perancangan signal conditioning termokopel tipe-k - Digilib

PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 28 Agustus 2008
PERANCANGAN
SIGNAL CONDITIONING TERMOKOPEL TIPE-K
SEBAGAI MASUKAN ADC-0804
G. Bambang Hem K, Demon Handoyo
PTRKN-BATAN
ABSTRAK
PERANCANGAN
SIGNAL CONDITIONING TERMOKOPEL TIPE-K SEBAGAI
MASUKAN ADC-0804. Telah dilakukan perancangan signal conditioning termokopel
agar tegangan keluaran dari termokopel tersebut dapat digunakan sebagai tegangan
masukan ADC-0804. Dari hasil perhitungan, didapat penguatan tegangan sebesar
490 kali. Penguatan tersebut dilakukan dengan menerapkan rangkaian penguat
instrumentasi yang mempunyai impedansi masukan dan CMRR tinggi, selain itu besar
penguatan dapat diatur dengan memutar variabel resistor untuk mendapatkan
tegangan keluaran yang sesuai. Dari perbandingan antara hasil simulasi dengan
tegangan masukan ADC, dapat disimpulkan bahwa perancangan telah berhasil
dilakukan. Dengan demikian perancangan ini dapat digunakan sebagai bahan acuan
pada tahap pembuatan
Kata kunci : perancangan signal conditioning dan ADC-0804
ABSTRACT
DESIGN OF SIGNAL CONDITIONING FROM K- TYPE THERMOCOUPLE AS INPUT
ADC-0804. The design of signal conditioning from thermocouple so that output
voltage from thermocouple can be used as input voltage of ADC 0804 has been done.
From calculation process, it is multiplication of voltage are 490 times. The
amplification is conducted by applying instrumentation amplifier which haves input
impedance and high CMRR. Others, multiplication value can be conducted by turning
variable resistor to get the appropriate output voltage. From comparison between
simulation results with the input voltage of ADC, that designing have succeeded.
Thereby this design can be used as reference of making phase.
Keyword: design signal conditioning and ADC-0804
PENDAHULUAN
Untai
adalah Uji
salahTennohidrolika
satu fasilitas
Reaktor di (UUTR)
penelitian
PTRKN
SATAN.
Keberadaan
fasilitas
tersebut
dimaksudkan
untuk
kegiatan
berbagai
macam
penelitian
yang berhubungan
dengan penelitian
keselamatall PL TN untuk tipe PWR dan PHWR.
Penelitian
difokuskan
pada
fen omena
tennohidrolika
yang
muncul
selama
sekuen
kecelakaan
yang
dipostulasikan.
Fenomena
termohidrolika
mencakup
persoa!an perpindahan
panas dan perubahan
fasa. Dalam melakukan
penelitian, beberapa besaran fisis (sebagai contoh :
tekanan, temperatur, laju alir dan sebagainya) akan
diukur dan diambil datanya sebagai data penelitian.
Dari berbagai pengukuran
tersebut, pengukuran
142
temperatur menjadi salah satu pengukuran
yang
dioptimalkan.
Untuk lebih membantu penelitian dalam
pengambilan data temperatur, maka pengembangan
sistein pengukuran
temperatur
terus dilakukan.
Sekarang
ini sistem pengukuran
temperatur
di
UUTR
sudah
berbasis
mikrokontroler
atau
komputerisasi.
Dimana
data temperatur
secara
otomatis diambil dan disimpan dalam komputer
sesuai program yang ada, selain itu sistem ini juga
dimungkinkan
untuk berinteraksi
dengan sistem
lainnya. Sebagai contoh adalah pengaturan daya
heater. Diagram alir sistem pengukuran temperatur
dapat dilihat pad a Gambar I.
Ada beberapa jenis sensor suhu yang
dipakai
di UUTR, yaitu RTD, PT -100, dan
termokopel.
Sesuai dengan diagram
alir pada
ISSN 1410 - 8178
G. Bambang Heru K, dkk
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator don ProsesBahan
Yogyakarta,
Gambar I, maka harus ada pengkondisian dari
sinyal keluaran sensor agar dapat digunakan sebagai
masukan ADC (Analog to Digital Converter).
