pengembangaan alat uji komposisi massa pada logam …

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 254

PENGEMBANGAAN ALAT UJI KOMPOSISI MASSA PADA LOGAM PADUAN BINER MENGGUNAKAN SENSOR VOLUME DAN MASSA

Agus Slamet1), Wahyu Djalmono P2), Anwar Sukito A3)

1),2),3)Jurusan Teknik Mesin Polines, Jl. Prof. Soedarto,S.H., Semarang 503293 e-mail : [email protected]

Abstract

This composition testing equipment of binary alloy metal mass has work principles that are based on sinking or floating object on the surface of the liquid fluid, with the result that the force works on the object happens due to the pressure of the liquid fluid or so called buoyancy. The research that has been conducted by this composition testing equipment can be used to measure composition of two elements of metal mass with the result of the measurement of mass composition is different with the measurement using Spectrometer. The differences of the measurement result is caused by the readout of the changes in the volume of water is conducted manually by observing the changes in the water surface using both eyes. In this research, there is a development in a mass and volume data readout method using mass and volume sensor that are integrated with the data processing system software to avoid errors in data reading. This test will get the data from the testing equipment which is, displaced water volume and the test material before and after in the fluid. The research method starts from the planning and manufacturing the equipment using ultrasonic volume sensor and load cell mass sensor, followed by testing and data retrieval. The test material used contains of two elements, namely Tin (Sn) and Lead (Pb). The test results showed differences in the percentage composition of tools an average of 16.72% with the composition of the test material, because the possible use of ultrasonic sensor types that do not fit.

Keywords : mass composition, biner alloy, sensor

Abstrak

Alat uji komposisi massa logam paduan biner ini prinsip kerjanya berdasarkan benda yang terbenam atau terapung pada permukaan fluida cair, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut terjadi karena tekanan fluida cair atau disebut sebagai gaya buoyancy. Penelitian yang telah dilakukan alat uji komposisi tersebut dapat digunakan untuk mengukur komposisi massa logam paduan dua unsur dengan hasil pengukuran komposisi massa terdapat perbedaan dibandingkan dengan hasil pengukuran menggunakan Spectrometer. Perbedaan pengukuran/penyimpangan tersebut disebabkan cara pembacaan perubahan volume air masih manual dengan mengamati perubahan permukaan air dengan penglihatan mata. Pada penelitian ini dilakukan pengembangan cara pembacaan data volume dan massa menggunakan sensor volume dan massa yang terintegrasi dengan perangkat lunak sistem pengolahan data, Untuk menghindari kesalahan pembacaan data. Pengujian ini akan mendapatkan data dari alat uji adalah volume air yang dipindahkan dan massa bahan uji saat dan sebelum di dalam fluida. Metode penelitian yang dilakukan dimulai dari perancangan dan pembuatan alat dengan menggunakan sensor volume ultrasonik dan sensor massa load cell ,kemudian dilanjutkan dengan pengujian, pengambilan data. Bahan uji yang digunakan mengandung dua unsur yaitu Tin (Sn) dan Lead (Pb). Hasil pengujian alat menunjukan perbedaan prosentasi komposisi rata-rata 16,72% dengan komposisi benda uji. Karena dimungkinkan penggunaan tipe sensor ultrasonik yang tidak sesuai.

Kata kunci : komposisi massa, paduan biner,sensor


PENDAHULUAN

Peralatan untuk pengujian komposisi bahan terutama logam salah satunya adalah

Spectrometer yaitu alat uji komposisi bahan yang mempunyai teknologi tinggi. Cara kerja

