Build and Design Viscometer with Microcontroller AVR


Bismillah hirrahman nirrahim

1. Perancangan Alat

Viskositas dapat dinyatakan sebagai tahanan aliaran fluida yang merupakan gesekan antara molekul – molekul cairan satu dengan yang lain. Suatu jenis cairan yang mudah mengalir, dapat dikatakan memiliki viskositas yang rendah, dan sebaliknya bahan – bahan yang sulit mengalir dikatakan memiliki viskositas yang tinggi. Pada hukum aliran viskos, Newton menyatakan hubungan antara gaya – gaya mekanika dari suatu aliran viskos sebagai :

“Geseran dalam ( viskositas ) fluida adalah konstan sehubungan dengan gesekannya”.

Hubungan tersebut berlaku untuk fluida Newtonian, dimana perbandingan antara tegangan geser (σ) dengan kecepatan geser (γ) nya konstan. Parameter inilah yang disebut dengan viskositas. Aliran viskos dapat digambarkan dengan dua buah bidang sejajar yang dilapisi fluida tipis diantara kedua bidang tersebut.

Aliran viskos
Gambar 1. Aliran viskos

Suatu bidang permukaan bawah yang tetap dibatasi oleh lapisan fluida setebal h, sejajar dengan suatu bidang permukaan atas yang bergerak seluas A. Jika bidang bagian atas itu ringan, yang berarti tidak memberikan beban pada lapisan fluida dibawahnya, maka tidak ada gaya tekan yang bekerja pada lapisan fluida. Suatu gaya F dikenakan pada bidang bagian atas yang menyebabkan bergeraknya bidang atas dengan kecepatan konstan v, maka fluida dibawahnya akan membentuk suatu lapisan – lapisan yang saling bergeseran. Setiap lapisan tersebut akan memberikan tegangan geser (σ) yaitu sebesar:

Rumus tegangan geser
Gambar 2. Rumus tegangan geser

Dengan kecepatan lapisan fluida yang paling atas sebesar v dan kecepatan lapisan fluida paling bawah sama dengan nol. Maka kecepatan geser (γ) pada lapisan fluida di suatu tempat pada jarak y dari bidang tetap, dengan tidak adanya tekanan fluida menjadi :

Rumus kecepatan geser
Gambar 3. Rumus kecepatan geser

Pada fluida variabel perbandingan antara besaran kecepatan geser dan tegangan geser adalah konstan, sehingga dari kedua variabel kecepatan geser (γ) dan tegangan geser (σ) akan diperoleh rumus viskositas absolut (η) sebesar :

Rumus viskositas absolut
Gambar 4. Rumus viskositas absolut

Dimana parameter (η) ini didefinisikan sebagai viskositas absolut (dinamis) dari suatu fluida. Dengan menggunakan satuan internasional : N, m2 , m, m/s untuk gaya, luas area panjang dan kecepatan, maka besaran viskositas dapat dinyatakan dengan :

Besaran viskositas
Gambar 5. Besaran viskositas

Satuan Pa.s dirasakan terlalu besar dalam prakteknya, maka digunakan satuan mPa.s, yang lebih dikenal sebagai cP atau centipoises (catatan: 1 Pa.s = 1000mPa.s = 1000cP, 1P=100cP ).

2. Viskometer Rotasi

Viskometer merupakan peralatan yang digunakan untuk mengukur viskositas suatu fluida. Model viskometer yang umum digunakan berupa viscometer peluru jatuh, tabung ( pipa kapiler ) dan sistem rotasi. Viskometer rotasi silinder sesumbu (concentric cylinder) dibuat berdasarkan 2 standard, system Searle dimana silinder bagian dalam berputar dengan silinder bagian luar diam dan system Couette dimana bagian luar silinder yang diputar sedangkan bagian dalam silinder diam. Fluida yang akan diukur ditempatkan pada celah diantara kedua silinder. Persamaan matematis untuk menghitung viskositas diturunkan dari hukum newton tentang aliran viskos.

Viskometer silinder sesumbu
Gambar 6. Viskometer silinder sesumbu

Silinder dalam dengan jari – jari rd dan tinggi h berputar dengan kecepatan sudut konstan (ω) pada silinder luar dengan jari – jari rl. Gaya (F) yang bekerja terhadap fluida pada jarak r diantara kedua silinder menghasilkan tegangan geser (σ) pada fluida sebesar :

Rumus tegangan geser
Gambar 7. Rumus tegangan geser

Dimana untuk gaya (F) adalah :

Rumus gaya
Gambar 8. Rumus gaya

Dan untuk luas permukaan (A) adalah:

Rumus luas permukaan
Gambar 9. Rumus luas permukaan

Dari penjabaran persamaan rumus diatas maka rumus tegangan gesernya menjadi:

