DESAIN DAN KARAKTERISASI LOAD CELL TIPE CZL601 SEBAGAI

SENSOR MASSA UNTUK MENGUKUR DERAJAT LAYU PADA

PENGOLAHAN TEH HITAM

Iwan Sugriwan1, Melania Suweni Muntini1, Yono Hadi Pramono2

1

Laboratorium Elektonika-Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya

2Laboratorium Optoelektronika dan Microwave Jurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya

Email: iwan_unlam@yahoo.com

Abstrak

Proses pelayuan pada pengolahan teh hitam dicirikan oleh dua macam pelayuan, yaitu pelayuan kimia

dan pelayuan fisis. Ciri utama dari pelayuan fisis adalah melemasnya daun teh karena kehilangan sekitar 47%

kadar air. Kehilangan massa karena kehilangan kadar air ini diindera oleh load cell tipe CZL601 sebagai sensor

massa. Load cell dikalibrasi menggunakan pembeban (anak timbangan, timbal) yang telah diukur nilai benarnya

di Laboratorium Gaya dan Massa Balai Pengamanan Fasilitas Kesehatan (BPFK) Surabaya. Sinyal keluaran dari

load cell, berupa tegangan, dihubungkan dengan penguat operasional yang dikonfigurasi sebagai penguat

instrumentasi. Keluaran dari penguat instrumentasi selanjutnya menjadi data proses untuk rangkaian

mikrokontroler Atmega8 dan diantarmuka pada Liquid Chrystall Display (LCD) dan komputer pribadi. Rancang

bangun load cell dan rangkaian elektronisnya didesain khusus untuk dapat digunakan sebagai instrumen

pengukur derajat layu yang akan ditempatkan di atas mesin palung pelayuan (withering trough), di mana derajat

layu adalah kuantitas yang menunjukkan perbandingan berat daun teh kering dengan daun teh layu. Persamaan

karakteristik load cell yang menyatakan hubungan antara tegangan dalam volt, V, dan massa dalam gram, m,

adalah V = 0.0001m + 0.2014. Dari hasil karakterisasi, load cell tipe CZL601 dapat mengukur beban sampai

dengan 20 kilogram dengan sensitivitas 0,02 kg. Load cell menunjukkan performa tinggi yaitu dengan linieritas

tinggi dan tanpa hysteresis.

Kata kunci: derajat layu, load cell, pelayuan, penguat instrumentasi, teh hitam

1. PENDAHULUAN

Load cell adalah sebuah sensor gaya yang

banyak digunakan dalam industri yang memerlukan

peralatan untuk mengukur berat (Piskorowski et.al.,

2008). Secara umum, load cell dan sensor gaya

berisi pegas (spring) logam mekanik dengan

mengaplikasikan beberapa foil metal strain gauges

(SG). Strain dari pegas mekanik muncul sebagai

pengaruh dari pembebanan yang kemudian

ditransmisikan pada strain gauges. Pengukuran

sinyal yang dihasilkan dari load cell adalah dari

perubahan resistansi strain gauge yang linier dengan

gaya yang diaplikasikan (Mauselein et.al., 2009).

Kalibrasi dan karakterisasi load cell dapat

dilakukan baik secara analog maupun digital.

Kalibrasi secara analog merujuk pada sinyal

keluaran, yang umumnya berupa tegangan, diukur

langsung dengan peralatan dalam format analog.

Pada proses kalibrasi digital sinyal keluaran diukur

dengan instrumen yang telah mengintegrasikan

peralatan digital. Menggunakan load cell dengan

keluaran digital yang terintegrasi dengan

pemrosesan sinyal memungkinkan penyesuaian gain

menjadi sebuah penguatan sederhana dari keluaran

load cell dengan sebuah persamaan karakteristik.

Dalam kasus ini, 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. Namun demikian,

pada kalibrasi digital diperlukan rangkaian pemroses

sinyal yang menyertakan penguat operational,

pengonversi analog ke digital dan unit pengolah

yang telah terintegrasi dalam mikrokontroler (Rocha

et.al., 2000).

Kalibrasi dan karakterisasi load cell ini

akan digunakan untuk mengukur derajat layu pada

proses pelayuan (withering) pengolahan teh hitam.

Pada proses pelayuan, daun teh kehilangan kadar air

sebanyak 47 %. Kehilangan masa yang disebabkan

oleh kehilangan kadar air ini dapat digunakan untuk

menentukan kelayuan daun teh. Secara kuantitatif

kelayuan tersebut dinyatakan dalam persentase layu

dan derajat layu. Persentase layu didefinisikan

sebagai perbandingan antara bobot pucuk teh segar

dengan bobot pucuk layu. Derajat layu didefinisikan

sebagai perbandingan berat hasil teh kering dengan

pucuk layu (Santoso dkk., 2008).