Dalam makalah ini dibahas lebih lanjut mengenai
perancangan signal conditioning untuk sensor
temperatur termokopel tipe-K yang akan digunakan
sebagai masukan ADC-0804. Dengan adanya
perancangan ini diharapkan dapat dilanjutkan ke
tahap pembuatan. Lebih dari itu, perancangan ini
dimungkinkan pula untuk sensor temperatur yang
lainnya atau sensor besaran fisis yang lainnya
(sebagai contoh laju alir, tekanan dan sebagainya)
Gambar I. Diagram
alir
temperatur
sistem
pengukuran
DASAR TEORI
Deskripsi termokopel tipe-K
Dalam dunia elektronika, termokopel
adalah sensor suhu yang digunakan untuk
4900,0
1960,0
4998,0
2508,8
19,6
313,6
1254,4
156,8
627,2
(mV) 0
mengubah 3920,0
perbedaan
panas dalam benda yang
diukur temperatumya menjadi tegangan listrik.
Termokopel sendiri adalah dua buah kawat logam
yang berbeda jenisnya, dimana salah satu ujungnya
disatukan. Jika kedua kawat yang telah disatukan
tersebut menerima perlakuan panas, maka akan ada
beda tegangan pada kedua ujung kawat lainnya.
Besar beda tegangan tergantung dari bahan atau tipe
dari termokopel tersebut. Perubahan tegangan yang
diberikan oleh termokopel tersebut diproses lebih
lanjut sehingga didapat nilai temperatur yang
sedang terjadi. Dalam makalah ini yang dibahas
adalah termokopel tipe-K.
Termokopel tipe-K terbuat dari bahan
Chromel (Ni-Cr alloy) - Alumel (Ni-Al alloy) yang
mempunyai
kemampuan
untuk
mengubah
temperatur menjadi tegangan Iistrik secara linier
dari OOC- 1372oC. Beda tegangan yang diberikan
untuk perubahan setiap 1°Cberkisar ± 4011V.
Deskripsi ADC-0804
ADC (Analog to Digital Converter)
merupakan sebuah interface yang dapat merubah
tegangan analog menjadi digital. Interface ini
diperlukan karena mikrokontroler atau komputer
hanya dapat mengolah sinyal digital, dengan
G. Bambang Heru K, dkk.
28 Agustus 2008
demikian keberadaan dari ADC ini sangat
diperlukan pada sistem pengukuran temperatur yang
berbasis mikrokontroler atau komputer. Batasan
tegangan yang dapat diubah oleh ADC sesuai
dengan lebar data dan tegangan referensi yang
diberikan. Tegangan referensi menentukan minimal
dan maksimal tegangan masukan yang dapat
diterima oleh ADC, sedangkan lebar data (dalam
format biner) akan menentukan berapa step/cacahan
yang akan membagi tegangan referensi tersebut.
Dengan demikian kita dapat mengetahui besarnya
tegangan tiap bit-nya yaitu tegangan referensi
dibagi dengan jumlah step/cacahan yang ada. Pada
perancangan ini yang digunakan adalah ADC-0804.
ADC-0804 mempunyai lebar data 8 byte
(256 bit) dan memiliki kecepatan tinggi dalam
mengubah sinyal analog ke digital, selain itu
compatible dengan mikrokontroler. Ada dua mode
untuk mengaktifkan sistem ini, yaitu mode free
running dan mode kontrol. Mode free running
adalah dimana ADC-0804 akan mengeluarkan data
hasil pembacaan input secara otomatis dan
berkelanjutan (continue) setelah selesai mengubah
tegangan analog ke digital. Sedangkan mode
kontrol adalah dimana ADC-0804 akan mulai
mengubah tegangan analog ke digital setelah diberi
perintah dari mikrokontroler.
Tabel I. Hubungan tegangan masukan dengan nilai
keluaran ADC-0804
Vin
1D,
255
200
250
0100
128
0D7
611
0001
16
32
8004Do
Ds
D.
