Rancang Bangun Data Logger Massa Menggunakan Load Cell/ Strain Gauge

Admin
0
1. Pendahuluan
Pesatnya perkembangan teknologi dan informasi memberikan kemudahan bagi manusia untuk memenuhi kebutuhan hidup sehari-hari. Selain itu, perkembangan ini juga telah menjangkau hampir seluruh aspek kehidupan manusia. Digitalisasi alat ukur analog adalah salah satu contohnya dan hampir diterapkan pada semua jenis alat ukur modern. Dari sejumlah piranti ukur yang beralih dari sistem analog ke digital tersebut, timbangan juga merupakan salah satunya.

Timbangan digital dapat dirancang menggunakan load cell berbasis strain gage yang bekerja berdasarkan prinsip perubahan hambatan apabila diberi gaya tekan oleh massa yang diterapkan. Dikarenakan sinyal keluaran yang dihasilkan oleh load cell sangat kecil, digunakan amplifier untuk memperbesar sinyal keluaran tersebut.  Sebagai unit pemroses data, digunakan mikrokontroller Arduino Uno R3 yang bekerja dengan tegangan 5V. Agar mudah dibaca dan dioperasikan, dibuat sistem antar muka pada komputer menggunakan LabVIEW sebagai salah satu perangkat lunak yang cukup handal dan memiliki banyak fasilitas yang memadai. Selanjutnya timbangan digital diimplementasikan pada jasa pengiriman barang yang mana selama ini masih menggunakan pencatatan manual.

2. Strain Gage sebagai Sensor Regangan
Strain gauge adalah bagian yang sangat penting dari sebuah load cell yang berfungsi untuk mendeteksi besarnya perubahan dimensi jarak yang disebabkan oleh suatu elemen gaya). Strain gauge secara umum digunakan dalam pengukuran presisi gaya, berat, tekanan, torsi, perpindahan dan kuantitas mekanis lainnya. Strain gauge menghasilkan perubahan nilai tahanan yang berbanding lurus dengan pertambahan panjang yang dialami koil sensitif pada elemen strain gage tersebut [4].

Gambar 1. Skematik strain gauge

Besarnya regangan yang dihasilkan diberikan oleh persamaan [2]:
Parameter ∆R adalah perubahan hambatan yang dialami strain gauge , R adalah hambatan awal strain gage. Sedangkan ∆L adalah perubahan panjang, serta L, ε dan K masing-masing adalah panjang awal, regangan, dan faktor gage yang dimiliki bahan sensor tersebut.
Normalnya, perubahan nilai tahanan ini sangatlah kecil, sehingga memerlukan sirkuit jembatan Wheatstone untuk mengkonversinya menjadi tegangan keluaran.

Gambar 2. Strain gauge sebagai resistor variabel pada sirkuit jembatan Wheatstone

Dengan mengasumsikan bahwa nilai tahanan masing-masing resistor R1=R2=R3=R4=R dan nilai R1 sensitif terhadap gaya tekan, maka nilai tahanannya akan menjadi R1= R+∆R.  Karena nilai R1 berubah, maka nilai tegangan keluaran e adalah [3]:


Jika dihubungkan dengan modulus Young (Y), dengan Y=(F⁄A)/ε , maka :
Persamaan (3) menunjukkan bahwa hubungan antara perubahan tegangan dan massa (gaya berat) yang diberikan pada sistem load cell adalah selalu berbanding lurus.

3. Penguat Tegangan IC INA125P
Sinyal keluaran  dari load cell masih sangat kecil dan berada dalam orde besaran mili volt. Untuk mendapatkan signal yang lebih besar digunakan sebuah penguat differensial. Pada penelitian ini digunakan IC penguat INA125P.

Gambar 3. Rangkain penguat pada INA125P [1]

Besarnya penguatan sinyal (G) yang dapat dihasilkan oleh  penguat INA125P bergantung nilai hambatan luar yang dipasang (Rg) dan diberikan oleh persamaan berikut  [5] :

4. Unit Pemroses dan Display
Sebagai unit pemroses digunakan mikrokontroller Arduino Uno R3 yang memiliki fasilitas ADC (Analog-Digital Converter). Selain itu Arduino Uno juga memiliki keluaran 5 VDC yang dapat digunakan untuk menyuplai tegangan ke load cell dan penguat INA125P dengan stabil.

Gambar 4. Arduino Uno.

Untuk menampilkan hasil pembacaan, digunakan perangkat lunak LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench). Karena aplikasinya yang luas dan kemampuannya dalam menyediakan paket khusus koneksi LabVIEW Interface For arduino (LIFA), maka LabVIEW merupakan salah satu perangkat lunak yang sesuai untuk menampilkan hasil pembacaan timbangan berbasis Arduino.

5. Desain dan Diagram Blok
Dalam proses perancangannya, timbangan digital dibuat berdasarkan diagram blok dibawah ini.

 Gambar 7.  Diagram blok timbangan digital.

Desain fisik timbangan digital yang telah dibuat ditampilkan pada gambar 8.

