodifikasi dan akan dibuat adalah seperti gambar berikut
Gambar 5 : Rancangan Alat Uji
Pembuatan Meja Uji yang dilengkapi dengan sistem mekanik roda gigi menggunakan bahan untuk rangka meja dari baja profil 30 mm x 30 mm dan dinding penutupnya menggunakan bahan fiber setebal 3 mm. Sistem mekanik roda gigi terdiri dari poros beserta bantalannya dan pasangan jenis roda gigi lurus dan jenis kerucut lurus. Dudukan atau Holder benda/sample uji dibuat terdiri dari dua poros baja dan poros ulir dan dudukan untuk sensor massa dan benda uji yang dapat bergerak naik dan turun, dibuat dari bahan alumunium alloy termasuk dudukan untuk sensor volume. Unit Sensor Massa yang berfungsi untuk mengukur massa benda/sampel uji pada saat sebelum dan sesudah dibenamkan ke dalam air di dalam gelas ukur. Komponen Unit Sensor Massa ini dipilih jenis Micro Load Cell 500 dan Weighing Sensor Module HX711 yang dihubungkan dengan Electronic Brick Series Microcontroller. Prinsip kerja dari sensor massa ini adalah sensor memberikan output tegangan dari perubahan resistansi yang terjadi karena adanya perubahan posisi penyengga beban yang disebabkan adanya perubahan massa benda sebelum dan sesudah dibenamkan ke dalam air pada gelas ukur, perubahan tersebut dikirimkan ke Weighing Sensor Module HX711 agar didapat tegangan yang dapat dibaca oleh rangkaian program Electronic Brick Series Microcontroller untuk selanjutnya diolah untuk menghitung besarnya perubahan massa yang terjadi , selanjutnya hasilnya akan ditampilkan melalui LCD Display 16x2. Unit Sensor Volume mempunyai fungsi untuk mengukur perubahan volume air di dalam gelas ukur pada saat benda/sampel uji dibenamkan ke dalam air tersebut. Komponen Unit Sensor Volume ini dipilih jenis Ultrasonic Sensor Module yang dihubungkan dengan Electronic Brick Series Microcontroller. Prinsip kerja dari Sensor Volume ini adalah menggunakan gelombang suara dengan prinsip kerja memancarkan gelombang suara sebesar 40 KHz oleh transmitter ke permukaan air di dalam gelas ukur yang berhadapan dengan sensor, selanjutnya permukaan air akan memantulkan balik gelombang suara tersebut dan diterima oleh receiver sensor kemudian hasil pembacaan sensor berupa perubahan tegangan dikirim dan dibaca oleh rangkaian program Electronic Brick Series Microcontroller untuk selanjutnya diolah untuk menghitung jarak terhadap permukaan air di dalam gelas ukur. Besarnya jarak tersebut dikalikan luas penampang gelas ukur adalah besarnya perubahan volume yang terukur, kemudian hasilnya akan ditampilkan melalui LCD Display 16x2. Hasil pengukuran perubahan massa benda uji dan perubahan volume air di dalam gelas ukur yang ditampilkan pada LCD Display selanjutnya secara manual diinputkan ke dalam program Visual Basic untuk diproses sehinnga akan didapatkan dan ditampilakan besarnya prosentase massa logam paduan biner dari benda/sampel uji. Rancang bangun dari Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner Menggunakan Sensor Volume Dan Massa seperti gambar berikut :
Gambar 6: Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner
Menggunakan Sensor Volume Dan Massa
Pengujian Alat Pengambilan DataPengujian alat uji komposisi logam ini berdasarkan prosedur pengujian pada metode penelitian, dengan menggunakan bahan uji satu set komposisi bahan uji ini dengan massa paduan bahan uji mempunyai rentang antara 75% Sn dengan 25% Pb . Spesifikasi bahan uji yang terbuat dari Tin (Sn) dan Lead (Pb) ditentukan seperti pada Tabel 1.
