SIMULATION OF TEMPERATURE AND VELOCITY MEASUREMENT AT OPEN MILL

  

SIMULATION OF TEMPERATURE AND VELOCITY MEASUREMENT AT OPEN

MILL

1) 1)

  W.P. Arsitika , D. Irwanto 1)Balai Besar Kulit, Karet, dan Plastik Yogyakarta

  Email:

  ABSTRACT Open mill is a machine that support rubber compounding process. Open mill is

applied to breakdown the rubber molecular chain so that easily to incorporate the

additive ingredients. The objective of this research was to set up a temperature and

velocity measurement system to optimize open mill function. Non-contact

thermometer used to measure temperature. Measured temperature display using

microcontroller modul and a character LCD. Proximity sensor used to measure

velocity. Measured velocity display using Meter Display.

  Key words: open mill, non-contact thermometer, microcontroller, proximity sensor

SIMULASI PENGUKURAN SUHU DAN KECEPATAN PADA OPEN MILL

  1) 1)

  W.P. Arsitika , D. Irwanto 1)Balai Besar Kulit, Karet, dan Plastik Yogyakarta

  Email:

  ABSTRAK Open mill merupakan peralatan yang digunakan dalam pembuatan kompon

  karet. Open mill digunakan untuk membantu memutus ikatan rantai molekul karet agar mudah dimasukkan zat aditif pada proses pembuatan kompon karet. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan sebuah sistem pengukuran suhu dan kecepatan untuk memaksimalkan fungsi open mill. Termometer non-kontak digunakan untuk pengukuran suhu. Penampilan suhu terukur menggunakan modul mikrokontroler dan LCD karakter. Sensor proximity digunakan untuk pengukuran kecepatan. Penampilan kecepatan terukur menggunakan Meter Display.

  Kata kunci: open mill, termometer non-kontak, mikrokontroler, sensor proximity

  PENDAHULUAN

  Penggunaan open mill untuk membuat kompon padat sudah lazim dilakukan, namun dirasakan masih belum optimal mengingat parameter terukur masih sangat terbatas. Hal ini akan mempersulit terutama pada saat melakukan pelaporan kegiatan karena minimnya informasi ilmiah yang didapatkan. Mengetahui parameter suhu dan kecepatan merupakan hal penting yang berguna untuk memonitor dan mengatur jalannya proses produksi kompon padat menggunakan open mill

  Mastikasi merupakan proses pertama dalam pembuatan kompon karet. Efisiensi proses ini akan menentukan keberhasilan proses selanjutnya dan unjuk kerja dari barang jadi karetnya. Standar pencampuran ditentukan oleh viskositas kompon dan dispersi bahan aditif kompon terutama carbon black dan sistem vulkanisasi. Sifat karet (seperti karet alam) adalah kering, liat dan harus mengalami mastikasi sebelum diproses. Semua ini dapat dilakukan dengan cara mechanical

  

shearing di open mill atau di dalam internal mixer. Proses mastikasi pada open mill

dilakukan dengan melewatkan karet secara berulang diantara roll mill atau nip.

  Two roll mill biasanya terdiri dari dua hollow cost iron yang dapat dilalui air

  untuk pendinginan atau uap untuk pemanasan. Kedua rol, depan dan belakang, berputar dengan kecepatan yang berbeda. Perbedaan kecepatan tersebut dikenal sebagai “friction ratio”. tan_ _ _

  

kecepa permukaan roll depan

Friction _ ratio

   (1) tan_ _ _

  

kecepa permukaan roll belakang

  Proses pencampuran berada diantara kedua roll yang disebut sebagai nip. Proses pencampuran yang e fektif memerlukan adanya “bank“ karet diatas nip. Pada proses penggilingan pengendalian suhu sangat penting. Air dingin dialirkan secara teratur untuk menghilangkan panas yang berlebihan yang dihasilkan selama pencampuran.

  Proses pencampuran umumnya berlangsung selama 30 – 40 menit.

  

Open Mill mempunyai banyak keuntungan diantaranya biaya produksi lebih murah,

  sehingga investasi kecil, adaptasi lebih mudah untuk kompon speciality, karakteristik pendinginan sangat bagus, sangat luas penggunaannya, untuk batch kecil sangat disukai. Namun, open mill memiliki kelemahan diantaranyapencampuran secara manual sehingga sangat tergantung keahlian operator, banyak kehilangan zat adiktif, proses kotor, dispersi dan viskositas tidak konsisten, sulit memperoleh hasil yang seragam dan sulit dibuat standar, keluaran rendah dan konsumsi daya tinggi.

