rancang bangun alat ukur medan magnet yang …

Universitas Indonesia 1

RANCANG BANGUN ALAT UKUR MEDAN MAGNET YANG BERUBAH TERHADAP WAKTU

Arya Gamma Aditia1

1. Departemen Fisika, MIPA, Universitas Indonesia, Kampus baru UI, Depok, 16624, Indonesia

E-mail: [email protected]

Abstrak

Sensor pick-up coil telah dibuat sebagai alat ukur medan magnet yang berubah terhadap waktu. Sistem ini dapat mengukur medan magnet pada solenoid yang dialiri arus dan hasilnya ditampilkan pada panel LabVIEW. Sensor pick-up coil yang digunakan pada penelitian ini berupa lilitan kawat email 0,5mm yang digunakan untuk mendeteksi medan magnet di dalam solenoid. Kumparan sensor pickup coil akan memberikan output berupa tegangan keluaran berdasarkan prinsip perubahan fluks magnetik. Alat ukur ini dapat mengukur medan magnet dengan batas pengukuran 8 hingga 150 Gauss. Kata Kunci: alat ukur medan magnet AC , sensor coil, mikrokontroler, LabVIEW.

Abstract Sensor coil pick-up have been designed and constructed to measure time varying magnetic field. This system can measure the magnetic field when the solenoid is energized and the results are displayed in the LabVIEW. Pick-up coil sensor used in this research of 0.5 mm wire windings used to detect the magnetic field inside the solenoid. Sensor coil pickup coil has output a voltage based on the principle of change of magnetic flux. This instrument has can measure the magnetic field with the limits of 8 to 150 Gauss.

Keywords: AC magnetic field measuring devices, the pick-up coil sensor, microcontroller, LabVIEW.

1. Pendahuluan Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, ilmu fisika mengalami

perkembangan yang cukup pesat. Dalam dunia akademik khususnya dalam kegiatan penelitian yang

ada di dilingkungan Universitas Indonesia banyak hal yang penerapan penelitiannya membutuhkan

sebuah rancangan sistem instrumentasi untuk menunjang kegiatan penelitian tersebut. Di

Departemen Fisika Universitas Indonesia yang merupakan salah satu contoh departemen yang

selalu konsisten dalam kegiatan penelitian dewasa ini sedang banyak dilakukan penelitian di bidang

ilmu material. Maka dari itu akan dibuat suatu sistem pengukuran yang dapat menunjang

perkembangan penelitian dibidang ilmu material. Pada saat ini telah berkembang banyak teknologi

untuk mengkur kuat medan magnet. Hampir semua sistem pengukuran yang digunakan untuk

mengukur kuat medan magnet menggunakan sensor magnetik. Berbagai jenis dari sensor magnetik

telah banyak dikembangkan diantaranya menggunakan suatu koil dengan metode induksi,

Rancang bangun alat..., Arya Gamma Aditia, FMIPA UI, 2013


menggunakan magnetogalvanik, memanfaatkan efek magnetoresistansi, dan menggunakan efek

Hall. Pada perkembangannya, sensor magnetik sering digunakan dan diaplikasikan dalam berbagai

bidang antara lain pendidikan, penelitian, industri, rumah tangga, kesehatan, dan bidang-bidang

lainnya. Banyaknya penggunaan dari sensor magnetik tidak terlepas dari banyaknya kelebihan yang

dimiliki oleh sensor magnetik seperti linieritasnya, kestabilan yang tinggi, tidak merusak,

sensitivitas yang tinggi, relatif sederhana, dan juga relatif mudah dalam menggunakannya.

Berdasarkan kebutuhan dan jenis sensor yang telah disebutkan penulis ingin melakukan penelitian

untuk membuat suatu alat ukur besar kuat medan magnet dari suatu bahan material dengan

menggunakan pick-up coil dengan metode induksi yang akan digunakan untuk kepentingan

penelitian material lanjutan. Medan magnet, dalam ilmu Fisika, adalah suatu medan yang dibentuk

dengan menggerakan muatan listrik (arus listrik) yang menyebabkan munculnya gaya di muatan

listrik yang bergerak lainnya[1]. Dalam penelitian ini diharapkan akan dapat dilakukan

pengalibrasian dan didapatkan suatu penggambaran hasil besar kuat medan magnet. Dalam

pengembangannya, alat ukur besar medan magnet yang berubah terhadap waktu ini akan

diguanakan dalam sistem alat ukur kopling magnetoelektrik suatu bahan.