Spectrometer berdasarkan intensitas gelombang warna masing-masing unsur pemadu dari

logam paduan, maka akan diketahui prosentase komposisi pada bahan uji tersebut, tetapi

alat ini harganya relatif mahal. Laboratorium pengujian bahan pada lembaga pendidikan

tinggi di Indonesia yang mempunyai alat ini masih sangat terbatas. Hasil penelitian yang

telah dilakukan Agus Slamet, Amrul, 2007 tentang Prototipe Alat Uji Komposisi

berdasarkan Gaya Angkat Fluida, prinsip kerjanya berdasarkan benda yang terbenam atau

terapung pada permukaan fluida cair, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut terjadi

karena tekanan fluida cair atau disebut sebagai gaya buoyancy. Prototipe alat uji

komposisi tersebut dapat digunakan untuk mengukur komposisi massa logam paduan dua

unsur dengan hasil pengukuran komposisi massa terdapat perbedaan 3,31% sampai

4,96%, kemudian diperbaiki menjadi 0,20% dibandingkan dengan hasil pengukuran

menggunakan Spectrometer. Penggunaan prototipe alat uji ini dalam pembacaan

perubahan volume air masih manual dengan mengamati perubahan permukaan air dengan

penglihatan mata, Data volume tersebut dan data ukuran massa yang dihasilkan

dimasukan secara manual ke program perhitungan komposisi, sehingga menyebabkan

penyimpangan hasil pengukuran. Kemampuan pengukuran prototipe alat uji komposisi

tersebut masih bisa dioptimalkan atau dikembangkan dengan menggunakan sensor

volume dan massa yang terintegrasi dengan perangkat lunak sistem pengolahan data yang

divisualisasikan melalui aplikasi visual basic, sehingga kesalahan pembacaan data

melalui mata dan memasukan data volume dan massa dapat dihindari,

Untuk menghasilkan alat uji komposisi logam paduan dua unsur dengan

kemampuan pengukuran yang diharapkan mendekati atau sama dengan hasil pengukuran

menggunakan Spectrometer dengan harga jauh lebih murah, maka perlu dilakukan

rancang bangun alat uji komposisi massa pada logam paduan menggunakan sensor

volume dan massa serta hasil pengukuran ditampilan dengan visual basic, Rancangan alat

ini terdiri dari komponen-komponen utama yaitu :

- Meja uji

- Dudukan / holder benda uji

- Unit sensor massa


- Unit sensor volume

Pengujian terhadap rancang bangun alat uji komposisi ini dilakukan untuk

mengetahui unjuk kerja dan fungsi dari sensor volume dan sensor massa yang dapat

menghasilkan nilai hasil pengukuran secara konsisten serta data pengukuran dapat dibaca

dan diolah dengan program pengolah data. Benda atau sampel uji yang digunakan adalah

logam paduan biner tin (Sn) dengan lead (Pb).

Rancangan Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner Menggunakan

Sensor Volume Dan Massa dapat dilihat pada gambar 1 berikut : (Feri Nur Akbar,Dkk,

2015)

Keterangan :

1. Meja Uji 4. Unit Sensor Volume 2. Dudukan/holder Benda Uji 5. Sistem Mekanik Roda Gigi 3. Unit Sensor Massa 6. LCD Display 16x2

Gambar 1 : Rancangan Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner Menggunakan Sensor Volume Dan Massa

TINJUAN PUSTAKA

Bouyancy (Gaya Angkat)

Jika suatu benda terbenam atau terapung pada permukaan fluida cair maka gaya

yang bekerja pada benda tersebut terjadi karena tekanan fluida cair atau disebut sebagai

gaya angkat /bouyancy. (Robert W Fox, 2004)

6 1

2

3

4

5


Gaya vertikal pada benda terjadi karena tekanan hidrostatik dapat ditentukan sebagai

berikut :

gdh

dp

Kesetimbangan Gaya

Benda terbenam di dalam fluida cair dan dalam keadaan diam pada posisi tertentu, maka

pada benda tersebut mencapai kesetimbangan mekanik atau terjadi kesetimbangan gaya.

