rancang bangun sistem pengukuran impedansi listrik pada

RANCANG BANGUN SISTEM PENGUKURAN IMPEDANSI LISTRIK
PADA TEMPERATUR RENDAH BERBASIS FLUKE PM6306
Mirzan Ghulami, Djoko Triyono, Arief Sudarmaji
Program Sarjana Ekstensi, Departemen Fisika, FMIPA Universitas Indonesia
[email protected], [email protected], [email protected]
ABSTRAK
Rancang bangun sistem pengukuran impedansi listrik pada temperatur rendah telah dibuat
dari temperatur -110˚C hingga temperatur kamar. Pengukuran impedansi listrik menggunakan
RCL meter fluke PM6306 yang dapat dikontrol melalui program mikrokontroler. Sistem
pendingin dirancang agar mampu mendinginkan bahan uji secara non-kontak dengan
menggunakan nitrogen sebagai cairan pendingin. Sistem pendingin juga dilengkapi dengan
pemanas yang dapat dikendalikan secara Proporsional hingga temperatur 30˚C. Pengukuran
impedansi listrik dilakukan dengan dua metode yaitu pada temperatur konstan dan pada saat
peningkatan temperatur. Dari kedua metode pengukuran ini diperoleh impedansi listrik
sebagai fungsi frekuensi, Z(f), dan temperatur, Z(T). antar-muka menggunakan LABVIEW
melalui program pengendalian temperatur. hasil pengukuran berupa temperatur, impedansi
dan sudut phase otomatis tersimpan dalam komputer dan ditampilkan dalam grafik T(t), Z(f),
Z(T) dan plot Nyquist.
Kata Kunci : Impedansi, Temperatur Rendah, Frekuensi, Fluke PM6306.
ABSTRACT
Low temperature system for electrical impedance measurement from -110˚C to room
temperature has been made by using rcl meter fluke PM6306 controlled by microcontroller
program. The cryostat was built to cool the sample without contact. Liquid nitrogen was used
as liquid cooling. The cryostat also equipped by heater that can be controlled proportionally
to heat up temperatur 30˚C. Impedance measurement can be carried out by two methods
which are at constant temperature and during increasing temperature. From these methods,
impedance as a function of frequency, Z(f), and as a function of temperature,Z(T), can be
obtained. Interfacing was using labview through temperature controlling program. The results
of measurement such as temperature, impedance, and its phase automatically recorded in
computer and given in graphs T(t), Z(f), Z(T) and Nyquist plot.
Keywords: Impedance, Low Temperature, Frequency, FlukePM6306.
1.
PENDAHULUAN
Departemen fisika universitas Indonesia memiliki rcl-meter yang hanya bisa
digunakan pada temperatur ruang. Alat ini memiliki kemampuan untuk dikendalikan secara
manual lewat tombol-tombol pada antar-mukanya atau dikendalikan dari jarak jauh dengan
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
komunikasi secara serial. Kerja alat ini akan lebih maksimal bila material yang diukur dapat
divariasikan temperaturnya sehingga akan didapat fungsi baru yaitu fungsi temperatur. Selain
itu guna memperpanjang umur pemakaian alat, maka alat lebih baik digunakan secara
otomatis dengan antar-muka menggunakan komputer, karena pengguna tidak akan
menggunakan rcl-meter secara langsung tetapi denganmengirimkan perintah-perintah lewat
komputer.
Penelitian ini dilakukan untuk membuat otomatisasi dari alat ukur rcl-meter dan
rancang bangun pendingin untuk mendinginkan material pada saat pengukuran. Hasil
penelitian ini nantinya dapat dimanfaatkan untuk menunjang penelitian-penelitian fisika
khususnya fisika material.
2.
TINJAUAN TEORITIS
RCL merupakan sebuah alat yang digunakan untuk mengukur sifat-sifat listrik suatu
objek. RCL meter dapat mengukur nilai hambatan, nilai kapasitansi, dan nilai induktansi pada
benda. Selain itu RCL meter yang digunakan adalah fluke PM6306 yang dapat mengukur
impedansi benda pada frekuensi tertentu.
