Pengujian rangkaian rotary encoder menggunakan hall effect

1
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sungai merupakan salah satu sumber
air tawar yang penting keberadaannya bagi
makhluk hidup di sekitarnya. Perusahaan
Daerah Air Minum (PDAM) pada umumnya
memanfaatkan air dari suatu sungai untuk
memenuhi kebutuhan konsumennya. Pada
beberapa tempat di indonesia, keberadaan
sungai terkadang menjadi suatu ancaman,
yaitu pada saat debit air yang mengalir
melebihi kondisi normal, atau yang lebih
dikenal dengan sebutan banjir. Karena
pentingnya keberadaan sungai tersebut,
kajian mengenai sungai ataupun daerah
aliran sungai (DAS) sangatlah penting dan
dibutuhkan demi menjamin ketersediaan air
yang berkelanjutan dan terkendali.
Salah satu parameter hidrologi yang
berkaitan dengan sungai adalah tinggi muka
air (water level) sungai. Banyak hal yang
bisa dicermati dengan mengetahui tinggi
muka air (TMA) suatu aliran, diantaranya
adalah debit aliran dan sistem aliran sungai.
Kajian lebih lanjut mengenai TMA dan
parameter hidrologi lainnya yang berkaitan
dapat menggambarkan karakteristik suatu
DAS. Pemahaman terhadap karakteristik
suatu DAS akan sangat membantu dalam
pengelolaan DAS maupun hal-hal lain yang
berkaitan dengan DAS tersebut.
Ketersediaan alat ukur merupakan hal
mendasar yang harus terpenuhi untuk
ketersediaan data, termasuk data TMA. Data
TMA bisa didapatkan melalui berbagai
teknik pengukuran, baik itu manual ataupun
otomatis. Pengukuran TMA dengan
menggunakan alat ukur otomatis yang dapat
merekam data secara kontinu merupakan
salah satu pilihan dalam pengambilan data
TMA yang berkelanjutan. Saat ini telah
dikembangkan berbagai macam alat
pengukuran TMA, diantaranya adalah alat
ukur bertipe pelampung.
Alat ukur TMA bertipe pelampung
dapat menggunakan berbagai jenis sensor,
satu diantaranya adalah
potensiometer.
Sama dengan sensor yang lainnya, pada
dasarnya sensor tersebut menerjemahkan
arah dan perubahan tinggi muka air
berdasarkan gerakan pada pulley. Pada
penelitian terdahulu yang dilakukan oleh
Triesnawati
(2006),
potensiometer
digunakan sebagai sensor perubahan tinggi
muka air. Alat ukur TMA dengan sensor
tersebut memiliki beberapa keterbatasan,
diantaranya adalah rentang pengukuran yang
terbatas.
Alat ukur tinggi muka air otomatis
pada umumnya terdiri dari dua bagian
penting, yaitu bagian mekanik dan
elektronik. Kedua bagian tersebut memiliki
peran yang sama pentingnya. Suatu alat
pengukuran tinggi muka air akan dapat
bekerja dengan baik apabila kedua bagian
tersebut bekerja sesuai fungsinya. Pada
penelitian ini akan dilakukan pengujian
terhadap rangkaian elektronik penerjemah
arah gerakan dengan menggunakan hall
effect sensor sebagai sensor yang
memberikan input bagi rangkaian tersebut.
Rangkaian tersebut akan menerjemahkan
gerakan pada pulley.
1.2 Tujuan
Penelitian ini bertujuan untuk
menguji rangkaian
penerjemah rotasi
(rotary encoder) yang akan digunakan untuk
mengukur perubahan tinggi muka air dengan
menggunakan hall sensor.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinggi Muka Air (Water Level)
Tinggi muka air (TMA) merupakan
salah satu parameter hidrologi pada sungai.
TMA merupakan tinggi permukaan air yang
diukur dari titik tertentu yang telah
ditetapkan. Dalam kaitannya dengan debit
aliran (Q), data TMA dapat digunakan untuk
mengetahui luas penampang melintang suatu
aliran (A) seperti yang tergambarkan pada
gambar 1. Dengan mengetahui luas
penampang melintang dan kecepatan aliran,
akan dapat diketahui debit aliran dengan
menggunakan persamaan Bernoulli (the
continuity equation): Q = A . V
Gambar 1 Penampang melintang sungai
.(sumber: bppt.go.id)
2
Menurut Asdak (1995), untuk aliran
sungai tertentu, data TMA dapat langsung
digunakan untuk menduga debit aliran.
Debit sungai yang diduga melalui data TMA
tersebut merupakan suatu pendekatan
berdasarkan kurva hubungan debit aliran dan
TMA (stage discharge rating curve), untuk
itu dibutuhkan data TMA dan debit dalam
jumlah banyak (tahunan). Hubungan antara
debit aliran dan TMA tersebut dapat dilihat
pada gambar berikut ini.
sebagai pendeteksi naik turunnya permukaan
air.