(Robert W Fox, 2004)

Menggunakan Hukum Kedua Newton maka kesetimbangan gaya yang terjadi pada benda

yang terbenam pada fluida cair dengan massa jenis dapat ditulis sebagai berikut :

amF

Bila benda dalam keadaan setimbang atau diam maka a = 0 , sehingga ;

0

amFFFF zgravitasinet

sedangkan Gaya Angkat = Fz = gV ;dan Fgravitasi = benda gV

Kesetimbangan gaya dapat ditulis menjadi :

Fnet - Fgravitasi + Fz = 0

Fgravitasi = Fnet + gV = benda gV

gV

Fnetbenda

Fnet

Fz

FgravitasiFluida


Kesetimbangan Massa

Jika benda tersebut merupakan campuran dari dua unsur yang mempunyai massa m1 dan

massa m2 ,maka kesetimbangan massa benda dapat dituliskan menjadi :

mbenda = m1 + m2

jika kesetimbangan massa ditulis dalam bentuk satuan volume maka :

Vbenda = V1 + V2

sedangkan V = m /

Jadi kesetimbangan massa juga dapat dinyatakan sebagai berikut :

2

2

1

1

mmm

benda

benda m2 = mbenda – m1 sehingga ;

2211

2

1

1

1

1111

)(

bendabenda

benda

benda

benda

mm

mmmm

(Agus Slamet,Amrul,2007)

Sensor Ultrasonik

Gelombang ultrasonik mempunyai frekuensi di atas frekuensi gelombang suara

yaitu lebih dari 20 KHz. Sensor ultrasonik terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik yang

disebut transmitter dan rangkaian penerima ultrasonik yang disebut receiver. Sinyal

ultrasonik yang dibangkitkan akan dipancarkan dari transmitter ultrasonik.

Sensor ultrasonik menggunakan gelombang suara yang dipancarkan dengan

frekuensi sebesar 40 KHz oleh transmitter ke benda atau permukaan air yang berhadapan

dengan sensor. Benda atau permukaan air akan memantulkan gelombang suara tersebut

ke receiver sensor, hasil pembacaan sensor dikirim ke dalam rangkaian program

microcontroller untuk diolah dan dihitung sebagai jarak terhadap benda atau permukaan

air.. Pada rancangan ini jarak ketinggian permukaan air yang berada di gelas ukur

dikalikan luas penampang gelas ukur untuk mengetahui volume serta perubahan

volumenya yang akan ditampilkan pada LCD.

Gambar 2 : Sensor Ultrasonik


Sensor Berat (Load Cell)

Load cell adalah sebuah sensor gaya berisi pegas (spring) logam mekanik dengan

mengaplikasikan beberapa foil metal strain gauges (SG). Regangan dari pegas mekanik

karena adanya pembebanan yang kemudian ditransmisikan pada strain gauges.

Pengukuran sinyal yang dihasilkan dari load cell adalah dari perubahan resistansi strain

gauge yang linier dengan gaya/beban yang berikan. Kalibrasi dan karakterisasi load cell

dapat dilakukan baik secara analog maupun digital. 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.( Feri Nur Akbar,Dkk, 2015). Sensor yang memberikan output tegangan

dari perubahan resistansi yang terjadi akibat adanya perubahan posisi penyangga beban,

yaitu massa benda sebelum dan sesudah dicelupkan ke dalam fluida. Perubahan tersebut

harus dimasukan ke dalam modul HX711 agar tegangan dapat dibaca oleh rangkaian

program microcontroller untuk diolah dan dihitung perubahan massa yang terjadi akan

ditampilkan pada LCD.

Gambar 3 : Unit Sensor Massa

Mikrokontroler Arduino

Arduino merupakan sebuah mikrokontroler single-board yang bersifat open-source

. Arduino dirancang sedemikian rupa sehingga memudahkan para penggunanya di bidang

elektronika. Board Arduino didesain menggunakan processor Atmel AVR dan

mendukung I/O pada board-nya. Software untuk Arduino terdiri dari compiler bahasa

pemrograman standar dan boot-loader. Bahasa pemrograman yang digunakan adalah C.