Pengukuran impedansi komponen yang dilakukan oleh RCL-meter berdasarkan dari
teknik pengukuran arus dan tegangan yang melewati komponen tersebut. Arus dan tegangan
yang terukur dari komponen tersebut kemudian dikonversi menjadi nilai-nilai berupa
bilangan biner. Dari nilai-nilai tersebut maka Central Processing Unit (CPU) akan
menghitung parameter kelistrikan dari komponen tersebut. Parameter-parameter kelistrikan
tersebut kemudian dapat kita lihat pada layarLiquid Crystal Display(LCD). Pengukuran dapat
dilakukan dengan menggunakan mode AUTO, atau manual dengan cara menentukan
rangkaian equivalen secara seri atau secara paralel. Ketika mode AUTO dipilih maka sifat
listrik dominan dan sifat listrik tidak dominan akan ditampilkan di layar LCD. Parameterparameter tambahan lainnya pun dapat ditampilkan dengan memilih pada keyboard secara
manual, parameter ini adalah faktor kualitas (Q), faktor pelemahan (D), impedansi (Z), sudut
(φ), tegangan (Vx), dan arus (Ix)[2].
Sifat listrik dominan yang dimaksut adalah ketika kita memiliki sebuah resistor maka
resistor itu akan memiliki sifat kapasitansi atau resistansi pada frekunsi arus dengan frekuensi
tertentu. Ketika mencapai nilai batas tersebut maka resistor yang memiliki nilai dominan
sebagai hambatan dan nilai tidak dominan sebagai kapasitor atau induktor akan berubah sifat
menjadi kebalikannya.
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Masing- masing siklus perngukuran membutuhkan waktu 0.5 detik. Untuk
pengukuran arus bolak-balik (alternating current) dalam satu siklus terdiri dari tujuh
pengukuran terpisah yang berbeda-beda, kemudian hasilnya akan disimpan dan dievaluasi
secara aritmatika. Hasil evaluasi tersebut kemudia di tampilkan pada layar LCD. Tujuh
pengukuran terpisah tersebut adalah[2]:
a. pengukuran tegangan pada 0˚ dan faktor penguat dalam
b. pengukuran tegangan pada 90˚
c. pengukuran referensi pada 0˚
d. pengukuran referensi 90˚ pada faktor penguat >1 dan pengukuran arus 0˚ pada
faktor penguat =1
e. pengukuran arus 0˚ pada faktor penguat >1 dan pengukuran arus 90˚ pada faktor
penguat = 1
f. pengukuran arus 90˚ pada faktor penguat >1 dan pengukuran referensi 0˚ pada
faktor penguat = 1
g. pengukuran referensi 0˚ pada faktor penguat >1 dan pengukuran referensi 90˚
pada faktor penguat = 1
Hasil dari ketujuh pengukuran disimpan pada setiap akhir siklus pengukuran.
Mikroprosesor pada RCL-meter menggunakan nilai-nilai hasil pengukuran tersebut untuk
menentukan rangkaian seri equivalen dari hambatan (Rs), rangkaian seri equivalen dari
reaktansi (Xs), dan faktor qualitas Q = Xs/Rs dari komponen. Pada mode AUTO,
mikroprosesor juga menentukan parameter dominan dan tidak dominan, menghitung nilainya,
dan menampilkan bersamaan dengan simbol dari rangkaian equivalen. Jika salah satu
parameter dipilih secara manual antara yang dominan dan yang tidak dominan , maka hanya
parameter tersebut yang akan dihitung dan ditampilkan. Setelah itu pada siklus pengukuran
selanjutnya akan dimulai dengan tujuh pengukuran terpisah kembali.
Gambar 1. Display RCL Meter[2]
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Jika pada RCL meter menunjukkan gambar pada Gambar 2.1, hasil dari tujuh
pengukuran dapat dilihat pada diagram phasor pada gambar 2.2
Gambar 2. Diagram Phasor RCL Meter[2]
V = tegangan
I = arus
V1 = 0˚- tegangan
V2 = 90˚ - tegangan
Φ = sudut antara I dan V
α = sudut antara I dan v1
Pada diagram, sudut antara hubungan I dan V menjadi kerugian induktansi. Pada
setiap siklus pengukuran komponen-komponen berikut akan ditentuntukan, yaitu : Vp, Vq,
Ip, dan Iq.Pada rangkaian seri hambatan dan reaktansi, nilainya didapat dari persamaan
berikut.
=
=
3.
.
.
.
.