Proses pelayuan pengolahan teh hitam di

Pusat Penelitian Teh Kina (PPTK) Gambung,

Bandung, dilakukan dengan menggunakan withering

trough sebagai tempat daun teh dihamparkan. Daun

teh segar dihamparkan pada mesin withering trough

dengan ketebalan 30 cm untuk dilayukan oleh udara

kering atau dengan aliran udara panas selama sekitar

20 jam. Untuk menentukan apakah daun teh telah

cukup layu, diperiksa oleh para pekerja teknis di

pelayuan dengan cara meraba. Segenggam daun teh

dikepal sambil digulung lalu dilemparkan, dan jika

kepalan tidak terhambur maka daun teh dianggap

telah layu. Masalahnya penentuan kelayuan teh

dengan menggunakan peraba berpotensi untuk tidak

konsisten dan bersifat subyektif yang berakibat pada

ketidakkonsistenan terhadap mutu teh hitam.

Pada makalah ini disampaikan hasil

penelitian untuk mengurangi subjektivitas dengan

cara mengkuantisasi ukuran kelayuan daun teh.

Salah satu caranya adalah dengan menggunakan

sensor massa. Kehilangan massa pada proses

pelayuan akan diindera dengan sensor massa

menggunakan load cell jenis single point model

CZL601yang mampu mengukur beban sampai

dengan 20 kg. Rangkaian sensor massa berikutnya

akan dihubungkan dengan pengkondisi sinyal

dengan mengaplikasikan penguat instrumentasi

sebagai data proses untuk blok rangkaian berikutnya

yaitu mikrokontroler AVR ATmega8 yang

berikutnya diantarmuka pada komputer pribadi.

2. DASAR TEORI

2.1 Load cell sebagai Sensor Massa

Transduksi massa dapat bervariasi

bergantung pada perubahan parameter fisis yang

digunakan. Sensor massa juga dapat menggunakan

divais berbasis piezoresistif, kapasitif, mekanis dan

lain-lain. Piezoresistif yang popular adalah strain

gage yang memanfaatkan perubahan resistansi strain

gage setiap mendapat deformasi dari posisi

setimbang sebagai akibat pembebanan massa

tertentu. Strain adalah sejumlah deformasi pada

material sebagai pengaruh dari aplikasi gaya. Lebih

spesifik, strain (ε) didefinisikan sebagai

perbandingan perubahan panjangnya, sebagaimana

ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah ini (National

Instrument, 1998):

Gambar 1. Definisi strain

Terdapat beberapa metode untuk mengukur strain,

yang berikut ini adalah dengan strain gauge, sebuah

device dengan beberapa resistansi bervariasi dan

proporsional dengan sejumlah strain dalam divais.

Sebagai contoh, piezoresistive strain gauge yang

merupakan semiconductor device di mana resistansi

berubah taklinier dengan strain. Gauge, yang paling

luas digunakan adalah bonded metallic strain gauge,

berisi beberapa fine wire atau metallic foil yang

disusun dalam pola garis (grid) seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2. Pola garis dimaksimasi

dengan sejumlah kawat metalik dalam arah paralel.

Gambar 2. Pola garis metallic strain gauge

Parameter fundamental dari strain gauge

adalah sensitivitas dari strain, diekspresikan secara

kuantitatif sebagai gauge factor (GF). Gauge factor

didefinisikan sebagai rasio dari pembagian

perubahan dalam resistansi dengan pembagian

perubahan dari panjangnya (strain):

= ∆ ∆ = ∆ ⁄

Gauge factor untuk metallic strain gauges secara

tipikal adalah di sekitar 2. Idealnya, resistansi dari

strain gauge berubah hanya terhadap respon yang

diaplikasikan pada strain gauge material,

sebagaimana spesimen material di mana gauge

diaplikasikan, juga akan merespon terhadap

perubahan temperatur.

Divais yang menggunakan prinsip strain

gauge secara internal yang sering digunakan untuk

pengukuran massa adalah load cell. Load cell

merupakan divais yang menggunakan efek

piezoresistif dengan bentuk fisik ditunjukkan pada

Gambar 3. Pada penelitian ini akan digunakan load

cell dengan rentang massa maksimum adalah 20 kg.

Gambar 3. Load cell single point model CZL601

2.2 Akuisisi Data

Keluaran dari sensor massa, load cell,

adalah tegangan dan berikutnya dihubungkan

dengan Penguat instrumentasi (instrumentation

amplifier, IA). Selanjutnya penguat instrumentasi

adalah pengembangan dari penguat diferensial

(selisih tegangan) yang mengakomodasi masukan

selisih tegangan secara klasik ditunjukkan pada

Gambar 4 di bawah ini:

Gambar 4. Skema Penguat Instrumentasi Klasik (Fraden, 2003)

Penguat instrumentasi dibangun oleh tiga

buah op-amp. Op-amp 1 dan 2 (U1 dan U2)

dikonfigurasi sebagai penguat selisih tegangan,

sedangkan op-amp ketiga dikonfigurasi sebagai

penguat non-inverting. Penguat instrumentasi

didesain dan harus memenuhi tegangan offset

minimum, penguatan stabil, ketaklinieran rendah,

input impedansi sangat tinggi, output impedansi

sangat rendah, serta rasio penolakan modus bersama

(common mode rejection ratio, CMMR) sangat

tinggi (Terrel, 1996).

