350063097-makalah-instrumentasi-gatut.docx

MAKALAH INSTRUMENTASI DAN METROLOGI “LOAD CELL”

Nama: Muh Nurul Komari NIM/ NO. Absen : 4.21.15.1.14/ 13 MS 3B

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PRODUKSI DAN PERAWATAN PROGRAM SARJANA TERAPAN

JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2017

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sensor load cell merupakan sensor yang dirancang untuk mendeteksi tekanan atau berat sebuah beban, sensor load cell umumnya digunakan sebagai komponen utama pada sistem timbangan digital dan dapat diaplikasikan pada jembatan timbangan yang berfungsi untuk menimbang berat dari truk pengangkut bahan baku, pengukuran yang dilakukan oleh Load Cell menggunakan prinsip tekanan. Kalibrasi dan karakterisasi load cell dapat dilakukan baik secara analog maupun digital. Kalibrasi secara analog merujuk pada sinyal keluaran, yang umumnya berupa tegangan, diukur langsung dengan peralatan dalam format analog. Pada proses kalibrasi digital sinyal keluaran diukur dengan instrumen yang telah mengintegrasikan peralatan digital. Menggunakan load cell dengan keluaran digital yang terintegrasi dengan pemrosesan sinyal memungkinkan penyesuaian gain menjadi sebuah penguatan sederhana dari keluaran load cell dengan sebuah persamaan karakteristik. Dalam kasus ini, 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. Namun demikian, pada kalibrasi digital diperlukan rangkaian pemroses sinyal yang menyertakan penguat operational, pengonversi analog ke digital dan unit pengolah yang telah terintegrasi dalam mikrokontroler. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah yang digunakan pada makalah sensor Load cell adalah: 1.

Apa pengertian dari Sensor Load Cell?

2.

Bagaimana prinsip kerja yang digunakan pada Sensor Load Cell?

3.

Bagaimana aplikasi Sensor Load Cell dalam kehidupan sehari-hari?

1.3 Tujuan Tujuan yang diperoleh dari makalah Sensor Load Cell adalah:

1.

Mengetahui pengertian dari Sensor Load Cell

2.

Mengetahui prinsip kerja yang digunakan pada Sensor Load Cell

3.

Mengetahui aplikasi Sensor Load Cell dalam kehidupan sehari-hari

BAB 2 PEMBAHASAN 2.1 Sensor Berat (Load Cell) Sensor Tekanan adalah sensor untuk mengukur tekanan suatu zat. Tekanan (P) adalah satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A). Satuan tekanan sering digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas. Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume dan suhu. Semakin tinggi tekanan di dalam suatu tempat dengan volume yang sama, maka suhu akan semakin tinggi. Hal ini dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di pegunungan lebih rendah dari pada di dataran rendah, karena di dataran rendah tekanan lebih tinggi. Sensor ini memiliki transduser yang mengukur ketegangan kawat,dimana mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Dasar penginderaannya perubahan tahanan pengantar (transduser) yang berubah akibat perubahan panjang dan luas penampangnya. Load cell merupakan sensor timbangan yng bekerja secara mekanis, dimana load cell menggunakan prinsip tekanan yang memanfaakan strain gauge sebagai pengindera (sensor). Strain gauge adalah sebuah transduser pasif yang merubah suatu pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan. Perubahan ini kemudian diukur dengan jembatan Wheatsone dimana tegangan keluaran dijadikan referensi bebean yang diterima load cell. Load Cell mengubah suatu gaya tekanan, menjadi besaran listrik. Load Cell juga dapat digunakan untuk mendeteksi adanya gerak-gerak pada suatu objek yang hendak diotomatiskan. Misalnya pada industri beras, apabila ingin mengarungkan beras dengan besar 50kg perkarung, maka bisa memakai Load Cell untuk mendeteksi bila 50kg itu sudah tercapai. Load Cell akan mengirim sinyal ke indikator bahwa karung tersebut sudah mencapai batasnya.