(2.1)
(2.2)
METODE PENELITIAN
Rancangan sistem yang dibuat terdiri dari rancangan pendingin (cryostat), rancangan
rangkaian elektronika, rancangan program pengendalian temperatur pada mikrokontroler, dan
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
rancangan program pengendalian temperatur pada LabView. Pada rancangan cryostat terdiri
dari pembuatan rancang bangun cryostat, konektor kabel, probe, dan pompa vakum.
Gambar 3. Blok Diagram Sistem
Pada rancangan elektronika terdiri dari pembuatan minimum sistem, pemanas,
rangkaian sensor, rangkaian pemanas dan pemanas dengan daya dc. Rancangan program
pengendalian temperatur pada mikrokontroler dibuat sedemikian rupa sehingga dapat
mengkonversi nilai pembacaan sensor, mengatur daya pada pemanas, dan berkomunikasi
secara serial dengan komputer. Pada rancangan program pengendalian temperatur pada
labview juga dibuat sedemikian rupa sehingga dapat mengolah data yang dikirimkan oleh
mikrokontroler, menampilkan kepada operator, dan menyimpan data yang telah diolah.
Gambar 1 menunjukkan blog diagram dari sistem yang telah dibuat. Pembuatan
sistem ini dimulai dengan pembuatan crysotat terlebih dahulu. Pada Gambar 1 terlihat bahwa
nitrogen cair dimasukkan pada cryostat, hal ini dimaksudkan agar cryostat mengalami
pendinginan yang disebabkan oleh cairan nitrogen. Cryostat yang telah dingin akan
mendinginkan objek pengukuran dan sensor temperatur didalamnya. Sensor temperatur
kemudian
memberikan
informasi
temperatur
didalam
cryostat
kepada
program
mikrokontroler. Mikrokontroler yang telah diprogram kemudian mengirimkan informasi
tersebut secara serial kepada komputer.
Dikomputer data tentang temperatur tersebut diolah dengan menggunakan program
pengendalian temperatur. Dari hasil pengolahan data temperatur maka didapatkan nilai
perbedaan temperatur didalam cryostat dengan temperatur yang diinginkan. Nilai perbedaan
atau error ini kemudian dikirimkan kembali pada mikrokontroler untuk mengatur daya pada
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
pemanas. Pemanas ini nantinya akan memanaskan ruangan didalam cryostat agar temperatur
dapat mencapai set point yang diinginkan.
Bersamaan dengan itu cryostat juga mendinginkan objek pengukuran yang ada
didalamnya. Objek ini dijepit menggunakan probe yang kemudian dihubungkan dengan
konektor. Nilai dari impedansi probe kemudian diukur dengan menggunakan RCL meter
merek Fluke tipe PM6306. Dalam pengukuran, probe standar milik fluke juga dihubungkan
dengan konektor yang ada diluar cryostat. Nilai-nilai yang terbaca pada cryostat kemudian
diinputkan secara manual kepada LabView untuk kemudian diolah dan disimpan dalam
bentuk tabel.
4.
HASIL PENELITIAN
Pengujian pertama yang dilakukan adalah uji pendinginan pada cryostat. Pengujian
pertama dilakukan dengan menuangkan nitrogen cair secara sedikit demi sedikit. Pengujian
ini dilakukan dengan tujuan melihat efek pendinginan dengan pemakaian nitrogen cair
sehemat mungkin. Pada pengujian pertama tempat penampung nitrogen cair ditutup
menggunakan busa sterofoam.
Grafik Pendinginan Percobaan 1
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0 1200.0 1400.0 1600.0
0.00
-10.00
TEMPERATUR ( C)
-20.00
-30.00
-40.00
-50.00
-60.00
-70.00
-80.00
-90.00
-100.00
WAKTU (S)
Gambar 4. Grafik Pendinginan Percobaan Pertama
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Gambar 11 merupakan grafik yang didapatkan dari pengujian pendingingan
menggunakan nitrogen cair sehemat mungkin. Pada percobaan ini jumlah nitrogen cair yang
digunakan ± 5 liter atau setengah dari wadah penyimpanan nitrogen. Dari grafik ini terlihat
bahwa proses pendinginan mencapai temperatur maksimum sebesar ± 89˚C. Proses ini
ditempuh selama ± 1600 detik atau 26 menit. Gambar 4.6 juga menunjukkan bahwa pada
proses ini pendinginan terjadi cukup lambat. Selain itu pada saat nitrogen cair telah habis dari
penampungan, terlihat pada ujung garis berwarna biru kecendrungan untuk terjadi pemanasan
dengan cepat.