2. Perancangan Sistem

2.1 Teori Dasar

Telah kita ketahui bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnetik. Begitu juga sebaliknya,

medan magnet dapat menghasilkan arus listrik. Michael Faraday (1791-1867), seorang ilmuwan

jenius dari inggris akhirnya berhasil membuktikan bahwa arus listrik memang dapat dihasilkan dari

perubahan medan magnetik. Peristiwa dihasilkannya arus listrik akibat adanya perubahan medan

magnetik dinamakan induksi elektromagnetik. Arus yang muncul dari induksi ini disebut arus

induksi, yang dihasilkan oleh sebuah tegangan yang dinamakan electromotive force (emf), atau

yang lebih dikenal dengan Gaya Gerak Listrik (GGL). Faraday menyimpulkan bahwa GGL

akan terinduksi di dalam sebuah konduktor bila terjadi perubahan medan magnet yang

mengelilinginya, dan besarnya GGL sebanding dengan perubahan medan magnet tersebut.

Kesimpulan ini lebih dikenal dengan nama Hukum Faraday. Faraday melakukan penelitian

kuantitatif untuk mencari faktor yang memengaruhibesarnya ggl yang diinduksi. Temuannya yang

pertama adalah bahwa induksi tergantung pada waktu, semakin cepat terjadinya perubahan medan

magnet maka induksi ggl akan semakin besar. Tetapi ggl tidak sebanding dengan laju perubahan



medan magnet B. GGL justru sebanding terhadap laju perubahan fluks magnetik ФB, yang bergerak

melintasi loop seluas A yang didefinisikan sebagai

ФB = B A cosθ

(1)

B disini adalah koponen medan magnet B yang tegak lurus permukaan kumparan dan θ adalah

sudut antara B dengan garis yang tegak lurus permukaan kumparan.

Jika permukaan kumparan sejajar B, θ = 900 dan ФB = 0. Jika B tegak lurus kumparan, θ = 00

sehingga

B = ФB/A

(2)

Seperti yang telah diketahui, garis B dapat digambarkan sedemikian rupa sehingga jumlah garis

persatuan luas sebanding dengan kuat medan. Kemudian, fluks ФB dapat dianggap sebanding

dengan jumlah garis yang melewati kumparan. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.2. dimana

kumparan dapat dilihat dari pinggir (tepi). Satuan fluks magnet adalah tesla-meter2, yang

dinamakan weber. 1 Wb = 1 T•m2.

GGL induksi (ε) di dalam rangkaian adalah sama dengan kecepatan perubahan fluks (ϕm) terhadap

waktu, dan tanda negatif menyatakan arah GGL induksi yang berlawanan dengan arah penyebabnya.

v = -dϕ/dt

(3)

Jika persamaan di atas digunakan pada sebuah kumparan yang terdiri dari N lilitan, maka sebuah

GGL muncul di dalam setiap lilitan dan semua GGL ini harus dijumlahkan. Jika kumparan itu diliit

begitu eratnya sehingga setiap lilitan dapat dikatakan menempati daerah yang sama dari suatu ruang,

maka fluks yang melalui setiap lilitan akan sama besarnya. Maka GGL-nya menjadi :

ε = -N (dфB)/dt

(4)

Hasil fundamental ini dikenal sebagai hukum Faraday tentang induksi, dan merupakan satu dari

hukum-hukum dasar elektromagnetik. Tanda minus pada persamaan 2.6 digunakan untuk

mengingatkan kita pada arah ggl induksi.

2.2 Perancangan Kerja Sistem



Gambar 1. Blok diagram sistem

Dari Gambar 1 dapat dilihat terdapat sensor pick-up coil dirancang agar dapat menghasilkan

tegangan listrik yang dihasilkan dari induksi medan elektromagnetik. Medan elektromagnetik yang

digunakan adalah dari sebuah sistem kumparan elektromagnetik yang terdiri dari kumparan

solenoid. Sumber sinyal yang diberikan ke kumparan medan elektromagnetik tersebut adalah

gelombang sinusoidal yang dihasilkan dari funvtion generator yang dikuatkan dengan power

amplifier.