  Karakteristik karet pada open mill berbeda-beda untuk tiap jenisnya.. Misalnya kompon hitam karet alam atau SBR, dan khloropren mempunyai respon yang baik bila digiling. Karet tetap tinggal di-roll yang lebih pelan (roll depan) dan dapat ditambahkan bahan pengisi dan minyak secara perlahan sampai bahan mulai pindah ke roll belakang. Pada tahap ini pencampuran harus dihentikan. Selanjutnya karet sintetik sudah mulai digiling dengan open mill ratio lebih rendah (misal 1: 1,1) untuk menghasilkan pencampuran yang efisien. EPDM tidak biasa digiling di open mill, tetapi begitu bahan pengisi dan minyak sudah masuk, maka open mill dapat digunakan. Karet ban biasa digiling menggunakan open mill dimulai pada suhu

  º

  kamar. NBR, EPDM dengan sedikit bahan pengisi efektif pada suhu 10

  C. CR

• – 30

  º

  efektif pada suhu 20

  C. EPDM dengan bahaqn pengisi tinggi / banyak efektif

• – 40

  º

  pada suhu 60 C.

• – 80 Suhu merupakan faktor yang memegang peranan penting dikarenakan pemasukan zat-zat aditif pada proses komponding karet akan lebih efektif dan efisien pada rentang suhu tertentu (bergantung pada jenis karet yang dipakai). Pada penelitian ini digunakan termometer non-kontak. Dikarenakan objek yang akan dideteksi merupakan objek yang bergerak, sehingga akan menyulitkan apabila menggunakan termometer kontak yang langsung bersentuhan dengan objek yang diukur.

  Pengukuran suhu permukaan benda menggunakan termometer non-kontak pada dasarnya yaitu mendeteksi intensitas inframerah. Pengukuran tersebut dapat dilakukan menggunakan kamera inframerah dan sensor pirometer. Pirometer memiliki keunggulan rentang pembacaan yang luas dan murah. (Van Alstyne, 2014)

  o

  Suhu pada proses komponding diperkirakan sekitar 80

  C. Meskipun suhu tersebut dikategorikan rendah jika dibandingkan aplikasi termometer non-kontak pada umumnya, namun penelitian-penelitian lainnya juga menggunakan termometer

  o

  non-kontak pada suhu di bawah 100

  C. Diantaranya Biyofizik AD, Tip Fak., (2010) dan Van Alstyne, K.L., and Olson, T.K., (2014). Hal yang harus diperhatikan bahwa termometer non-kontak memiliki area pembacaan tertentu. Untuk mendapatkan pembacaan yang tepat, maka harus memposisikan ketinggian sensor sehingga target yang diukur berada di dalam area pembacaan sensor (Klaus, 2003). Hal tersebut dijelaskan pada Gambar 1.

  Gambar 1. Area pembacaan termometer non-kontak Kecepatan roll merupakan parameter yang digunakan untuk memastikan bahwa proses komponding dalam kondisi stabil dengan kecepatan tetap pada saat memasukkan zat-zat aditif. Kualitas kompon yang dihasilkan akan berbeda dibandingkan dengan proses komponding dengan kecepatan seadanya atau tidak terukur.

  Dengan penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan kualitas dan stabilitas kompon serta dapat memberikan informasi ilmiah yang lebih akurat pada tahap penulisan laporan kegiatan.

BAHAN DAN METODE

  Tabel 1. Spesifikasi peralatan pembacaan suhu Nama Alat Merk Tipe Spesifikasi khas

  Tegangan keluaran 0-5 Vdc, rentang Termometer

  o

  Raytek CI3A pengukuran: 0-350

  C, Akurasi: + 3 %, non-kontak Catu daya: 12-24 Vdc Microcontroller: ATMega 328,

  Modul Uno Arduino Tegangan operasi: 5 Vdc, pin ADC: 6

  microcontroller R3

  pin, Flash memory: 32 kB

• Character LCD Ukuran 16 x 2 karakter Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dikelompokkan dalam dua kelompok besar, yaitu peralatan pembacaan suhu dan peralatan pembacaan kecepatan. Spesifikasi peralatan pembacaan suhu ditampilkan pada Tabel 1. Spesifikasi peralatan pembacaan kecepatan ditampilkan pada Tabel 2.