Percobaan pendinginan kedua dilakukan dengan menghabiskan nitrogen cair lebih
banyak dari percobaan pertama. Pada percobaan ini jumlah nitrogen yang dituang ± 8 liter
secara sedikit demi sedikit. Pengujian ini dilakukan dengan perbaikan berupa isolasi cryostat
dari temperatur ruangan dengan menggunakan selimut yang cukup tebal.
Setelah menuangkan nitrogen cair sebanyak ± 8 liter, tempat nitrogen cair ditutup
dengan menggunakan busa. Pada kondisi ini nitrogen cair menguap dengan sangat cepat.
Agar uap dingin tersebut tidak terbuang dengan sia-sia, maka uap tersebut digunakan untuk
mendinginkan bagian luar cryostat dengan cara menyelimuti dinding cryostat dengan selimut
tebal. Selimut tersebut dipasang menutupi lubang tempat menuang nitrogen cair, kemudian
selimut tersebut dililitkan ke sekeliling cryostat. Dengan cara ini maka uap nitrogen cair yang
keluar akan melewati dinding-dinding luar cryostat dan lapisan selimut sehingga temperatur
di sekitar cryostat ikut mengalami pendinginan.
Grafik Pendinginan Percobaan 2
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
40.00
TEMPERATUR (C)
20.00
0.00
-20.00
-40.00
-60.00
-80.00
-100.00
-120.00
WAKTU (S)
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
3500.0
Grafik 5. Grafik Pendinginan Percobaan Kedua
Gambar 5 merupakan grafik yang didapatkan dari pengujian pendinginan pada
percobaan kedua. Pada grafik ini terlihat bahwa dengan perlakuan yang berbeda dari
percobaan pertama nilai pendinginan yang didapat akan lebih rendah. Pada percobaan kedua
nilai maksimum pendinginan yang dicapai adalah -100˚C dengan waktu pendinginan
mencapai temperatur maksimum ±2500 detik atau 41 menit. Pada percobaan kedua cryostat
dapat mempertahankan nilai pada temperatur rendah lebih lama daripada percobaan pertama.
Terlihat pada Gambar 4.8 setelah mencapai titik maksimumnya cryostat mengalami
kestabilan temperatur selama ±800 detik atau 13 menit.
Percobaan pendinginan ketiga dilakukan dengan sedikit perbedaan perlakuan dari
percobaan kedua. Pada percobaan ini nitrogen cair tidak dituangkan secara sedikit demi sedit
akan tetapi langsung diisi ke dalam cryostat hingga penuh. Setelah nitrogen cair penuh lubang
cryostat ditutup dengan menggunakan busa, setelah itu cryostat ditutup menggunakan selimut
tebal sama seperti percobaan kedua. Pada percobaan ketiga nitrogen yang digunakan ±9 liter,
yaitu sebanyak 1 tabung nitrogen cair penuh.
Grafik Pendinginan Percobaan 3
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 1800.0
40
20
TEMPERATUR (C)
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
WAKTU (S)
Gambar 6. Grafik Pendinginan Percobaan Ketiga
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Gambar 6 memperlihatkan grafik pendinginan dari percobaan ketiga. Percobaan ini
dinilai sebagai percobaan yang paling baik karena nilai pendinginan maksimum mencapai 110˚C. Percobaan ketiga ini juga memerlukan waktu yang paling singkat dalam mencapai
nilai pendinginan maksimum yaitu sebesar ±1600 detik atau 26 menit.
Sebelum melakukan pengujian dengan menggunakan sistem kontrol, dilakukan
pemanasan alami tanpa menggunakan heater. Hal ini untuk melihat respon pemanasan yang
dimiliki oleh cryostat.
Grafik Pemanasan Percobaan 1
0
500
1000
1500
2000
0
-10
TEMPERATUR (C)
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
WAKTU (S)
Gambar 7. Grafik Pemanasan Alami Pada Percobaan Pertama
Gambar 7 merupakan hasil yang didapat dari percobaan pemanasan cryostat secara
alami. Temperatur naik dengan cepat hingga sekitar -5˚C. waktu yang dibutuhkan cryostat
untuk pemanasan alami dari temperatur -75˚C hingga -5˚C adalah ±1800 detik atau 30 menit.