Dalam sebuah mikrokontroler Arduino dapat pula ditanamkan berbagai macam library

maupun metode selama kapasitas memori dari sebuah mikrokontroler mencukupi.(Gigih

Priyo Nugroho,Dkk, 2013 )

Gambar 4 : Mikrokontroler Arduino Uno

METODE PENELITIAN

Perancangan dan Pembuatan Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner

berdasarkan hasil analisis data awal dibuat rancang bangun alat uji komposisi dengan

memodifikasi rancangan, terutama pada sistem pembacaan volume air pada gelas

pengukur menggunakan sensor volume untuk meningkatkan keakuratan pengukuran

volume air dan sensor massa untuk mengukur massa benda uji yang terbenam air di dalam

gelas ukur yang hasilnya ditampilkan di layar monitor. Sistem pemegang (holder) bahan

uji saat dimasukan ke dalam air pada gelas pengukur dibuat lebih mudah untuk memasang

dan melepaskan bahan uji ,juga dapat memosisikan bahan uji di tengah gelas ukur.

Keluaran dari tahapan ini adalah Alat Uji komposisi massa logam paduan hasil modifikasi

dengan dilengkapi sensor volume dan massa.

Pembuatan Set Komposisi Bahan Uji

Pada tahapan ini dibuat satu set komposisi bahan uji yang yang terbuat dari paduan

logam Tin (Sn) dengan Lead (Pb). Satu set komposisi bahan uji ini dengan massa paduan

bahan uji mempunyai rentang antara 75% Sn dengan 25% Pb, bahan uji mempunyai

massa total sekitar 100 gram.

Pengujian Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner

Langkah pengujian Alat Uji komposisi ini adalah dengan memasukan bahan uji

yang sudah terkalibrasi ke dalam gelas ukur yang berisi air sampai tercelup semuanya


pada posisi di atas dasar gelas ukur, maka permukaan air di dalam gelas ukur akan naik

yang akan terbaca oleh sensor volume sebagai volume benda uji dan secara bersamaan

sensor massa akan membaca massa benda uji saat terbenam di dalam air yang merupakan

presentasi gaya netto. Pembacaan volume dan massa oleh sensor tersebut secara

bersamaan akan ditampilkan pada monitor, selanjutnya data hasil pembacaan dari sensor

volume dan massa dimasukan (enter) secara manual dan diolah dengan program aplikasi

pengolah data yang juga akan ditampilkan pada monitor sebagai komposisi massa dari

bahan uji. Langkah tersebut di atas diulang minimal lima kali untuk setiap bahan uji. Data

hasil pengujian bisa untuk mengetahui nilai penyimpangan dan ketidakpastian

pengukuran dari Alat Uji komposisi ini.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Perancangan dan Pembuatan Alat

Rancangan Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner Menggunakan

Sensor Volume Dan Massa yang telah dimodifikasi dan akan dibuat adalah seperti

gambar berikut

Gambar 5 : Rancangan Alat Uji

Pembuatan Meja Uji yang dilengkapi dengan sistem mekanik roda gigi

menggunakan bahan untuk rangka meja dari baja profil 30 mm x 30 mm dan dinding

penutupnya menggunakan bahan fiber setebal 3 mm. Sistem mekanik roda gigi terdiri

dari poros beserta bantalannya dan pasangan jenis roda gigi lurus dan jenis kerucut lurus.

Dudukan atau Holder benda/sample uji dibuat terdiri dari dua poros baja dan poros ulir

dan dudukan untuk sensor massa dan benda uji yang dapat bergerak naik dan turun, dibuat


dari bahan alumunium alloy termasuk dudukan untuk sensor volume. Unit Sensor Massa

yang berfungsi untuk mengukur massa benda/sampel uji pada saat sebelum dan sesudah

dibenamkan ke dalam air di dalam gelas ukur. Komponen Unit Sensor Massa ini dipilih

jenis Micro Load Cell 500 dan Weighing Sensor Module HX711 yang dihubungkan

dengan Electronic Brick Series Microcontroller. Prinsip kerja dari sensor massa ini adalah

sensor memberikan output tegangan dari perubahan resistansi yang terjadi karena adanya

perubahan posisi penyengga beban yang disebabkan adanya perubahan massa benda

sebelum dan sesudah dibenamkan ke dalam air pada gelas ukur, perubahan tersebut

dikirimkan ke Weighing Sensor Module HX711 agar didapat tegangan yang dapat dibaca