Rumus tegangan geser
Gambar 10. Rumus tegangan geser

Rumus tegangan geser2
Gambar 11. Rumus tegangan geser2

Dimana :
F = Gaya (N)
A = Luas permukaan (m2)
T = Torsi (N.m)
h = Tinggi (m)

T merupakan torsi yang bekerja pada fluida yang merupakan hasil kali antara gaya (F) yang diberikan oleh putaran silinder dalam dengan jarak fluida dari pusat silinder (r). Sedangkan untuk kecepatan geser dapat dinyatakan sebagai :

Rumus kecepatan geser
Gambar 12. Rumus kecepatan geser

Sehingga dari penurunan persamaan rumus diatas, didapatkan rumus untuk kecepatan geser adalah :

Rumus kecepatan geser2
Gambar 13. Rumus kecepatan geser2

Dimana :
f = Frekuensi putaran (Hz)

Hubungan antara kecepatan geser dengan tegangan geser mengahasilkan persamaan viskositas untuk fluida Newtonian sebagai berikut:

Rumus persamaan viskositas untuk fluida newtonian
Gambar 14. Rumus persamaan viskositas untuk fluida newtonian

Jika dimasukkan unsur variabel dari persamaan tegangan geser (σ) dan kecepatan geser (γ), maka diperoleh persamaan rumus viskositasnya menjadi :

Rumus viskositas pers.1
Gambar 15. Rumus viskositas pers.1

Rumus viskositas pers.2
Gambar 16. Rumus viskositas pers.2

Rumus viskositas pers.3
Gambar 17. Rumus viskositas pers.3

Dari rumus viskositas diatas masih dapat dijabarkan dengan mencari nilai torsi (T), dimana untuk persamaan rumus torsi adalah sebagai berikut :

Rumus torsi pers.1
Gambar 18. Rumus torsi pers.1

Rumus torsi pers.2
Gambar 19. Rumus torsi pers.2

Rumus torsi pers.3
Gambar 20. Rumus torsi pers.3

Dengan memasukkan unsur Torsi (T) ini, maka persamaan viskositas menjadi :

Persamman viskositas
Gambar 21. Persamman viskositas

Dimana :
V = Tegangan supply pada motor DC (V)
I = Arus pada motor DC (mA)
f = Frekuensi putaran silinder dalam dengan beban (Hz)
fo = Frekuensi putaran silinder dalam tanpa beban (Hz)
h = Tinggi silinder dalam (m)
rD = Diameter silinder dalam (m)
rL = Diameter silinder luar (m)

Pada perancangan dan pembuatan alat ukur viskositas ini akan didesain suatu mekanik dengan spesifikasi ukuran sebagai berikut :

• Diameter silinder dalam (rD) = 0.05m
• Diameter silinder luar (rL) = 0.14m
• Tinggi sinder dalam (h) = 0.195m
• Tegangan supply motor DC (V) = 5 V
• Frekuensi awal putran sinder dalam (hz) = 27 Hz

Sehingga dari spesifikasi diatas bila ukuran – ukuran tersebut dimasukkan dalam rumus viskositas absolute, maka persamaan viskositas akan berubah sesuai dengan besarnya variabel arus dan frekuensi. Sehingga akan diperoleh persamaan viskositasnya menjadi :

Persamaan viskositas
Gambar 22. Persamaan viskositas

Dari persamaan di atas akan didapatkan nilai viskositas absolute suatu fluida berdasarkan besarnya perubahan dari sensor arus dan frekuensi pada alat ini. Untuk lebih detailnya perancangan dan pembuatan alat ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Berikut adalah desain mekanik dari alat ukur viskositas :

Rancang bangun alat ukur viskositas
Gambar 23. Rancang bangun alat ukur viskositas

3. Perancangan dan Pembuatan Perangkat Keras

Pada perancangan dan pembuatan perangkat keras (hardware) ini meliputi dari rangkaian regulator, rangkaian sensor arus, rangkaian sensor temperature, rangkaian sensor kecepatan, rangkaian driver relay, dan terakhir rangkaian minimum system mikrokontroller AVR.

4. Rangkaian Regulator

Rangkaian regulator berfungsi untuk memberikan sumber tegangan DC untuk keseluruhan rangkaian yang digunakan dalam pembuatan alat. Rangkaian ini mengubah tegangan AC 220 Volt menjadi tegangan DC +12 Volt dan DC -12 Volt yang digunakan untuk sumber tegangan dari Op Amp. Secara lengkap rangkaian regulator +12 Volt dan -12 dapat dilihat pada Gambar dibawah ini.

Skematik rangkaian regulator +12V dan -12V
Gambar 24. Skematik rangkaian regulator +12V dan -12V

Dan berikut ini adalah rangkaian regulator yang mengubah tegangan 220 Volt menjadi tegangan DC +12 Volt dan +5 Volt yang digunakan untuk catu daya rangkaian pengkondisi sinyal dan minimum system. Secara lengkap rangkaian dapat dilihat pada Gambar dibawah in.