Percobaan pemanasan ini juga dipengaruhi oleh perlakuan pada percobaan pendinginan
pertama, yaitu menggunakan nitrogen sehemat mungkin dan tidak menggunakan isolasi
termal berupa selimut disekeliling cryostat.
Percobaan pemanasan kedua dilakukan dengan memberikan daya 50 persen pada
pemanas untuk melihat respon dari cryostat. Percobaan pemanasan kedua merupakan
percobaan yang dilakukan setelah percobaan pendinginan kedua sehingga perlakuan yang
diberikan sama.
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Grafik Pemanasan Percobaan 2
0.0
1000.0
2000.0
3000.0
4000.0
5000.0
6000.0
7000.0
40.00
20.00
TEMPERATUR (C)
0.00
-20.00
-40.00
-60.00
-80.00
-100.00
-120.00
WAKTU (S)
Gambar 8. Grafik Pemanasan Pada Percobaan Kedua dengan Daya Pemanas 50%
Gambar 8 merupakan grafik dari pemanasan pada percobaan kedua dengan
menggunakan pemanas yang diberi daya sebesar 50%. Dari hasil yang didapat terlihat bahwa
dengan menggunakan pemanas, peningkatan temperatur dapat dicapai secara linier. Waktu
yang digunakan dalam pemanasan pada percobaan ke-2 dari -95˚C hingga 20˚C adalah ±5000
detik atau 83 menit. Waktu pemanasan yang dibutuhkan lebih lama dari percobaan pertama
namun lebih linier. Percobaan kedua dinilai lebih baik dari percobaan pertama karena waktu
untuk pengukuran menggunakan rcl meter menjadi lebih lama.
Percobaan pemanasan ketiga dilakukan dengan menggunakan kontrol proporsional.
Daya yang diberikan pada pemanas bergantung dari nilai error yang didapat. Percobaan
pemanasan ketiga dilakukan setelah percobaan pendinginan ketiga maka dari itu perlakuan
yang diberikan pada percobaan ini sama.
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Gambar 9. Grafik Pemanasan Percobaan Ketiga dengan Kontrol Proporsional
Gambar 9 merupakan grafik yang didapat dari percobaan pemanasan pada percobaan
ketiga. Titik-tik yang berwarna merah merupakan set point yang diberikan, sedangkan titiktik yang berwarna biru merupakan temperatur didalam cryostat yang terukur. Terlihat pada
Gambar 4.13 bahwa waktu yang diperlukan untuk melakukan pemanasan lebih lama daripada
percobaan pertama atau kedua. Pada percobaan ketiga waktu yang dibutuhkan untuk
pemanasan dari temperatur -110˚C hingga 20˚C adalah ± 10000 detik atau 2 jam 47 menit.
Pada Gambar 16 juga memperlihatkan keadaan titik-titik dengan peningkatan yang
landai yaitu pada 0 detik hingga 4000 detik, hal ini menggambarkan pada saat tersebut
nitrogen cair belum habis sehingga pemanasan berjalan sangat lambat. Namun setelah
nitrogen habis peningkatan temperatur terjadi secara cepat. Dalam hal ini seharusnya kontrol
proporsional dapat mengatur agar temperatur berjalan secara konstan. Namun masalah yang
dihadapi adalah pada saat terjadi pemanasan tidak ada lagi cairan pendingin yang bisa
menahan pemanasan. Temperatur dingin yang tersisa berasal dari dinding-dinding cryostat
dan udara sekitar yang bukan merupakan sumber dingin. Namun demikian percobaan ketiga
dinilai lebih baik dari pada percobaan pertama dan kedua karena temperatur naik dengan
lambat sehingga memudahkan pengambilan data rcl meter secara manual.
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Pengujian sistem yang telah dilakukan bertujuan untuk mengukur sample barium
titanat. Pada sub bab ini akan dibahas tentang hasil pengukuran sifat listrik barium titanat
dengan sistem cryostat yang telah dibuat.