oleh rangkaian program Electronic Brick Series Microcontroller untuk selanjutnya diolah

untuk menghitung besarnya perubahan massa yang terjadi , selanjutnya hasilnya akan

ditampilkan melalui LCD Display 16x2. Unit Sensor Volume mempunyai fungsi untuk

mengukur perubahan volume air di dalam gelas ukur pada saat benda/sampel uji

dibenamkan ke dalam air tersebut. Komponen Unit Sensor Volume ini dipilih jenis

Ultrasonic Sensor Module yang dihubungkan dengan Electronic Brick Series

Microcontroller. Prinsip kerja dari Sensor Volume ini adalah menggunakan gelombang

suara dengan prinsip kerja memancarkan gelombang suara sebesar 40 KHz oleh

transmitter ke permukaan air di dalam gelas ukur yang berhadapan dengan sensor,

selanjutnya permukaan air akan memantulkan balik gelombang suara tersebut dan

diterima oleh receiver sensor kemudian hasil pembacaan sensor berupa perubahan

tegangan dikirim dan dibaca oleh rangkaian program Electronic Brick Series

Microcontroller untuk selanjutnya diolah untuk menghitung jarak terhadap permukaan air

di dalam gelas ukur. Besarnya jarak tersebut dikalikan luas penampang gelas ukur adalah

besarnya perubahan volume yang terukur, kemudian hasilnya akan ditampilkan melalui

LCD Display 16x2. Hasil pengukuran perubahan massa benda uji dan perubahan volume

air di dalam gelas ukur yang ditampilkan pada LCD Display selanjutnya secara manual

diinputkan ke dalam program Visual Basic untuk diproses sehinnga akan didapatkan dan

ditampilakan besarnya prosentase massa logam paduan biner dari benda/sampel uji.

Rancang bangun dari Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner

Menggunakan Sensor Volume Dan Massa seperti gambar berikut :


Gambar 6: Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Biner

Menggunakan Sensor Volume Dan Massa

Pengujian Alat Pengambilan Data

Pengujian alat uji komposisi logam ini berdasarkan prosedur pengujian pada

metode penelitian, dengan menggunakan bahan uji satu set komposisi bahan uji ini

dengan massa paduan bahan uji mempunyai rentang antara 75% Sn dengan 25% Pb .

Spesifikasi bahan uji yang terbuat dari Tin (Sn) dan Lead (Pb) ditentukan seperti pada

Tabel 1.

Tabel 1 Komposisi Massa Pada Bahan Uji

Bahan Uji Komposisi

Massa Benda Uji

Massa Bahan Uji (mb)

A Sn 69,85 %

99,50 gr

Pb 30,15 %

B Sn 74,69 %

98,80 gr

Pb 25,33 %

C Sn 84,84 % 98,91 gr Pb 15,16 %


Hasil pengujian untuk ketiga bahan uji A,B dan C didapatkan nilai pengukuran

seperti pada gambar berikut :

Gambar 7 : Grafik Perbandingan Komposisi Massa Hasil Pengujian

Hasil Pengujian Alat UjiK komposisi Pada Benda Uji

Berdasarkan dari pengujian dan perhitungan untuk ketiga Bahan uji A,B dan C yang

didapatkan dengan menggunakan Alat Uji Komposisi Massa, maka hasilnya dapat

dibandingkan dengan komposisi massa dari masing-masing bahan uji yang nilainya telah

ditentukan seperti grafik pada Gambar 7. Pada grafik perbandingan komposisi massa hasil

pengujian bahan uji A,B dan C terlihat bahwa hasil pengujian komposisi massa nilainya

tidak sama dengan komposisi massa yang telah ditentukan pada bahan uji. Perbedaan nilai

yang terjadi untuk masing-masing bahan uji dapat dilihat pada Tabel 2 .