Gambar 8. Timbangan digital dengan load cell

6. Pengujian dan Validasi Alat Ukur
Pengujian dilakukan dengan menvariasikan nilai hambatan Rg pada rangkaian penguat. Variasi nilai Rg akan menghasilkan nilai penguatan yang bervariasi pula sesuai dengan persamaan (4). Selain itu, dengan menvariasikan Rg, spesifikasi timbangan (NST dan batas ukur) juga akan mengalami pergeseran. Berikut hasil pengujian sensitivitas dan batas ukur dengan menvariasikan nilai Rg.

Tabel 1. Pengaruh Rg terhadap sensistivitas dan batas ukur.

Dari tabel 1 terlihat bahwa nilai batas ukur terbesar didapatkan dengan nilai Rg = 15-25 Ω dengan sensitivitas terbaik pada Rg = 10 Ω. Hal ini menunjukkan, pada rentang variasi Rg tersebut semakin besar Rg yang digunakan, semakin tinggi nilai batas ukur, namun sensitivitas alat ukur berkurang. Hal ini kembali lagi pada jenis implementasi yang diterapkan nantinya.

Pada penelitian ini, digunakan Rg = 10 Ω sebagai hambatan tetap penguat INA125P. Nilai tersebut dipilih karena pada nilai Rg tersebut dihasilkan jangkauan pengukuran yang tinggi dan nilai sensitifitas yang tinggi pula. Hal ini dianggap sesuai untuk diimplementasikan pada jasa pengiriman barang berupa dokumen. Hasil validasi sensor menggunakan Rg = 10 Ω ditampilkan pada tabel 2 di bawah ini.

Tabel 2. Validasi sensor dengan Rg = 10 Ω.

Tabel 2 memperlihatkan bahwa nilai pembacaan yang dihasilkan oleh timbangan digital sudah sangat baik dan  hampir mendekati nilai sesungguhnya (massa uji) dengan nilai kesalahan relatif rata-rata sebesar 0,46 %. Ini menunjukkan bahwa timbangan digital yang dibuat sudah mampu memberikan nilai bacaan yang valid dengan nilai kesalahan yang kecil. Oleh karena itu, timbangan digital berbasis load cell ini sudah layak untuk diimplementasikan untuk menimbang massa beban yang dengan jangkauan maksimal 330 gram.

Pada penelitian ini, timbangan digital diimplementasikan untuk jasa pengiriman barang berupa dokumen. Seperti yang kita ketahui bahwa meskipun sudah menggunakan timbangan digital, namun proses pencatatan masih dilakukan manual. Oleh karena itu, implementasi timbangan digital pada penelitian ini difungsikan untuk dapat mencatat data secara otomatis. Hal ini dapat mengurangi kesalahan pembacaan yang diakibatkan oleh pengguna (human error). Berikut tampilan antar muka sistem jasa pengiriman barang yang telah dibuat menggunakan LabVIEW.

Gambar 9. Tampilan antar muka timbangan digital untuk jasa pengiriman barang.

Sistem antar muka didesain sesuai dengan kebutuhan data yang diperlukan pada proses pengiriman barang pada umumnya. Data tersebut berupa nama pengirim, nama penerima, kode pos, dan isi barang. Selain ditampilkan pada tabel, data tersebut juga tersimpan secara otomatis dalam bentuk file *txt, sehingga dapat diakses manual oleh pengguna.

7. Kesimpulan
Setelah melakukan penelitian, didapatkan kesimpulan :
  1. Timbangan digital sebagai data logger dapat dibuat dengan memanfaatkan load cell  berbasis strain gage.
  2. Nilai sensitivitas (NST) dan batas ukur timbangan digital bervariasi tergantung besar penguatan yang digunakan. Pada penelitian ini, digunakan penguatan sebesar 6004 kali dengan nilai sensitivitas dan batas ukur yang dihasilkan adalah 1 gram dan 330 gram.
  3. Hasil validasi menunjukkan timbangan digital yang dihasilkan mampu memberikan hasil pembacaan yang valid terhadap variasi massa uji yang diterapkan dengan nilai kesalahan relatif rata-rata adalah 0,46 %.

REFERENSI
  1. Amil dan Suwoyo, Rancang Bangun Sistem Otomatisasi Pengawasan Jembatan Timbang dengan Mikrokontroler AT89S51, Jurnal JPE-Umum, UNHAS, Makasssar (2013)
  2. Dieter, G, E., Mechanical Metalurgy. Si Metric Edition, London (1988)
  3. Halliday, D , Resnick, R., Walker,J., Fundamentals Of Physics. John Wiley and Sons, Kanada (1997)
  4. Magga, R., Penggunaan Strain Gage (Load Cell) Untuk Analisa Tegangan Pada Pembebanan Statik Batang Aluminium. Jurnal Mekanikal, Vol. 2 No. 1: Januari 2011: 53 – 61 Issn 2086 – 3403 (2011)
  5. Anonim, INA125P Datasheet, URL http://www.atmel.com/Images/doc8161.pdf [diunduh 17 November 2015]
Tags

Post a Comment

0Comments
* Please Don't Spam Here. All the Comments are Reviewed by Admin.
Post a Comment (0)

Disclaimer : Content provided on this page is for general informational purposes only. We make no representation or warranty of any kind, express or implied, regarding the accuracy, adequacy, validity, reliability, availability or completeness of any information.

#buttons=(Accept !) #days=(20)

Our website uses cookies to enhance your experience. Learn More
Accept !
To Top