Impedansi BaTiO3 terhadap Frekuensi
pada T Kamar
2500
Impedansi
2000
1500
1000
500
0
100
1000
10000
100000
1000000
Frekuensi
Gambar 10. Grafik Impedansi BaTiO3 terhadap Frekuensi pada Temperatur Kamar
Grafik Impedansi BaTiO3 terhadap
Frekuensi pada Temperatur Rendah
40000.0
IMPEDANSI (OHM)
35000.0
30000.0
25000.0
20000.0
15000.0
10000.0
5000.0
0.0
100
1000
10000
100000
1000000
FREKUENSI (Hz)
Gambar 11. Grafik Impedansi BaTiO3 terhadap Frekuensi pada Temperatur Rendah
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Gambar 18 menunjukkan hasil pengukuran impedansi barium titanat pada temperatur
rendah yang telah dilakukan. Pada pengukuran ini menggunakan cara pengukuran yang sama
dengan saat temperatur kamar, yaitu menggunakan tegangan 1 volt dan variasi frekuensi dari
100Hz hingga 1MHz dengan perubahan yang logaritmik.
Pengukuran ini membuktikan bahwa terjadi perbedaan impedansi antara temperatur
ruang dengan temperatur rendah. Pada kondisi temperatur kamar dengan tegangan 100Hz
impedansi barium titanat bernilai ±2400 Ohm, sedangkan pada temperatur rendah impedansi
barium titanat naik hingga ±35000 Ohm.
Nyquist Plot BaTiO3 pada T Kamar
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
0
-100
Z SIN PI
-200
-300
-400
-500
-600
Z COS PI
Gambar 12. Plot Nyquist BaTiO3 pada Temperatur Kamar
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Nyquist Plot BaTiO3 pada T Rendah
0
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
0.00
-2000.00
Z SIN PHI
-4000.00
-6000.00
-8000.00
-10000.00
-12000.00
-14000.00
Z COS PHI
Gambar 13. Plot Nyquist BaTiO3 pada Temperatur Rendah
Gambar 12 dan Gambar 13 menggambarkan nyquist plot dari barium titanat yang
diukur pada keadaan yang berbeda. Pada gambar 19 barium titanat diukur pada saat
temperatur kamar, dan pada gambar 13 barium titanat diukur pada temperatur rendah.
Terdapat perbedaan nilai yang sangat besar antara kedua pengukuran ini baik nilai impedansi
real maupun impedansi imajiner. Kedua pengukuran ini menghasilkan bentuk setengah
lingkaran yang berada pada kuadaran kedua. Hal ini menandakan barium titanat memiliki
sifat kapasitansi.
Selain dengan frekuensi yang bervariasi, barium titanat juga diukur dengan perubahan
temperatur tiap 1derajat celcius dari -110˚C hingga 20˚C. pengukuran ini dilakukan dengan
tegangan 1 volt dan frekuensi 50KHz.
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
Impedansi BaTiO3 terhadap T
dengan F 50KHz
IMPEDANSI (Ohm)
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
-120
-70
-20
30
TEMPERATUR (C)
Gambar 14. Pengukuran Impedansi BaTiO3 dengan Variasi Temperatur
Dari hasil pengukuran yang ditunjukkan oleh gambar 21 terlihat bahwa pada
temperatur dibawah -90˚C impedansi tidak dapat diukur dengaan baik karena nilai pada rcl
meter selalu berubah-ubah. Namun diatas -90˚C pengukuran impedansi berjalan dengan baik.
Terlihat hasil impedansi yang semakin berkurang bersamaan dengan meningkatnya suhu
cryostat.
5.
PEMBAHASAN
Cryostat yang dibuat dirancang agar dapat mendinginkan objek pada temperatur yang
sangat rendah. Pada temperatur tersebut akan terbentuk bunga-bunga es bila pada udara
sekitarnya terdapat uap air. Oleh karena itu cryostat dirancang untuk di vakum berkali-kali
kemudian diinjeksi dengan gas nitrogen murni. Hal ini bertujuan untuk membuang udara
yang mengandung air.
Dari pengujian yang dilakukan didapatkan kondisi ruang vakum sebesar 30 Torr. Hal
ini menandakan bahwa terjadi kebocoran pada cryostat. Kebocoran ini mengakibatkan saat
selang dari pompa vakum ditutup, kondisi ruangan cryostat secara perlahan-lahan akan
kembali ke tekanan 1 atm atau 760 Torr.
Setelah melakukan uji vakum dilanjutkan pengujian dengan memberikan udara
bertekanan pada cryostat. Pengujian ini dilakukan sebagai simulasi sebelum menggunakan
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
gas nitrogen murni. Udara bertekanan dihasilkan dari pompa rotary yang digunakan untuk
vakum. Dengan memindahkan selang ke lubang pembuangan maka akan didapatkan udara
bertekanan.