Skematik rangkaian regulator +12V dan +5V
Gambar 25. Skematik rangkaian regulator +12V dan +5V

5. Rangkaian Sensor Arus

Rangkaian sensor arus ini berfungsi sebagai sensing dari arus motor dimana dengan mengetahui tegangan jatuh pada R, maka dapat diketahui besarnya arus yang mengalir pada kumparan jangkar motor DC dimana rumusnya adalah sebagai berikut:

Rumus arus
Gambar 26. Rumus arus

Dimana :
I = Arus pada motor DC (A)
V = Tegangan jatuh pada R (V)
R = Nilai resistansi (Ω)

Untuk mengetahui besarnya arus pada motor tersebut, maka digunakan rangkaian I/V yang juga berfungsi untuk mempermudah pembacaan pada ADC, karena pada umumnya ADC hanya membaca tegangan bukan arus. Dari rangkaian I/V ini akan melakukan pengkonversian arus menjadi tegangan dengan menggunakan sebuah resistor, nilai arus dapat diketahui dengan cara membagi tegangan keluaran antara motor dan resistor kemudian dibagi dengan nilai resistansi beban pada resistor tersebut. Berikut ini adalah skemetik rangkaian I/V pada pengukuran arus motor.

Skematik rangkaian I/V pada motor DC
Gambar 27. Skematik rangkaian I/V pada motor DC

Dari rangkaian I/V diatas masih dibutuhkan pengkondisian sinyal agar sinyal dapat dibaca dan diproses oleh ADC pada mikrokontroller. Berikut ini adalah skematik rangkaian pengkondisi sinyal arus dengan menggunakan rangkaian zero & span. Dari rangkaian ini terdiri dari tiga Op Amp yaitu dua buah buffer dan satu buah komparator yang digunakan untuk membandingkan tegangan Vref dengan tegangan Vin dari sensor arus tersebut.

Skematik rangkaian pengkondisi sinyal arus
Gambar 28. Skematik rangkaian pengkondisi sinyal arus

Dari rangkaian diatas maka dapat dicari nilai Gain (Penguatan) dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

Rumus gain
Gambar 29. Rumus gain

Rumus Vout
Gamabar 30. Rumus Vout

Dimana :
Rf = RV1 & RV2
Ri = R1 & R4

Model listrik motor DC
Gambar 31. Model listrik motor DC

6. Rangkaian Sensor Temperatur

Rangkaian sensor tempertur ini difungsikan untuk mengukur temperatur fluida pada proses pemanasan. Dalam melakukan pengukuran temperatur fluida digunakan sensor LM35D, yang mana pada sensor ini dapat mengukur temperatur dari 0°C – 100°C dengan menghasilkan tegangan keluaran berbanding linier dengan temperatur tiap kenaikan 1°C (setiap 1°C=10mV). Berikut ini adalah skematik rangkaian sensor temperatur dengan menggunakan pengkondisi sinyal.

Skematik rangkaian pengkondisi sinyal sensor temperature
Gambar 32. Skematik rangkaian pengkondisi sinyal sensor temperature

Dari rangkaian pengkondisi sinyal diatas, maka dapat dicari nilai Gain (Penguatan) dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

Rumus gain
Gambar 33. Rumus gain

Rumus Vout
Gambar 34. Rumus Vout

Dimana :
Rf = RV1
Ri = R1

7. Rangkaian Sensor Kecepatan

Rangkaian sensor kecepatan ini digunakan untuk mengetahui besarnya frekuensi putaran pada motor, yang mana untuk mengetahui frekuensi putaran pada motor DC, maka digunakan piringan encoder ( piringan yang pada tepi piringan diberi magned ) sehingga bila magnet pada piringan tersebut mengenai reed switch akan menghasilkan deretan pulsa saat piringan berputar karena ada bagian yang diberi magnet dan tidak diberi magnet. Dari deretan pulsa setiap detiknya akan didapatkan nilai frekuensi.

Skematik rangkaian sensor kecepatan
Gambar 35. Skematik rangkaian sensor kecepatan

Pada rangkaian ini digunakan sensor reed switch yang berfungsi untuk menangkap pulsa dari putaran piringan encoder Dari rangkaian diatas maka akan didapatkan nilai frekuensi dengan menggunakan rumus :