(a)
Gambar 2 Stage discharge rating curve
(sumber: http://www.corpsned
ma nuals.us/)
Data
TMA
memiliki
banyak
kegunaan. Untuk perencanaan bangunan
yang berkaitan dengan perubahan TMA,
seperti jembatan, bendungan, dan sistem
irigasi, data TMA sangatlah dibutuhkan.
Terkait dengan bencana banjir pada daerah
hilir sungai, data TMA dapat dimanfaatkan
sebagai indikator bagi kejadian banjir.
2.2 Alat Ukur Tinggi Muka Air Tipe
..Pelampung
Alat ukur tinggi muka air tipe
pelampung merupakan salah satu alat ukur
TMA. Pada alat ukur ini, perubahan TMA
ditandai dengan pergerakan naik ataupun
turun dari pelampung tersebut. Besar
perubahan tinggi muka air akan diketahui
berdasarkan gerakan pada pulley yang akan
berputar ketika ada gerakan pada
pelampung. Benda yang akan digunakan
sebagai pelampung haruslah mendapatkan
gaya tekanan ke atas (Fa) yang lebih besar
dibadingkan gaya berat (w) benda itu
sendiri.
Alat ukur TMA tipe pelampung yang
sebelumnya pernah dikembangkan, seperti
pada gambar 3, memiliki pemberat dan
pelampung terpisah. Pelampung dan
pemberat tersebut terikat di tiap ujung tali
yang terpasang pada pulley. Pemberat
berfungsi
sebagai
pengimbang
agar
pelampung tetap mengambang pada
permukaan air, sedangkan pelampung
(b)
Gambar 3 AWLR
float type dengan
..pelampung dan pemberat yang
..terpisah (sumber: rickly.com)
Pada dasarnya alat ukur TMA tipe
pelampung memiliki prinsip kerja yang
sama. Arah dan besar perubahan diketahui
berdasarkan putaran pada pulley. Arah dan
besar perubahan tersebut merupakan input
bagi sensor untuk kemudian diterjemahkan
menjadi sebuah informasi.
2.3 Sensor Gerakan
Peubahan atau gerakan dapat
dideteksi dengan menggunakan sensor.
Sensor yang dapat dimanfaatkan untuk
mendeteksi gerakan diantaranya adalah
potensiometer, switch encoder dan hall
effect sensor.
2.3.1 Potensiometer
Gambar 4 Potensiometer (sumber: Tanujaya
2010)
3
Potensiometer merupakan salah satu
jenis resistor. Potensiometer seperti yang
terlihat pada gambar 4 merupakan variabel
resistor,
yaitu
resistor
yang
nilai
hambatannya dapat diubah dengan cara
memutar poros yang terdapat pada
potensiometer. Dalam pemanfaatannya
sebagai sensor gerakan (perubahan) TMA,
pergerakan pada pulley akan turut
menggerakan poros yang ada pada
potensiometer. Perubahan nilai hambatan
akibat berputarnya poros tersebut merupakan
output dari potensiometer yang kemudian
diterjemahkan sebagai bentuk perubahan
TMA (Triesnawati 2006).
2.3.2 Switch Encoder
Switch
encoder
merupakan
komponen elektronik yang memiliki cara
kerja seperti saklar (switch). Dari segi fisik,
alat ini memiliki ukuran yang kecil dengan
tiga kaki (pin) dan poros rotasi pada bagian
atas alat. Pada alat ini terdapat 24 detent
dengan dua output pulsa (fase A dan B) yang
berurutan untuk tiap dua detent yang
dilewati akibat adanya perputaran pada
poros. Untuk satu putaran penuh (3600) pada
switch encoder, masing masing pulsa akan
muncul sebanyak 12 kali (Panasonic 2010).
Gambar 5 Switch encoder (sumber: http://
..dgkaihua.en.made-in-china.com/
..dan www.eehomepage.com/)
Electrical Mechanical
Tabel 1 Karakteristik switch encoder
Rotation
360° /Endless
Rotation Torque
1 mN·m (min.)
Detents
proporsional dengan kekuatan medan
magnet yang diterimanya. Sensor hall effect
terdiri dari sebuah lapisan silikon dan dua
buah elektroda pada masing-masing sisi
silikon. Pada saat tanpa ada pengaruh dari
medan magnet maka beda potensial antar
kedua elektroda tersebut 0 Volt karena arus
listrik mengalir ditengah kedua elektroda
sedangkan
ketika
medan
magnet
mempengaruhi sensor ini maka arus yang
mengalir akan berbelok mendekati atau
menjauhi sisi yang dipengaruhi oleh medan
magnet. Hal tersebut menghasilkan beda
potensial diantara kedua elektroda dari hall
effect sensor, dimana beda potensial tersebut
sebanding dengan kuat medan magnet yang
diterima oleh hall effect sensor ini.
(b)
(a)
Gambar 6 Prinsip kerja hall effect sensor
(sumber: Jack 2010)
Hall effect sensor memiliki banyak
jenis, salah satunya adalah hall effect latch
sensor. ATS 276 merupakan contoh hall
effect latch sensor. Hall effect sensor tipe
tersebut memiliki dua output dengan sifat
yang berkebalikan. Pada saat output pada
DO bernilai positif karena ada pengaruh
dari medan magnet maka output pada DOB
akan bernilai negatif (Anachip Corp 2004).