Hasil yang didapat dari pengujian ini adalah sambungan-sambungan pada dinding
cryosat tidak dapat menahan udara tersebut. Seal-seal yang digunakan sebagai pelapis juga
terdorong keluar dari cryostat. Kondisi ini dianggap akan merusak mekanisme cryostat
sehingga pengujian dengan memasukkan udara bertekanan dihentikan.
Selain itu uji vakum juga dilakukan sambil menuangkan nitrogen cair kedalam cryostat.
Nitrogen cair membutuhkan waktu yang cukup lama untuk mendinginkan seluruh isi cryostat.
Temperatur yang cukup dingin mengakibatkan karet seal yang digunakan menjadi lebih getas
sehingga keadaan ruang cryostat yang sebelumnya berada dalam keadaan vakum 30 torr
berubah menjadi 200 torr. karet seal yang getas mengakibatkan kebocoran pada cryostat
semakin bertambah besar. Bila pompa vakum terus dihidupkan pada saat terjadi pendinginan,
maka terjadi bunyi cracking pada dinding-dinding cryostat. Maka dari itu pengujian dengan
pompa vakum dihentikan pada saat terjadi pendinginan karena dikhawatirkan mekanisme
cryostat akan mengalami keretakan.
Pengukuran impedansi barium titanat bertujuan untuk melihat respon impedansi bila
diberikan tegangan pengukuran dengan variasi frekuensi. Tegangan pengukuran yang
diberikan adalah 1 volt dengan frekuensi dari 100Hz hingga 1MHz dengan perubahan secara
logaritmik.dari gambar 17 terlihat bahwa impedansi barium titanat menurun bersamaan
dengan meningkatnya frekuensi tegangan. Untuk membandingkan hasil pengukuran tersebut
maka pengukuran impedansi barium titanat dilakukan dengan perlakuan yang berbeda, yaitu
pada kondisi temperatur yang sangat rendah.
6.

KESIMPULAN
Rancang bangun sistem pengukuran impedansi pada temperatur rendah telah selesai
dibuat dengan pendinginan maksimum sebesar -110˚C hingga temperatur kamar sebesar
28˚C.

Probe yang telah dibuat mampu bekerja dengan baik pada pengukuran impedansi dengan
sinyal dc hingga sinyal ac dengan frekuensi maksimum 100KHz.

Sensor dan rangkaian pengkondisi yang telah dibuat dikalibrasi pada temperatur -196˚C
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013
hingga temperatur kamar 30˚C. Sensor tersebut telah digunakan pada sistem dan dapat
mengukur temperatur dengan baik hingga -110˚C.

Sistem kontrol proporsional yang telah dibuat tidak dapat bekerja dengan baik. Hal ini
dikarenakan daya pemanas yang terlalu kecil dan persediaan nitrogen cair yang terbatas.

Pengukuran yang dilakukan terhadap sample menunjukkan bahwa impedansi listrik
barium titanat dapat berubah tergantung dari kondisi temperatur sekitarnya.
7.
SARAN

Pembuatan cryostat dan probe sebaiknya dibuat dengan ukuran yang lebih kecil. Hal
tersebut dilakukan karena ukuran sample yang kecil dan juga untuk efisiensi biaya
pembuatan dan biaya operasional saat pengukuran (karena jumlah nitrogen cair yang
digunakan akan lebih sedikit).

Pembuatan cryostat sebaiknya dibuat menggunakan stainless steel berbentuk pipa
dengan ketebalan minimal 3mm. Hal tersebut dilakukan agar cryostat dapat di vakum
atau di isi gas pada temperatur rendah.

Pembuatan flange pada cryostat sebaiknya menggunakan bahan yang tebal dan rata
agar tidak terjadi kebocoran pada cryostat.

Pembuatan tutup cryostat sebaiknya dibuat dengan menggunakan mekanisme yang
lebih baik supaya tidak mempersulit dalam membuka atau menutup cryostat.
8.
KEPUSTAKAAN
[1]
Wijaya, Sastra Kusuma. Analisa Rangkaian Arus Bolak-Balik.Depok : Diktat
Elektronika 1.
[2] Ekin, Jack W.(2006).Experimental Techniques for Low Temperature Measurement.New
York:Oxford University Press Inc.
[3] Fluke.Users manual. Programmable Automatic RCL meter-PM6306.May 1996, Rev 2
Manajemen aset ..., Mirzan Ghulami, FT UI, 2013