D3
D:2
Desimal
Lebar data
Jika 1 bit menyatakan perubahan setiap 1°C
sedangkan lebar data yang dimiliki ADC-0804
adalah 8 byte atau dalam format biner adalah 256
bit, maka suhu maksimum yang dapat dibaca oleh
ADC-0804 adalah 255°C. Jika tegangan referensi
yang diberikan adalah 5 Volt, maka tegangan setiap
I bit adalah 5 Volt dibagi dengan 255 yaitu 0,0196
Volt/bit. Rangkaian dari modul ADC-0804 dapat
dilihat pada Gambar 2, sedangkan hubungan antara
ISSN 1410 - 8178
143
PROSIDING SEMINAR
DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
PENELITIAN
NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan
Vogyakarta, 28 Agustus 2008
tegangan masukan dan nilai keluaran dapat dilihat
pada Tabel I.
CS
Besar tegangan keluaran dapat dihitung berdasarkan
rumus :
1S0pf
(1 )
ifd
WR
iNTii
dengan :
R, = R3 dan R./
Va = Tegangan
V, = Tegangan
V2 = Tegangan
OBr
OB,
DB,
OB3
V'N(o)
082
ACND'
VRtFl2'
DBt
OB,
OBo
7
V'N I.)~
DGND 10
Gambar 2. Rangkaian modul ADC-0804
Signal conditioning
Seperti kita lihat pada Gambar 1, bahwa
signal conditioning berada antara termokopel dan
ADC, yang berfungsi mengkondisikan tegangan
keluaran dari termokopel agar dapat dijadikan
sebagai tegangan masukan ADC. Dari pemahaman
termokopel tipe-K dan ADC-0804 yang telah
dijabarkan di depan, diketahui bahwa setiap
perubahan 1°C, termokopel akan memberikan
perubahan tegangan sebesar 40~V, sedangkan
perubahan nilai dari ADC-0804 untuk setiap bit-nya
diperlukan tegangan 0,0196 Voltlbit. Dengan
demikian
signal
conditioning
harus
dapat
mengkondisikan tegangan 40~ Volt menjadi 0,0196
Volt. Pengkondisian tersebut dapat dilakukan
dengan menerapkan rangkaian penguat tegangan.
Dalam dunia elektronika, ada berbagai
macam rangkaian penguat tegangan sesuai dengan
kebutuhannya.
Pada
permasalahan
signal
conditioning ini, ada beberapa hal yang perlu
diperhatikan dalam menentukan rangkaian penguat
tegangan yang akan digunakan, yaitu : impedansi
masukan yang besar dan CMRR (commond mode
rejection
ratio)
yang
tinggi.
Berdasarkan
pemahaman tersebut maka pada kegiatan ini dipilih
penguat tegangan instrumentasi. Rangkaian penguat
tegangan instrumentasi dapat dilihat pada Gambar
3.
Va
YJ
= R5 = R6 = R7
keluaran
masukan rendah
masukan tinggi
Sesuai dengan Gambar 3, R2 yang berupa
variabel resistor dapat diatur besarnya. Hal ini
dilakukan untuk mendapatkan penguatan yang
sesuai dengan perhitungan. Jika penguatan besar,
maka nilai dari CMRR juga akan besar. Dengan
nilai CMRR yang besar dianggap sistem penguatan
bebas dari gangguan-gangguan interferensi (contoh
: desah, arus balik dan sebagainya). Besar nilai
CMRR dapat dihitung dengan rumus :
CMRR
= A.Vi
(2)
Va
dengan :
= Penguatan
Vi = Tegangan masukan
Vo = Tegangan keluaran
A
Perhitungan
besar penguatan
Telah diketahui bahwa signal conditioning
harus mengkondisikan tegangan keluaran sebesar
40flV yang berasal dari termokopel menjadi 0,0196
Volt agar dapat dipakai sebagai masukan ADC0804. Dengan demikian besar penguatan yang akan
dilakukan oleh signal conditioning adalah 0,0196
Volt dibagi 40~V yaitu sebesar 490 kali. Dari besar
penguatan yang telah didapat, dilakukan simulasi
dengan software EWB (Electronic WorkBench).
Software EWB (Electronic WorkBench)
merupakan sebuah piranti lunak untuk rnembantu
perancangan elektronika. Berbagai komponen
elektronika dapat dimodelkan dengan software ini.