Untuk output dari pick-up coil, mengingat tegangan yang dihasilkan akan sangat kecil maka

diberikan rangkaian penguat agar keluaran yang dihasilkan lebih mudah dilakukan pembacaan dan

pengolahan. Lalu tegangan yang dihasilkan dari rangkaian penguat pick-up coil akan diolah dengan

dengan menggunakan software LabVIEW di Personal Computer.

2.3. Sumber Medan Magnet

Medan Magnet ini dibuat dengan melilitkan dua kawat tembaga dengan model kumparan sinusoidal.

Kawat tembaga yang digunakan adalah kawat tembaga dengan diameter 1mm, kawat tembaga ini

dililitkan pada tabung akrilik dengan diameter 6cm dan panjang 9cm. Dua kawat tembaga dililitkan

dengan cara ditumpuk secara bergantian, masing-masing lilitan berjumlah 280 lilitan, dan dua

kawat ini dihubungkan dengan input secara paralel. Adapun tampilan kumparan elektromagnetik

dapat dilihat pada Gambar 2.



Gambar 2. Kumparan Elektromagnetik Kedua

2.4. Sistem Elektronika

2.4.1. Rangkaian Function Generator

Dalam penelitian ini sebuah function generator digunakan sebagai tegangan referensi dan sebagai

sumber tegangan yang digunakan sebagai pembangkit medan magnet pada kumparan sebelum

dikuatkan oleh power amplifier. Maksud dari penggunaan function generator ini adalah agar

frekuensi yang dihasilkan dari tegangan referensi function generator akan sama dengan frekuensi

yang dihasikan oleh pick-up coil. Rangkaian function generator yang dibuat mengandalkan IC XR-

2206 sebagai komponen paling uatama dari rangkaian function generator.

Gambar 3. Skematik rangkaian function generator

2.4.2. Rangkaian Pick-Up Coil Amplifier



Mengingat tegangan induksi yang terdetekasi dari pick-up coil cukup kecil maka perlu dirancang

sebuah rangkaian penguat pick-up coil agar pembacaan besar medan magnet yang terukur oleh

sensor pick-up coil menjadi lebih mudah. Skematik dari rangkaian penguat pick-up coil ini dapat

dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Skematik rangkaian pick-up coil amplifier

Rangkaian penguat pick-up coil ini mengandalkan penguatan dari IC TL084 yang merupakan IC

penguat operasional. Yang pada dasarnya didalam penguat operasional itu terdapat suatu rangkaian

elektronik yang terdiri atas beberapa transistor, resistor dan atau dioda. Pada rangkaian penguat ini

dirangkai dengan rangkaian low-pass filter dan pengkonversi AC ke DC yang semuanya

menggunakan penguat operasional sebagai komponen utamanya.

2.4.3. Rangkaian Power Supply Pick-Up Coil Amplifier

Rangkaian pick-up coil amplifier membutuhkan masukan tegangan sebesar +15 V dan -15 V untuk

dapat mengoperasikan penguat operasional maka dibuatlah suatu rangkaian yang dapat menyuplai

tegangan tersebut agar pick-up coil dapat beroperasi dengan baik.



Gambar 5. Rangkaian Regulated Power Supply

2.5. Sistem Pemrosesan

2.5.1. Mikrokontroler Atmega8

Mikrokontroler Atmega8 digunakan untuk mengolah data frekuensi yang dihasilkan dari function

generator. Pemrograman Atmega8 menggunakan software BASCOM. Data frekuensi yang telah

dihitung nantinya akan ditampilkan ke layar LCD. Fitur yang digunakan pada sistem ini antara lain

timer,interrupt dan UART (Universal Ansynchronous Receiver Transmitter). Timer yang digunakan

adalah timer0 dengan mode timer0 falling edge dan interrupt overflow. Falling edge artinya

keadaan peralihan ketika suatu sinyal berubah dari keadaan high ke low. Timer0 akan bertambah