Tabel 2 Perbedaan Hasil Pengujian Bahan Uji

Bahan Uji Komposisi

Massa Benda Uji

Pengukuran Komposisi

Massa Benda Uji

Perbedaan

A Sn 69,85 % 88,66 %

18,81 % Pb 30,15 % 11,34 %

B Sn 74,69 % 94,52 %

19,85 %

Pb 25,33 % 05,48 %

C Sn 84,84 % 96,34 %

11,5 % Pb 15,16 % 03,66 %

69.85%74.69%

84.84%

30.15%25.31%

15.16%

88.66%94.52% 96.34%

11.34%5.48% 3.66%

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

120.00%

A B C

% M

assa

Bah

an K

om

po

sisi

Seri Bahan Uji

Hasil Pengujian Komposisi Massa% Sn Benda Uji

% Pb Benda Uji% Sn Pengujian

% Pb Pengujian


Perbedaan nilai hasil pengukuran pada Tabel 2 untuk ketiga bahan uji tidak ada

yang sama dapat diindikasikan bahwa sensor volume atau tipe sensor ultrasonik yang

digunakan tidak sesuai karena pada sensor yang digunakan antara transmitter dan receiver

mempunyai jarak, sehingga gelombang suara yang dipancarkan dipengaruhi oleh

permukaan diding gelas ukur dan terjadi bias dalam mengukur jarak permukaan air di

gelas ukur. Pada data pengukuran perubahan volume pembacaan oleh sensor terjadi

perbedaan cukup signifikan dengan nilai pembacaan dengan gelas ukur. Ada

kemungkinan nilai komposisi massa dari bahan uji yang telah ditentukan sebenarnya

nilainya tidak sebesar pada Tabel 1. Analisis ini berdasarkan pada ketiga bahan uji seperti

pada Tabel 1 komposisi massanya setelah dilakukan pengecoran belum diuji dengan

menggunakan Spectrometer, sehingga tidak menutup kemungkinan komposisi massanya

tidak seperti tersebut di atas.

SIMPULAN

Berdasarkan dari hasil pengujian dan pengambilan data serta pembahasannya maka dapat

dibuat kesimpulan sebagai berikut :

1. Rancang bangun Alat Uji Komposisi Massa dapat berfungsi untuk mengukur

logam dengan paduan dua unsur dengan luaran massa bahan uji sebelum maupun

saat di dalam fluida (air) sebagi representasi resultan gaya dan volume air yang

dipindahkan atau volume bahan uji.

2. Hasil pengukuran komposisi massa dari hasil pengujian dari ketiga bahan uji

menghasilkan perbedaan nilai komposisi massa dibandingkan dengan nilai yang

sudah ditentukan. Nilai perbedaan untuk bahan uji A,B dan C berturut-turut 18,81

%, 19,85 % dan 11,5 %.

3. Analisis perbedaan nilai hasil dari pengukuran disebabkan penggunaan tipe sensor

ultrasonik yang mempunyai transmitter dan receiver terpisah menyebabkan hasil

pengukuran menyimpang, serta komposisi massa bahan uji belum diuji

kebenarannya nilainya dengan Spectrometer.

DAFTAR PUSTAKA

Agus Slamet, Amrul,2007, Rancang Bangun Alat Uji Komposisi Massa Pada Logam Paduan Berdasarkan Gaya Fluida, Jati Undip,Jurnal Teknik, Vol. 7,No.1, Industri Universitas Diponegoro.


Ferry Nur Akbar,Dkk, 2015, Rancang Bangun Aplikasi Microcontroller Dan Sensor Load Cell Serta Sensor Ultrasonic Pada Mesin Uji Komposisi Logam Paduan Biner Dengan Prinsip Distribusi Gaya Angkat Fluida Statis, Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin Polines, Semarang

Gigih Priyo Nugroho,Dkk, 2013, Sistem Pendeteksi Dini Banjir Menggunakan Sensoor Kecepatan Air dan Sensor Ketinggian Air Pada Mikrokontroler Arduino, Jurnal Teknik POMITS, Vol 2,No.1, Surabaya.

Robert W Fox, 2004, Introduction To Fluid Mechanics, John Wiley&Son, New York.

pengembangaan alat uji komposisi massa pada logam …

Documents