Tabel 2. Spesifikasi peralatan pembacaan kecepatan Nama Alat Merk Tipe Spesifikasi khas

  Proximity E2E- Jarak pembacaan: 5mm, catu daya:

  Omron

  sensor

  X5E1 12-24 Vdc

  Input: rotary pulse, Output: 2 relay

  K3MA-

  Meter display Omron contact output, Catu daya: 100-240

  F-A2 Vac

  Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini yaitu: pengumpulan data melalui studi pustaka maupun studi lapangan, persiapan bahan dan alat, pelaksanaan penelitian dan pengujian, evaluasi data, serta penyusunan laporan.

  Pemrograman Arduino Uno menggunakan perangkat lunak berbasis Integrated Development Environment (IDE). Bahasa pemrograman yang digunakan adalah bahasa C yang disederhanakan dan didukung dengan library untuk memudahkan proses pemrograman (Wheat, 2011).

  Beberapa rangkaian elektronik dibutuhkan mikrokontroler pada proses pemrograman, sehingga modul mikrokontroler digunakan. Arduino Uno merupakan salah satu open-source modul mikrokontroler berbasis Atmega 328. Fasilitas yang diberikan yaitu 14 pin I/O, 6 pin input analog, serta koneksi dengan komputer untuk pemrograman menggunakan kabel Universal Serial Bus (USB) (Teikari et al., 2012).

  Peralatan dirangkai dengan skema kerja pada Gambar 2. Sensor suhu digunakan untuk mendeteksi intensitas infra merah yang masuk dan menghasilkan nilai berupa tegangan Direct Current (DC) analog dengan nilai konversi 10

  o

  milivolt/

  C. Tegangan DC analog ini dihubungkan dengan pin Analog to Digital

  

Converter (ADC) yang ada pada Arduino Uno R3. Di dalam Arduino Uno R3

dilakukan konversi menjadi data berupa nilai suhu dengan satuan derajat Celcius.

  Hasil konversi tersebut divisualisasikan melalui LCD.

  Modul mikrokontroler Arduino Uno R3 dimasukkan program seperti pada Gambar 3. Detik pada Gambar 3 bukanlah sebagai detik satuan waktu, melainkan hanya sebagai variabel dalam pemrograman. Pembacaan suhu dilakukan persatuan waktu dengan suhu tertampil adalah rata-rata dari 5 pembacaan sebelumnya. Setiap satuan waktu dilakukan pembacaan pin ADC sebanyak 20 ribu kali dengan waktu jeda antar pembacaan adalah 100 mikro-detik sebagaimana dijelaskan pada Gambar

  4. Kemudian pembacaan ADC dikonversi menjadi nilai suhu dengan sub-rutin Hitung_Suhu(); sebagaimana ditampilkan pada Gambar 5.

  Gambar 2. Skema kerja pengukuran suhu kompon Gambar 3. Program Pembacaan Suhu Gambar 4. Pembacaan Pin ADC Setiap 100 mikro-detik Gambar 5. Sub-rutin Hitung_Suhu();

  Arduino Uno hanya dapat membaca nilai ADC dan mengkonversikannya seperti pada Gambar 5, sedangkan tampilan LCD harus menunjukkan nilai suhu yang sebenarnya. Untuk itu, perlu dilakukan verifikasi terhadap pembacaan suhu. Verifikasi pembacaan suhu dilakukan menggunakan silicon oil-bath (microbath) di Laboratorium Kalibrasi Balai Besar Kulit, Karet, dan Plastik. Skema kerja verifikasi menggunakan microbath disajikan pada Gambar 6. Verifikasi perlu dilakukan untuk memastikan bahwa proses konversi yang dikerjakan Arduino Uno R3 memberikan nilai tepat dan akurat. Penggunaan voltmeter pada Gambar 6 sebagai data pendukung bahwa adanya keterkaitan secara linear antara pembacaan voltmeter dan pembacaan alat.

  Gambar 6. Skema kerja verifikasi pembacaan suhu

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Pengukuran Suhu

  Pengukuran suhu kompon ketika proses penggilingan dilakukan menggunakan termometer non-kontak. Cara kerjanya dengan mendeteksi intensitas infra merah yang dipancarkan oleh kompon dan ditangkap oleh non-contact

  

thermometer. Kemudian hasilnya disajikan dalam tampilan Liquid Crystal Display

(LCD) dengan satuan derajat Celcius.