Gambar 2.1 Bentuk fisik Load Cell Keterangan gambar :  Kabel merah adalah input tegangan sensor  Kabel hitam adalah input ground sensor  Kabel hijau adalah output positif sensor  Kabel putih adalah output ground sensor Sensor load cell memiliki spesifikasi kerja sebagai berikut : 1. Kapasitas 2 Kg 2. Bekerja pada tegangan rendah 5 –10 VDC atau 5-10 VAC 3. Ukuran sensor kecil dan praktis 4. Input atau output resistansi rendah 3 5. Nonlineritas 0.05% 6. Range temperatur kerja -10°C - +50°C 2.1.1 Macam-Macam Load Cell 1. Load Cell Single Point, digunakan untuk timbangan bench scale. Load Cell ini dipasang di tengah-tengah bagian Platform timbangan. 2. Load Cell Shear Beam, digunakan untuk Floor scale. 3. Load Cell Compress, cara kerjanya dengan menekan sisi atasnya. Biasanya jenis ini di pakai untuk timbangan truck. 4. Load Cell Model S, dinamakan Load Cell S karena bentuknya menyerupai huruf "S". Kerja dari Load Cell ini tidak di tekan melainkan ditarik sisi atas dan

bawahnya. Sisi atas di tempatkan di tempat permanen selanjutnya sisi bawah ditempatkan untuk media barang yang akan ditimbang. 5. Load Cell double ended, bekerja dengan menekan sisi tengahnya. Load Cell ini dipakai untuk timbangan truck. 2.1.2 Karakteristik Sensor Load Cell Sebuah Load Cell terdiri dari konduktor, strain gauge, dan jembatan Wheatstone. Gambar 2.2 menunjukkan rangkaian strain gauge didalam Load Cell. Tegangan keluaran dari Load Cell sangat kecil, sehingga untuk mengetahui perubahan tegangan keluaran secara linier dibutuhkan rangkaian penguat instrumen yang dapat menguatkan tegangan keluaran yang sangat kecil hingga kurang dari satuan milivolt.

Gambar 2.2 Strain Gauge dalam Load Cell Gambar 2.3 adalah konfigurasi kabel dari sensor load cell yang terdiri dari kabel berwarna merah, hitam, hijau, dan putih. Kabel merah merupakan input tegangan sensor, kabel hitam merupakan input ground pada sensor, kabel warna hijau merupakan output positif dari sensor dan kabel putih adalah output ground dari sensor. Nilai tegangan output dari sensor ini sekitar 1,2 mV.

Gambar 2.3 Konfigurasi Kabel Sensor Load Cell Tabel 2.1 Karakteristik Sensor Load Cell

Mekanik Bahan Dasar

Alumunium Alloy

Load Cell Type

Strain Gauge

Kapasitas

2kg

Dimensi

55,25 × 12,7 × 12,7𝑚𝑚

Lubang Pemasangan

M5 (ukuran berat)

Panjang Kabel

550mm

Ukuran Kabel

30 A WG (0,2mm)

No. Urutan Kabel

4

Elektriksisi Presisi Rata-Rata Output

0,05%

Non-Linieritas

1,0±0,15mv/V

Hysteresis

0,05%FS

Nonulangan-Peng

0,05%FS

Creep (per 30 menit)

0,05%FS

Efek Temperatur pada Nol (per 10°C)

0,1% FS

Efek Temperatur pada Span (per 10°C)

0,05% FS

Keseimbangan Total

±1,5% FS

Input Impedansi

1130±10Ω

Output Impedansi

1000±10Ω

Hambatan Isolasi (dibawah 50V DC)

≥ 5000MΩ

Kebutuhan Voltase

5V DC

Toleransi Jarak Temperatur

-10 to ~ +40°C

Pengoperasian Jarak Temperatur

-20 to ~ +55°C

Safe Overload

120% Kapasitas

Ultimate Overload

150% Kapasitas

2.2 Prinsip Kerja Sensor Load Cell Selama proses penimbangan akan mengakibatkan reaksi terhadap elemen logam pada load cell yang mengakibatkan gaya secara elastis. Gaya yang ditimbulkan oleh regangan ini dikonversikan kedalam sinyal elektrik oleh strain gauge (pengukur regangan) yang terpasang pada load cell. Prinsip kerja load cell berdasarkan rangkaian Jembatan WheatstoneI dapat dilihat pada gambar dibawah ini