Selain itu berbagai alat ukur juga tersedia (sebagai
contoh multimeter,
osiloskop,
display dan
sebagainya) dimana dapat dipasang pada bagian
tertentu dari rangkaian sesuai yang diinginkan.
Setelah pemodelan rangkaian selesai, dapat
dieksekusi atau dijalankan karena fasilitas ini juga
tersedia. Berdasarkan nilai yang tampil pada alat
ukur, dapat disimpulkan apakah pemodelan yang
telah dilakukan sesuai dengan rancangan atau tidak.
Pemodelan
rangkaian
penguat
instrumentasi menggunakan software EWB dapat
dilihat pada Gambar 4 dengan penguatan sebesar
490 kali.
Gambar 3. Rangkaian penguat instrumentasi
144
ISSN 1410 - 8178
G. Bambang Heru K, dkk
50
55
32
64
00
28
8
16
peratur
nditioning
PENELlTlAN
PROSIDING SEMINAR
DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan
Yogyakarta, 28 Agustus 2008
Va
489:i!iJ :YJ
Gambar 4. Rangkaian
EWB
penguat instrumentasi
dengan
Jika tegangan keluaran hasil simulasi pada
Tabel 2 dibandingkan
dengan
nilai tegangan
masukan ADC-0804 sesuai Tabel I, maka akan
terlihat adanya selisih / penyimpangan.
Simpangan
yang terjadi dapat diperkecil dengan mengubah
nilai
penguatan
pada
rangkaian
penguat
instrumentasi, perubahan tersebut dilakukan dengan
memutar variabel resistor (R]). Nilai simpangan
antara
keluaran
signal conditioning
dengan
masukan ADC-0804 dapat dilihat pada Tabel 3,
sedangkan penampilan dalam bentuk grafik dapat
dilihat pada Gambar 5.
60000
HASIL DAN PEMBAHASAN
y
Dengan
melakukan
pensimulasian
rangkaian
penguat tegangan
instrumentasi
yang
sudah diperkuat
490 kali menggunakan
EWB
seperti
pada Gambar
4, diperoleh
data hasil
penguatan seperti dalam Tabel 2.
Tabel 2. Hasil simulasi rangkaian
instrumentasi
0.1236<
c
~ 40000
~
Iii
30000
I!'
~ 20000
...
penguat tegangan
10000
1285
317
2601
10151
10355
4095
5246
8137
2570
2006
3987
637
39
01274
04974
5074
629,6
155,3
312,1
keluaran
19,11
(mV)
InDut
Tegangan
Tegangan
.
(0C)
&
R=1
50000
00
termokopel
0 (uV)
0.0
1000.0
2D000
30000
40000
50000
GOooO
Teg"'gon MastJ<",
Gambar 5. Grafik
tegangan
dan
conditioning
keluaran
signal
tegangan
masukan
ADC-0804
KESIMPULAN
Dari hasil perhitungan dan simulasi, maka
disimpu1kan
bahwa
perancangan
signal
conditioning termokope1
tipe-K
yang
dipakai
sebagai masukan ADC-0804 telah berhasil. Besar
simpangan yang terjadi seperti ditunjukan
pada
Tabel 3 masih dalam batas yang wajar, dengan
demikian rancangan tersebut dapat dipakai sebagai
acuan untuk tahap pembuatan.
dapat
Tabel
antara nilai keluaran signal
conditioning dengan masukan ADC-0804
3. Hubungan
masukan
ADC00
02508,8
Pembacaan
46
67
74
76
19.6
1,5
156,8
1960,0
1,56
1,56
61,2
3920,0
0,39
0,49
0,39
19,6
2,4
313,6
1254,4
0,39
4998,0
4900,0
0804
Simpangan
(mV)
Tegangan
0,79
1,5
(%)627,2
Tegangan suhu
keluaran
(mY)
Tegangan
DAFT AR PUST AKA
1. MISURA
DI
TEMPERATURA,
Gruppo
Imprese
Strumentazione
Italia,
EDIZIONE
1987.
2. W ASITO.S, Vademekum Elektronik, Gramedia,
Jakarta, 1987.
G. Bambang Heru K, dkk.
ISSN 1410 - 8178
145