  Tabel 3 menampilkan pembacaan suhu hasil sub-rutin Hitung_Suhu(); dengan verifikasi oilbath. Hasil verifikasi pertama pembacaan suhu disajikan dalam Tabel 1, dimana hasil pembacaan masih belum memberikan hasil yang baik. Untuk itu perlu dilakukan proses penyesuaian atau adjustment dari data yang diperoleh. Adjustment dilakukan dengan memperhitungkan faktor koreksi dan memanfaatkan nilai interpolasi data.

  Tabel 3. Hasil verifikasi pembacaan suhu menggunakan sensor tipe CI3A Suhu Microbath Pembacaan Alat No.

  o o

  (

  C) (

  C) 1. 25 23,55 2. 30 28,2 3. 35 33,2 4. 40 38,5 5. 45 43,95 6. 50 49,6 7. 55 55,5 8. 60 60,05 9. 65 64,65 10. 70 69,6 11. 75 74,35 12. 80 79,15 13. 85 84,6 14. 90 89,5 Data dari Tabel 3 dapat dibagi menjadi 3 buah data interpolasi dengan

  o o o

  batasan, yaitu: kurang dari 50

  C, 50-65

  C, dan lebih dari 65

  C. Penentuan persamaan interpolasi menggunakan bantuan perangkat lunak Microsoft excel dengan hasil ditampilkan di Gambar 7.

  Data Gambar 7, dilakukan simulasi perhitungan untuk mendapatkan batas yang tepat untuk diterapkan 3 buah persamaan interpolasi. Hasilnya diperoleh batasan sebagai berikut:

  o

  1. Suhu dibawah 53,2 C dengan persamaan interpolasi y = 0.9562x + 2.9171;

  o o

  2. Suhu antara 53,2 C dengan 62,4 C dengan persamaan interpolasi y = 1.0018x - 0.0542;

  o

  3. Suhu lebih dari 62,4 C dengan persamaan interpolasi y = 0.9562x + 2.9171; dimana y adalah pembacaan yang sesuai dengan microbath dan x adalah pembacaan alat sebelum diinterpolasi. Melalui penyesuaian pembacaan data menggunakan interpolasi, maka data yang ditampilkan lebih mendekati nilai benar dari suhu yang diukur. Hasil alat pemantau suhu ditampilkan pada Gambar 8.

  Gambar 7. Penentuan area interpolasi Gambar 8. Peralatan pemantauan suhu open mill

B. Pengukuran Kecepatan

  Terdapat beberapa cara dan pilihan untuk mengukur kecepatan putar. Di antaranya dengan mengombinasikan proximity sensor dengan display meter. Pada dasarnya proximity sensor memberikan informasi berupa sinyal ketika sebuah objek tertentu mendekatinya dalam jarak tertentu (Fraden, 2010). Berdasarkan manual

  

book dari proximity sensor merk Omron tipe E2E-X5E1 (Manual book, 2008) bahwa

proximity sensor ini mendeteksi objek berupa logam pada jarak 5 mm. Maka

proximity sensor ini digunakan untuk mendeteksi gigi roda pada roda gigi open mill

pada jarak maksimum 5 mm.

  Diagram pemasangan proximity sensor dan display meter disajikan pada Gambar 7. Proximity sensor menghadap bagian berputar, kemudian dihubungkan dengan display meter. Implementasi pemasangan proximity sensor sebagaimana ditampilkan pada Gambar 8.

  Proximity sensor memberikan sinyal digital logika 1 ketika ada gigi roda di

  depannya dan memberikan sinyal digital logika 0 ketika tidak ada gigi roda di depannya. Sinyal digital ini akan digunakan oleh display meter untuk menghitung waktu yang dibutuhkan untuk menempuh satu gigi roda ke gigi roda yang lain.

  Display meter merk Omron tipe K3MA-F-A2 dapat digunakan untuk berbagai

  aplikasi, maka dari itu perlu dilakukan pengaturan awal sehingga hasil yang ditampilkan sesuai dengan keadaan yang dibutuhkan.