Gambar 2.4 Rangkaian Jembatan Wheatstone tanpa beban Jika rangkaian jembatan Wheatstone diberi beban, maka nilai R pada rangkaian akan berubah, nilai R1 = R4 dan R2 = R3. Sehingga membuat sensor load cell tidak dalam kondisi yang seimbang dan membuat beda potensial. Beda potensial inilah yang menjadi outputnya. Untuk menghitung Vout atau A sperti pada gambar, maka rumus yang digunakan adalah sebagai berikut : 𝑅1 𝑅2 𝑉0 = (𝑉𝑆 × ( )) − (𝑉𝑆 × ( )) 𝑅1 + 𝑅4 𝑅2 + 𝑅3 Secara teori, prinsip kerja load cell berdasarkan pada jembatan Wheatstone dimana saat load cell diberi beban terjadi perubahan pada nilai resistansi, nilai resistansi R1 dan R3 akan turun sedangkan nilai resistansi R2 dan R4 akan naik. Ketika posisi setimbang, 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑐𝑒𝑙𝑙 = 0𝑉, namun ketika nilai resistansi R1 dan R3 naik maka akan terjadi perubahan Vout pada load cell. Pada load cell output data (+) dipengaruhi oleh perubahan resistansi pada R1, sedangkan output (-) dipengaruhi oleh perubahan resistansi R3. Pada strain guage (load cell) atau biasa disebut dengan deformasi strain gauge. The strain gauge mengukur perubahan yang berepengaruh pada strain sebagai sinyal

listrik, karena perubahan efektif terjadi pada beban hambatan kawat listrik. Sebuah sel/slot beban umumnya terdiri dari empat aspek pengukur regangan dalam sistem konfigurasi pada Wheatstone Bridge. Sel/slot beban dari satu strain gauge atau dua pengukur regangan. Output sinyal listrik biasanya disediakan serta di urutankan beberapa milivolt dan membutuhkan amplifikasi oleh penguat instrumentasi sebelum dapat digunakan. Output dari pemantauan perubahan kondisi dapat ditingkatkan untuk menghitung gaya yang diterapkan untuk perabaikan dan pemantauan kondisinya. Berbagai jenis sel/slot beban yang ada termasuk sel/slot beban hidrolik, Strain gauge merupakan bagian terpenting dari sebuah load cell, dengan fungsi untuk mendeteksi besarnya perubahan dimensi jarak yang disebabkan oleh suatu elemen gaya. Strain gages secara umum digunakan dalam pengukuran presisi gaya, berat, tekanan, torsi, perpindahan dan kuantitas mekanis lainnya. Setelahnya dikonversi menjadi energi tegangan kedalam anggota mekanis. Strain gage menghasilkan perubahan pada nilai tahanan yang proporsional dengan perubahan jangka panjang atau perubahan melalui lamanya proses. Strain gage memiliki dua tipe dasar strain gage yaitu : 1.

Terikat (bonded) Bonded strain gage seluruh bagiannya terpasang pada elemen gaya (force

member) dengan menggunakan semacam bahan perekat. Selagi elemen gaya tersebut meregang, strain gage juga dapat memanjang 2.

Tidak terikat (unbonded) Unbonded strain gage memiliki salah satu sudut akhir yang dipasang pada

elemen gaya dan sudut akhir satunya lagi dipasang pada pengumpul gaya (force collector). Persyaratan ini sering digunakan untuk menguji kelayakan system strain gage untuk aplikasi tertentu dimana konstanta kalibrasi strain gage harus stabil, artinya tidak berubah terhadap waktu, temperature dan faktor lingkungan lain. Ketelitian pengukuran regangan ±1μs dan pada daerah regangan ±10%. 2.3 Aplikasi Load Cell

Beberapa aplikasi Load Cell yang digunakan didalam kehidupan sehari-hari diantaranya, yaitu pada timbangan paket pos digital, aplikasi untuk Timbangan yaitu Weigher, Weighing, Weighing System, Scale, dan Weigh. 1.