Berbeda dengan hall effect sensor pada
umumnya, medan magnet berbeda akan
memberikan pengaruh yang berbeda pada
sensor ini. Pengaruh dari medan magnet
dengan kutub utara baru akan hilang ketika
ada pengaruh dari magnet dengan kutub
selatan, begitu juga sebaliknya.
24 points
Output Signals
Phase A and B
Resolution
12 pulses/360 °
Gambar 7 Hall effect sensor tipe ATS 276
(Sumber: http://industrial.panasonic.com/)
2.3.3 Hall Effect Sensor
Hall effect sensor merupakan sensor
untuk mendeteksi medan magnet yang
terdapat disekitarnya. Effek Hall pertama
kali ditemukan oleh Dr. Edwin Hall pada
tahun 1879 (Honeywell 2005). Hall effect
sensor akan menghasilkan tegangan yang
Gambar 8 Bentuk rangkaian pada hall effect
latch sensor ATS 276
4
2.4 Rangkaian Elektronik Penerjemah
Arah Gerakan
Rangkaian penerjemah arah gerakan
dibentuk dari IC 4093. Rangkaian ini dirakit
dari 4 gerbang NAND yang ada pada IC
tersebut. Rangkaian ini membutuhkan input
dari dua sensor yang berada pada pin 8 dan
pin 13. Output dari rangkaian ini adalah dua
informasi arah gerakan pada pin 3 dan pin 4.
Informasi arah pada masing-masing pin
tersebut memiliki sifat yang berkebalikan
(Guenther 2001).
Tabel 2 Truth table untuk NAND gate
2.5.2 Integrated Circuit seri 4069
IC seri 4069 memiliki fungsi sebagai
pembalik arus (inverter). Output yang
dihasilkan memiliki sifat yang berkebalikan
dari input. IC ini memiliki 14 pin dengan 6
sirkuit inverter yang terdiri dari 6 pin output
dan 6 pin input. Suplai arus yang
direkomendasikan dalam penggunaan IC ini
adalah 3 - 15 volt (Fairchild Semiconductor
1999)
Gambar 9 Bentuk rangkaian penerjemah
arah gerakan (sumber: Guenther
2001)
2.5 Integrated Circuit
2.5.1 Integrated Circuit seri 4093
IC seri 4093 merupakan gabungan
dari empat sirkuit Schmitt trigger. Masing –
masing sirkuit tersebut berfungsi sebagai
gerbang NOT AND (NAND Gates). IC ini
memiliki 14 pin dengan output pada pin 3, 4,
10, dan 11, sedangkan pin lainnya berfungsi
sebagai input atau input (kecuali pin 7 dan
14). Output dari setiap pin akan bernilai 0
(low:L) hanya jika kedua input bernilai 1
(High:H) (Texas Instrument 2003).
Gambar 10 Functional diagram IC 4093
Gambar 11 Connection diagram IC 4069
2.5.3 Integrated Circuit seri 4047
IC seri 4047 dapat dimanfaatkan
untuk membentuk rangkaian monostable
positive ataupun negative edge trigger
multivibrator. Pada saat dioperasikan,
rangkaian monostable positive edge trigger
akan menghasilkan sinyal karena adanya
transisi dari sinyal rendah ke tinggi,
sedangkan rangkaian monostable negative
edge trigger menghasilkan sinyal pada saat
transisi sinyal tinggi menjadi rendah
(National Semiconductor 1993).
Gambar 12 Connection diagram IC 4047
5
Tabel 3 Rangkaian monostable positive-negative edge trigger
(Sumber: National Semiconductor 1993)
2.5.4 Integrated Circuit seri 4066
2.5.5 Integrated Circuit seri 4071
IC seri 4071 terdiri dari empat sirkuit
berupa gerbang OR (OR gates). Dari 14 pin
yang ada, output (output) dari IC ini berada
pada pin 3, 4, 10, dan 11. Output dari setiap
pin akan bernilai 0 (low:L) hanya jika kedua
input bernilai 0, sedangkan kombinasi nilai
input lainnya akan menghasilkan nilai 1
(Philips 1995).
Gambar 13 Connection diagram IC 4066
IC seri 4066 memiliki 14 pin. IC ini
dapat berfungsi sebagai saklar. Dalam satu
IC ini Terdapat empat sirkuit dengan fungsi
seperti saklar . Masing-masing sirkuit terdiri
dari input, output dan kontrol.
Tabel 4 Fungsi masing-masing pin pada IC
4066
Gambar 14 Connection diagram IC 4071
Tabel 5 Truth table untuk OR gate
III. METODOLOGI
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan dari bulan
Februari sampai dengan Agustus 2011 di
Workshop
Instrumentasi
Meteorologi,
Departemen Geofisika dan Meteorologi,