Rumus frekuensi putaran
Gambar 36. Rumus frekuensi putaran

Encoder kecepatan
Gambar 37. Encoder kecepatan

8. Rangkaian Driver Relay

Fungsi utama dari driver relay ini adalah sebagai pengaktif relay, yang kemudian relay tersebut mengaktifkan device selanjutnya. Pada driver relay ini digunakan transistor TIP41C NPN yang berfungsi sebagai transistor switching, pada kaki basis diberi masukan dari mikrokontroller yang digunakan untuk menswitch arus dari collector menuju ke emitter dan pada transistor ini diberi inputan tegangan pada kaki collector sebesar 12V yang digunakan untu mengaktifkan coil relay 12 volt. Seluruh rangkaian ini akan aktif ketika ada inputan 5 Volt yang menuju basis pada transistor TIP41C atau apabila dihubungkan ke port mikrokontroller rangkaian ini akan aktif bila pada port mikro mengeluarkan logika high (1). Sehingga rangkaian ini aman digunakan sebagai pengendali on-off dengan arus DC (searah) maupun AC(bolak-balik). Berikut ini adalah skematik rangkaian driver relay.

Skematik rangkaian driver relay
Gambar 38. Skematik rangkaian driver relay

9. Rangkaian Minimum System Mikrokontroller AVR

Skematik rangkaian minimum system AVR
Gambar 39. Skematik rangkaian minimum system AVR

Minimum sistem dari mikrokontroler Atmega16 ini digunakan sebagai otak dari semua proses yang ada. Mikrokontroler ini memiliki dua fungsi utama yaitu untuk mengkonversi data analog berupa tegangan dan mengolahnya melalui program sehingga data digital berupa biner yang dihasilkan oleh A/D coverter di dalam mikrokontroler ditampilkan pada LCD dan menghitung pulsa yang masuk pada interrupt 0.

Untuk skematik dari rangkaian minimum system perencanaan dan pembuatan alat ukur viskositas berbasis mikrokontroller AVR dapt dilihat pada gambar diatas yang mana pada rangkaian ini terdiri dari LCD, dan komponen – komponen pasif lainnya.

Penggunaaan masing-masing port I/O mikrokontroler AVR dalam sistem ini adalah sebagai berikut:

[PortA.6] Sebagai inputan tegangan A/D Converter dari pengkondisi sensor arus.
[PortA.7] Sebagai inputan tegangan A/D Converter dari Pengkondisi sensor temperatur.
[PortB.4] Sebagai inputan tombol start.
[PortB.5] Sebagai inputan tombol stop.
[PortB.6] Sebagai saluran output ke driver relay motor.
[PortB.7] Sebagai saluran output ke driver relay heater.
[PortC.0 – C.7] Sebagai saluran output ke LCD.
[PortD.2] Sebagai inputan pulsa dari sensor reed switch.

Pada PortA.6 (ADC Channel6) diberikan masukan dari sensor arus dan PortA.7 (ADC Channel7) diberikan masukan dari sensor temperature yang masing – masing berupa tegangan yang telah dikondisikan oleh rangkaian pengkondisi sinyal menjadi besaran analog yaitu 0-5Volt. Setelah dikonversi menjadi output digital yang berupa nilai decimal, maka data akan diolah sedemikian rupa oleh mikrokontroler untuk ditampilkan ke LCD berupa nilai viskositas, temperatur, frekuensi dan arus yang telah dihubungkan dengan mikrokontroler melalui port C.0-C.7.

Pada PortD.2 (External Interrupt 0 Input) digunakan untuk counter pulsa dari sensor reed switch. PortB.2 digunakan untuk inputan dari tombol start dan PortB.3 digunakan untuk inputan dari tombol stop dengan mode aktif low (0). Kemudian PortB.6 digunakan sebagai outputan untuk mengontrol driver relay pada motor dan PortB.7 digunakan sebagai outputan untuk mengontrol driver relay pada heater. Untuk flowchart dari program keseluruhan dari alat dapat dilihat pada di bawah

.
Flowchart program pada mikrokontroler
Gambar 40. Flowchart program pada mikrokontroler

Semoga bisa bermaanfaat dan menjadi ilmu yang barokah….Amien

Untuk source code program dapat anda download disini.
Program dibuat menggunakan code vision AVR jika belum punya aplikasi ini silahkan download disini

6 responses

  1. Hi, this is a comment.
    To delete a comment, just log in, and view the posts’ comments, there you will have the option to edit or delete them.

    August 24, 2010 at 8:57 am

  2. Gilang

    MANTAB, ngene rek iki pasti lulusane intrumentasi ITS,,

    August 27, 2010 at 1:10 pm

  3. aku

    thanks banget ilmunya…source codenya kok ngk bisa didownload gan?

    March 8, 2012 at 10:37 am

  4. Julian

    itu udah teruji belum mas ??? kalo sudah teruji saya boleh gunain buat tugas akhir saya
    ???

    October 4, 2012 at 5:11 pm

  5. widya

    source code program ga bisa di donlod,,

    January 21, 2014 at 3:13 pm

  6. yanu

    mas bisa minta rangkaian zero span diatas? kalo berkenan minta schematicnya sekalian

    March 10, 2014 at 6:47 pm

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s