Timbangan paket pos digital Pada timbangan digital Load Cell bekerja berdasarkan prinsip deformasi material

yang disebabkan adanya aktivitas tegangan mekanik, selanjutnya merubah gaya mekanik menjadi energi listrik. Load Cell yang paling sederhana adalah Load Cell yang terdiri dari Strain Gauge dan Bending Beam. Load Cell Bending Beam inilah yang paling banyak digunakan pada timbangan digital. Pada komponen Load Cell Bending Bam dilengkapi housing, sealing, dan komponen-komponen lain. Komponenkomponen tersebut merupakan elemen tambahan untuk memproteksi bagian strain gauge. Ketika Load Cell pada timbangan digital diberi beban maka akan terjadi perubahan nilai resistensi pada strain gauge. Strain gauge adalah sebuah konduktor yang diatur sedemikian rupa dengan pola zig-zag dan terdapat di permukaan membrane. Ketika terjadi peregangan membrane, otomatis resistensinya meningkat. Strain gauge berfungsi sebagai sensor untuk mengukur berat benda atau barang dalam ukuran besar. Umumnya sensor strain gauge ini terdapat pada jembatan timbang atau timbangan truk (truck scale). Secara fisik strain gauge berupa grid metal foil cukup tipis yang melekat pada permukaan Load Cell. Akibat adanya beban di Load Cell maka terjadi strain lalu ditransmisikan ke foil grid. Tahanan dari foil grid ini mengalami perubahan dengan nilai sebanding strain induksi beban. Umumnya strain gauge memiliki sensor tipe metal foil dimana proses photoeching kemudian membentuk konfigurasi grid. Prosesnya sendiri sangat sederhana sehingga bisa dibuat beragam ukuran gauge maupun bentuk grid. Gauge memiliki ukuran terpendek 0.20 mm dan 102 mm untuk ukuran terpanjang. Untuk tahanan standar 350Ω namun ada juga gauge dengan tahanan 500Ω – 10.000Ω untuk kepentingan khusus. 2.

Belt Weigher/ Belt Scale Belt weigher, belt scale atau weigh feeder adalah equipment yang digunakan

untuk pengukuran jumlah massa total material yang mengalir (flow rate) pada sebuah Belt Conveyor. Tapi biasanya pada belt scale/weigher hanya menggunakan sistem open

loop artinya hanya digunakan untuk pengukuran, karena biasanya material belt conveyor menuju ke penyimpanan sementara. Sedangkan pada weigh feeder mengaplikasikan sistem closed loop karena biasanya weigh feeder digunakan untuk feeding/umpan sehingga diperlukan akurasi yang tinggi. Misalnya, pabrik semen raw mill feed, cement mill feed.

Gambar 2.5 Prinsip Operasi Belt Weigher Data berat yang di dapat dari load cell dan kecepatan dari speed sensor/ Tachometer, dengan adanya umpan balik (feedback), data dari tersebut maka akan diproses menjadi error yang merupakan selisih antara kuantitas material yg diinginkan (settling point) dengan besaran yang terukur aktual . Error yang didapat akan menjadi masukan pada pengendali PID, dimana PID akan mengendalikan VSD/Inverter yang akan mengatur kecepatan Belt.

BAB 3 PENUTUP 3.1 Kesimpulan Berdasarkan makalah Sensor Load Cell yang telah dibuat, maka dapat disimpulkan diantaranya sebagai berikut : 1.

Load Cell adalah salah satu Sensor yang banyak digunakan di timbangantimbangan elektronika untuk mengukur berat suatu benda. Load Cell mengubah suatu gaya tekanan menjadi besaran listrik. Load Cell juga dapat digunakan untuk mendeteksi adanya gerak-gerak pada suatu objek yang hendak diotomatiskan.

2.

Cara kerja sensor Load cell hampir sama dengan sensor tekanan yaitu mengubah gaya menjadi perpindahan. Menggunakan rangkaian jembatan untuk pembacaan, kalibrasi dan kompensasi temperature. Alternatif lain menggunakan kristal piezoelektrik untuk mengukur perubahan gaya.

3.

Beberapa aplikasi Load Cell yang digunakan didalam kehidupan sehari-hari diantaranya, yaitu pada timbangan paket pos digital, aplikasi untuk Timbangan yaitu Weigher, Weighing, Weighing System, Scale, dan Weigh.

DAFTAR PUSTAKA

Fraden, Jacob. 2003. Handbook Of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. AIP Press : San Diego. Tompkins, W.J., Webster, J.G. 1988. Interfacing Sensor To The IBM PC. Printice Hall : Englewood Cliffs USA. Rice Lake, Wisconsin. 2001. Load Cell Handbook A Comprehensive Guid To Load Cell Theory, Construction and Use. Rice Lake Weighing Systems : USA