satu nilai ketika tejadi keadaan ini. Untuk komunikasi antara mikrokontroler dengan personal

computer digunakan komunikasi serial. Flowchart program mikrokontroler akan dijelaskan sebagai

berikut

Gambar 6. Flowchart pada sistem mikrokontroller



Dari flowchat pada Gambar 5. proses berjalannya dari mikrokontroler Atmega8, ketika program

mikrokontroler dimulai maka pertama akan dilakukan konfigurasi mengenai reg file, crystal, dan

baudrate yang digunakan. Setelah itu aktivasi variabel register, konfigurasi hardware dan deklarasi

variabel. Pada main program akan dimulai penghitungan timer dan memulai pembacaan dan

penulisan ADC. Nilai timer ini akan berguna untuk menghitung nilai frekuensi dari function

generator. Saat mikrokontroler mulai menghitung dan membaca ADC maka pada LCD akan

ditampilkan tampilan yg ingin ditampilkan. Setelah dilakukan pemrosesan data , maka nilai

frekuensi dan nilai ADC akan ditampilkan ke LCD dan dikirim ke komunikasi serial yang akan

terus menrus membaca nilai penghitungan frekuensi dan ADC.

2.5.2. LabVIEW

Software LabVIEW berfungsi untuk mengontrol setting pengiriman data dan penerimaan data yang

kemudian ditampilkan pada komputer. Bahasa pemrograman pada software ini menggunakan icon-

icon yang memiliki fungsi sebagai pengganti teks dalam membuat aplikasi. Berbeda dengan

pemrograman berbasis teks dimana instruksi-instruksi menentukan eksekusi program, LabVIEW

merupakan pemrograman aliran data dimana aliran data menentukan eksekusi dari program.

Terdapat fungsi front panel dari tampilan LabVIEW yaitu fungsi kontrol dan fungsi indikator. Pada

fungsi kontrol terdapat menu RUN, dan STOP. Pada menu RUN akan mengawali atau memulai

untuk menjalankan program pembacaan data dari serial. STOP program akan menyimpan data yang

telah di olah dalam program akusisi ke dalam bentuk Ms. Excel. Dan apabila menu STOP

diaktifkan maka seluruh program akan terhenti dan keluar dari aktivitas looping program.

Sebelum mengatur front panel, terlebih dahulu program harus diatur melalui block diagram. Pada

block diagram dideklarasikan setiap variabel yangdibutuhkan pada front panel. Dan juga

menginisialisasi Visa yang akan menghubungkan komputer dengan mikrokontroler. Visa inisialisasi

menjadi tiga bagian yaitu VisaSerial, VisaWrite, dan VisaRead. VisaSerial digunakan sebagai

inisialisasi setiap port mulai dari baudrate hingga port yang akan digunakan pada komputer.

Sedangkan VisaWrite berfungsi menulis apa yang diminta oleh program kedalam mikrokontroler,

dan fungsi dari VisaRead adalah sebagai pembaca apa yang akan diperintahkan oleh mikrokontroler

pada program. Penerimaan data dapat langsung diambil sesuai dengan pengaturan atau format data

yang telah dikirim sebelumnya dari mikrokontroler. Data yang diterima dari mikrokontroler

dipisahkan satu persatu dengan menggunakan fungsi search/split string sesuai dengan format yang



telah ditentukan pada LabVIEW. Lalu data dirubah dari format string menjadi numerik dengan

menggunakan fungsi string to number. Setelah seluruh data diterima maka data akan disimpan

dalam bentuk teks ke dalam suatu file yaitu .xls untuk disimpan pada mode Excel.

Berikut akan ditampilkan flow chart pada saat pegoperasian LabVIEW.

Gambar 7. Flowchart Pemrograman LabVIEW

3. Hasil dan Analisis

3.1 Kalibrasi Sistem

Sebelum melakukan pengukuran atau pengambilan data medan magnet, diperlukan pengalibrasian

sistem untuk mendukung pengukuran sistem agar dapat berjalan dengan baik. Adapun kalibrasi

yang dilakukan adalah kalibrasi ADC untuk mengetahui fungsi transfer nilai tegangan yang

sebenarnya terhadap nilai ADC yang dihasilkan dari mikrokontroler dan kalibrasi yang kedua

adalah kalibrasi besar medan magnet untuk mengetahui fungsi transfer nilai besar medan magnet

terhadap besar tegangan yang dihasilkan dari sensor pick-up coil.