  Parameter yang harus diatur pertama kali yaitu:

  a. Scaling input value, bilangan bulat positif, digunakan untuk mengurangi kesalahan dalam penskalaan.

  b. Scaling display value, bilangan bulat positif, digunakan untuk mengkonversikan sinyal digital dari proximity sensor menjadi nilai yang ditampilkan dalam rpm.

  c. Decimal point position, digunakan untuk jumlah digit di belakang koma desimal. Gambar 7. Pemasangan proximity sensor dan display meter (Manual book, 2008) Gambar 8. Posisi pemasangan proximity sensor

  Pada pengukuran kecepatan open mill diinginkan nilai kecepatan dalam satuan rotation per minute (rpm) sehingga rumusnya:

  1 _

  60 Display value  rotasi rpm   f 

    (2) N

  dimana N adalah jumlah sinyal digital logika 1 yang diterima display meter dalam satu rotasi dan f adalah frekuensi input. Sesuai dengan Gambar 8, nilai N = 24. Apabila frekuensi input 1 Hz, maka persamaan (2) menjadi:

  1 _

  1

  60 Display value   

  24 Display value = 2,5 rpm. Ketelitian yang dibutuhkan dalam pengukuran kecepatan open mill yaitu 0,01 rpm, sehingga parameter pada display meter diisi sebagai berikut: a. Scaling input value  100

  b. Scaling display value  25000

  c. Display point position  000,00 Hasil pengamatan bahwa open mill memiliki kecepatan yang berubah-ubah pembacaannya antara 17,47-18,10 rpm sebagaimana ditampilkan pada Gambar 9.

  (a) (b) Gambar 9. (a) Kecepatan maksimum mill; (b) Kecepatan minimum mill

  KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan

  Pemantauan suhu kompon saat proses penggilingan menggunakan termometer non-kontak merk Raytek tipe CI3A dan untuk penampil suhu digunakan modul mikrokontroler merk Arduino Uno R3 yang dilengkapi Character LCD. Untuk memberikan pembacaan yang tepat maka persamaan interpolasi yang digunakan

  o o

  adalah y = 0.9562x + 2.9171 pada T < 53,2 C; y = 1.0018x - 0.0542 pada 53,2 C <

  o o

  T < 62,4 C ; dan y = 0.9562x + 2.9171 pada T > 62,4 C.

  Pemantauan kecepatan putar mill digunakan proximity sensor merk Omron dan untuk penampil kecepatan digunakan Meter Display merk Omron. Untuk menghasilkan ketelitian 0,01 rpm, parameter pada display meter diisi angka 100 pada Scaling input value; angka 25000 pada Scaling display value; dan angka 000,00 pada Display point position.

  Saran

  Pada penelitian ini masih perlu dicoba proses pendinginan menggunakan nitrogen cair yang memiliki suhu ekstrim sehingga proses pengendalian suhu dapat lebih efisien. Selain itu, perlu dilakukan pengembangan untuk mengendalikan kecepatan putar mill.

UCAPAN TERIMA KASIH

  Penulis mengucapkan terima kasih kepada tim kelompok kerja Balai Besar Kulit, Karet, dan Plastik dengan judul “Optimalisasi Parameter Terukur pada Open

  mill

  ”, yaitu: Syakir Hasyimi, Widari, Sujarwoko, Hardono, dan Mujiono, atas bantuan dan kerjasama selama pelaksanaan penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

  

Atmel Corporation, 2009, Atmel 8-bit AVR Microcontroller with 4/8/16/32K Bytes In-

System Programmable Flash ATmega48PA, ATmega88PA, ATmega168PA, ATmega328P, diakses pada 26 Juni 2013.

Biyofizik AD, Tip Fak., 2010, IEEE. Contact/non-contact sensor mesh for body

temperature monitoring. Fraden, Jacob, 2010, Handbook of Modern Sensors, New York: Springer.

Klaus, Dieter Gruner, 2003, principles of Non-contact temperature measurement,

Raytek Corporation. Alamat website: Diakses pada 16 Oktober 2015. Manual book, 2008, Cylindrical Proximity Sensor E2E/E2E2, Omron Corporation.

Manual book, 2008, Noncontact Temperature Measurement for Industrial

Applications, Raytek Corporation. Manual book, 2012, Frequency / Rate Meter K3MA-F, Omron Corporation

Teikari P., Najjar R.P., Malkki H., Knoblauch K., Dumortier D., Gronfier C., Cooper

  H.M., 2012, An inexpensive Arduino-based LED stimulator system for vision research, Journal of Neuroscience Methods, 211: 227-236.

Van Alstyne, K.L., and Olson, T.K., 2014, Estimating variation in surface emissivities

of intertidal macroalgae using an infrared thermometer and the effects on temperature measurements, Springer, Mar Biol (2014) 161:1409

• –1418. DOI 10.1007/s00227-014-2429-3 Wheat, D. 2011, Arduino Internals, Apress, New York.