Tabel 1 Komposisi Massa Pada Bahan Uji
Bahan Uji Komposisi
Massa Benda Uji
Massa Bahan Uji (m b )
A Sn
69,85 % 99,50 gr
Pb 30,15 %
B Sn
74,69 % 98,80 gr
Pb 25,33 %
C Sn 84,84 %
98,91 gr Pb 15,16 % Hasil pengujian untuk ketiga bahan uji A,B dan C didapatkan nilai pengukuran seperti pada gambar berikut :
Hasil Pengujian Komposisi Massa % Sn Benda Uji % Pb Benda Uji % Sn Pengujian
120.00% % Pb Pengujian
94.52% 96.34% 100.00%
88.66% 84.84% 74.69%
80.00% 69.85% Komposisi
60.00% Bahan 40.00% 30.15%
25.31% 15.16% 20.00% 11.34%
5.48% 3.66% Massa
0.00% % A B C Seri Bahan Uji
Gambar 7 : Grafik Perbandingan Komposisi Massa Hasil Pengujian
Hasil Pengujian Alat UjiK komposisi Pada Benda UjiBerdasarkan dari pengujian dan perhitungan untuk ketiga Bahan uji A,B dan C yang didapatkan dengan menggunakan Alat Uji Komposisi Massa, maka hasilnya dapat dibandingkan dengan komposisi massa dari masing-masing bahan uji yang nilainya telah ditentukan seperti grafik pada Gambar 7. Pada grafik perbandingan komposisi massa hasil pengujian bahan uji A,B dan C terlihat bahwa hasil pengujian komposisi massa nilainya tidak sama dengan komposisi massa yang telah ditentukan pada bahan uji. Perbedaan nilai yang terjadi untuk masing-masing bahan uji dapat dilihat pada Tabel 2 .
Tabel 2 Perbedaan Hasil Pengujian Bahan Uji
Pengukuran Komposisi
Komposisi Bahan Uji Massa Perbedaan
Massa Benda Uji
Benda Uji 69,85 %
Sn 88,66 % A
18,81 % 30,15 % 11,34 %
Pb 74,69 % 94,52 %
Sn 19,85 %
B 25,33 % 05,48 %
Pb 96,34 %
Sn 84,84 % C
11,5 % Pb 15,16 % 03,66 % Perbedaan nilai hasil pengukuran pada Tabel 2 untuk ketiga bahan uji tidak ada yang sama dapat diindikasikan bahwa sensor volume atau tipe sensor ultrasonik yang digunakan tidak sesuai karena pada sensor yang digunakan antara transmitter dan receiver mempunyai jarak, sehingga gelombang suara yang dipancarkan dipengaruhi oleh permukaan diding gelas ukur dan terjadi bias dalam mengukur jarak permukaan air di gelas ukur. Pada data pengukuran perubahan volume pembacaan oleh sensor terjadi perbedaan cukup signifikan dengan nilai pembacaan dengan gelas ukur. Ada kemungkinan nilai komposisi massa dari bahan uji yang telah ditentukan sebenarnya nilainya tidak sebesar pada Tabel 1. Analisis ini berdasarkan pada ketiga bahan uji seperti pada Tabel 1 komposisi massanya setelah dilakukan pengecoran belum diuji dengan menggunakan Spectrometer, sehingga tidak menutup kemungkinan komposisi massanya tidak seperti tersebut di atas.
SIMPULAN
Berdasarkan dari hasil pengujian dan pengambilan data serta pembahasannya maka dapat dibuat kesimpulan sebagai berikut :
1. Rancang bangun Alat Uji Komposisi Massa dapat berfungsi untuk mengukur logam dengan paduan dua unsur dengan luaran massa bahan uji sebelum maupun saat di dalam fluida (air) sebagi representasi resultan gaya dan volume air yang dipindahkan atau volume bahan uji.
2. Hasil pengukuran komposisi massa dari hasil pengujian dari ketiga bahan uji menghasilkan perbedaan nilai komposisi massa dibandingkan dengan nilai yang sudah ditentukan. Nilai perbedaan untuk bahan uji A,B dan C berturut-turut 18,81 %, 19,85 % dan 11,5 %.
3. Analisis perbedaan nilai hasil dari pengukuran disebabkan penggunaan tipe sensor ultrasonik yang mempunyai transmitter dan receiver terpisah menyebabkan hasil pengukuran menyimpang, serta komposisi massa bahan uji belum diuji kebenarannya nilainya dengan Spectrometer.
DAFTAR PUSTAKA
Agus Slamet, Amrul,2007, Rancang Bangun Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Berdasarkan Gaya Fluida, Jati Undip,Jurnal Teknik, Vol. 7,No.1, Industri Universitas Diponegoro.
Ferry Nur Akbar,Dkk, 2015, Rancang Bangun Aplikasi Microcontroller Dan Sensor Load Cell Serta Sensor Ultrasonic Pada Mesin Uji Komposisi Logam Paduan Biner Dengan Prinsip Distribusi Gaya Angkat Fluida Statis, Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin Polines, Semarang
Gigih Priyo Nugroho,Dkk, 2013, Sistem Pendeteksi Dini Banjir Menggunakan Sensoor Kecepatan Air dan Sensor Ketinggian Air Pada Mikrokontroler Arduino, Jurnal Teknik POMITS, Vol 2,No.1, Surabaya.
Robert W Fox, 2004, Introduction To Fluid Mechanics, John Wiley&Son, New York.