Kalibrasi yang pertama adalah kalibrasi ADC untuk mengetahui fungsi transfer nilai tegangan yang

sebenarnya terhadap nilai ADC yang dihasilkan dari mikrokontroler. Pada mikrokontroller tegangan

akan dikonversi menjadi nilai-nilai ADC, untuk dapat membaca nilai-nilai ADC tersebut dalam

satuan Volt kembali maka harus didapatkan persamaan pengalibrasian ADC. Untuk mengalibrasi

ADC diukur nilai masing-masing nilai tegangan yang diberikan dan nilai ADCnya.

Gambar 8. Grafik Kalibrasi Tegangan dengan Nilai ADC

Dari Gambar 8. dapat dihitung berapa nilai ADC untuk tegangan tertentu yang diberikan. Setelah

dapat linieritas dari hasil pengukuran ini, maka dapat dilakukan pengalibrasian untuk mengonversi

secara matematis nilai ADC untuk kembali dibaca sebagai tegangan dalam satuan volt di LabVIEW.

Kalibrasi yang kedua adalah adalah kalibrasi besar medan magnet untuk mengetahui fungsi transfer

nilai besar medan magnet terhadap besar tegangan yang dihasilkan dari sensor pick-up coil. Setelah

data ADC dapat dikonversi menjadi tegangan maka selanjutnya adalah melakukan kalibrasi medan

magnet dari tegangan yang terbaca pada mikrokontroller. Dengan menggunakan data dari output

pick-up coil dan data yang terbaca oleh alat ukur medan magnet acuan. Dari data output pick-up

coil dan data yang terbaca oleh alat ukur medan magnet acuan maka akan terlihat berapa nilai

medan magnet dan tegangan pick-up coil yang terbaca pada tegangan input yang sama. Setelah di

buat grafik dari kedua data tersebut maka akan dapat diketahui persamaan untuk mengonversi

tegangan ke medan magnet dalam satuan Gauss.



Gambar 9. Grafik Kalibrasi Tegangan Pick-Up Coil dengan Medan Magnet Gaussmeter

Dari Gambar 9. terlihat berapa nilai medan magnet dan tegangan pick-up coil yang terukur dalam

kondisi diberikan tegangan input sama. Dan dari data tersebut didapat nilai persamaan untuk

mengkonversi tegangan ke medan magnet dalam satuan Gauss. Persamaan yang didapat itu

selanjutnya akan dilakukan proses matematik pada LabVIEW yang akan menampilkan nilai besar

medan magnet.

3.2 Pengukuran

Setelah dilakukan pengukuran-pengukuran dan pengambilan data-data yang diperlukan, dan setelah

dilakukan pengalibrasian untuk mengonversi besaran-besaran yang diukur. Maka telah dapat

dilakukan pengukuran medan magnet yang terukur dengan menggunakan LabVIEW untuk

memroses data dan menampilkan data yang terukur.



Gambar 10. Hasil Pengukuran Medan Magnet pada Sistem Alat Ukur

Gambar 11. Perbandingan Pengukuran Medan Magnet pada Sistem dengan Alat Ukur Standar

Hasil pengukuran medan magnet sistem pada sistem rancang bangun alat ukur medan magnet telah

menunjukkan hasil yang cukup baik, nilai yang terukur sangat mendekati nilai pengukuran dengan

menggunakan alat standar.



3.3. Pembahasan Karakteristrik dari Sistem Alat Ukur Medan Magnet yang Berubah

Terhadap Waktu

Tabel 1. Tabel Utama Perbandingan

Dari tabel 4.3. dapat dilihat perbandingan pengukuran yang dilakukan dengan sistem alat ukur yang

dibuat dengan pengukuran alat ukur standar. Dari tabel tersebut juga dapat dilakukan penghitungan

karakteristik dari sistem alat ukur medan magnet yang dibuat. Sistem alat ukur yang baik

seharusnya memiliki nilai-nilai karakteristik alat ukur yang baik[6]. Pembahahan karakteristik alat

ukur ini dilakukan dengan melakukan penghitungan-penghitungan dari data-data yang telah diambil

dari penelitian. Karakterisasi yang dilakukan pada alat ukur ini antara lain linieritas, akurasi, presisi,

dan sensitivitas.

Untuk pengukuran linieritas dari alat ukur dapat langsung diambil dari persamaan linieritas

pada grafik sehingga diketahi nilai linieritasnya adalah y = 1.0067x + 0.5399. yang selanjutnya nilai

linieritas ini juga dapat dikatakan sebagai fungsi transfer dari alat. Setelah mengukur linieritas

selanjutnya dilakukan pengukuran error dengan cara penghitungannya Error = |Bstd-Bsist|·100%



dengan Bstd adalah nilai medan magnet pada alat standar dan Bsist adalah medan magnet yang

terukur pada sistem. Nilai error yang didapat ini selanjutnya dinamakan sebagai nilai akurasi alat

ukur. Nilai akurasi adalah ketepatan alat ukur dalam memberikan hasil pengukuran. Dan setelah

dilakukukan penghitungan error, diketahui alat ukur medan magnet yang dibuat memiliki nilai

akurasi sebesar 1.1%. Dilakukan juga penghitungan nilai standar deviasi dari data-data yang

dihasilkan alat ukur sebesar 0.81.

Nilai karakterisasi selanjutnya adalah tingkat kepresisian dari alat ukur. Kepresisian adalah

kemampuan sistem pengukuran untuk menampilkan ulang output yang sama pada pengukuran

berulang singkat. Nilai kepresisian ini dihitung dengan cara menghitung nilai standar deviasi dari

data yang diambil. Dan setelah dilakukukan penghitungan standar deviasi, diketahui alat ukur

medan magnet yang dibuat memiliki nilai presisi sebesar 0.81%.

Penghitungan yang dilakukan selanjutnya adalah penghitungan nilai sensitivitas alat ukur.

Sensitivitas adalah perubahan output instrumen yang terjadi ketika kualitas pengukuran berubah.

Dari data yang didapat dengan pengukuran sensitivitas adalah menghitung nilai keluaran pickup

coil per kenaikan gauss, maka didapat nilai sensitivitas sensor medan magnet adalah sebesar 0.0182

V/Gauss atau sebesar 18.2 mV/Gauss.

4. Kesimpulan

Dari perancangan dan pengukuran sistem pengukuran medan magnet yang terhadap waktu dapat

disimpulkan:

1. Telah berhasil dibuat suatu sistem yang dapat mengukur medan magnet yang berubah

terhadap waktu didalam kumparan elektromagnetik.

2. Alat ukur yang telah dibuat dapat mengukur medan magnet dari rentang 8-150 Gauss

dengan fungsi transfer menunjukkan hubungan linear antara ADC mikrokontroller dengan

tegangan output pick-up coil, dan juga menunjukkan hubungan yang linear antara tegangan

pick-up coil dengan besar medan magnet.

3. Alat ukur yang dibuat memiliki nilai karakteristik sebagai berikut: Akurasi sebesar 3,26%,

presisi sebesar 0,81%, dan sensitivitas alat sebesar 18.2 mV/Gauss



5. Daftar Acuan

[1] John Clarke Slater, Nathaniel Herman Frank (1969). Electromagnetism (first published in

1947 ed.). Courier Dover Publications. ISBN 0-486-62263-0.

[2] Tattamangalam R. Padmanabhan (1991). Industrial Instrumentation : principles and design.

Spriger. ISBN 1-85233-208-5.

[3] Arthur William Poyser (1992). Magnetism and electricity: A manual for students in

advanced classes. London and New York; Longmans, Green, & Co.

[4] Douglas C Giancoli (2001). Fisika Edisi Kelima (Terjemahan). Jakarta. Erlangga.

[5] Steven A. Macintyre (2000). Magnetic Field Measurement. CRC Press LLC.

[6] John G. Webster (1998). Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook. CRC Press.


rancang bangun alat ukur medan magnet yang …

Documents