Tegangan keluaran yang dihasilkan dari

rangkaian Gambar 2.4 adalah bergantung pada nilai-

nilai resistor dan selisih tegangan masukan yang

diterapkan pada differential voltage, V1 dan V2,

menurut persamaan (Tompkin, 1988):

− 1 +

sedangkan besar penguatannya (gain, A) dirumuskan

sebagai:

= 1 +

Selanjutnya tegangan keluaran dari

penguat instrumentasi selanjutnya dihubungkan

dengan mikrokontroler yang mengaplikasikan AVR

Atmega8. ATmega8 adalah mikrokontroler 8 bit

berdaya rendah dengan arsitektur RISC (reduce

Instruction Set Computer) dan menggunakan

arsitektur harvard (dengan memori dan bus yang

terpisah untuk program dan data). Perintah dapat

dieksekusi dalam satu periode clock untuk setiap

instruksi dan instruksi dalam program memori

dijalankan dengan single level pipelining, ketika satu

instruksi dijalankan, instruksi selanjutnya telah siap

diambil dari program memori. Gambar 5 adalah

konfigurasi kaki ATmega8 dalam kemasan DIP

(dual in line package) (Kurniawan, 2009).

Gambar 5. Diagram Pin Mikrokontroler AVR ATMEGA8-P

Secara internal, ATmega8 terdiri dari blok-

blok diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar

6. Masing-masing blok tersebut antara lain program

counter yaitu register yang berfungsi sebagai

penghitung eksekusi program yang dilakukan

mikrokontroler. Arithmatic Logic Unit (ALU, unit

logika aritmatik) berfungsi melakukan proses

aritmatika (+,-,*,/) dan logika (And, Or, Not).

Random Access Memory (RAM, memori akses

acak) adalah berupa memori volatile (data tak

terhapus jika catudaya dimatikan) yang isinya dapat

dibaca dan dihapus, digunakan menyimpan variabel.

Flash Program Erasabel Read Only Memory (Flash

PEROM, memori hanya baca dapat dihapus dengan

program) merupakan memori hanya dapat dibaca,

digunakan untuk menyimpan program. Electrical

Erasable Proram Read Only Memory (EEPROM)

yaitu memori nonvolatile, dapat dibaca dan ditulis

(dengan kemampuan terbatas), digunakan

menyimpan konstanta, setting dan lain-lain. Register

adalah tempat untuk menyimpan data sementara.

Accumulator (akumulator) merupakan register

penampung proses aritmatik. Stack Pointer (SP)

adalah register penampung data dengan metode

LIFO (last in first out). Blok terakhir adalah

Input/Output port (I/O port, terminal

masukan/keluaran) yakni register sebagai sarana

komunikasi dengan periferal (peralatan di luar

mikrokontroler).

Gambar 6. Diagram Blok Mikrokontroller AVR ATM8-P

3. DESAIN DAN METODE

Desain sistem instrumentasi untuk

pengukuran derajat layu pada pengolahan teh hitam

terdiri dari blok sensor massa yang menggunakan

load cell tipe CZL601, blok catu daya (power

supply), blok penguat instrumentasi, blok

mikrokontroler dan peraga (display). load cell

dirancang untuk ditempatkan pada mesin palung

pelayuan. Load cell ditempatkan pada rangka

mekanis yang dibuat statis pada salah satu ujungnya,

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Load Cell dan keranjang pada rangka Statis

Pada ujung yang lain digantungkan sebuah

rangka besi segi empat sebagai keranjang tempat

menyimpan objek yang akan diukur massanya.

Untuk mendapatkan hubungan antara massa dengan

tegangan pada load cell dilakukan proses kalibrasi

menggunakan anak timbangan (timbal). Timbal ini

dibuat di bengkel logam Laboratorium Fisika Dasar

Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya.

Sinyal keluaran dari load cell dihubungkan

dengan rangkaian penguat instrumentasi yang

ditempatkan dalam sebuah casing box bersama

dengan rangkaian catu daya dan mikrokontroler.

Keseluruhan perangkat keras ditempatkan di atas

mesin palung pelayuan seperti ditunjukkan pada

Gambar 8.

Gambar 8. Perangkat keras akuisisi pada palung pelayuan

4. HASIL DAN DISKUSI

Sebelum diimplementasikan di industri

pengolahan teh hitam, terlebih dahulu load cell

harus dikalibrasi. Kalibrasi dilakukan dengan non-

zero calibration pada tegangan, di mana tegangan

keluaran tidak menunjukkan nol ketika belum diberi

anak timbangan sebagai pembeban (tanpa

pengaturan ofset nol). Timbal sebagai pembeban

dikalibrasi di Laboratorium Gaya dan Massa Balai

Pengamanan Fasilitas Kesehatan (BPFK) Surabaya

pada tanggal 7 April 2010. Anak timbangan

bersertifikat yaitu merk sartorius, model/tipe YCW

553-00, nomor seri 15929662, kelas F1 dengan

nominal 500 gram. Massa konvensional anak

timbangan standar adalah 499,9996 gram dengan

ketidakpastian 0,63 gram. Pada waktu dilakukan

kalibrasi, terdokumentasi densitas udara 7390

Kg/m3. Timbangan yang digunakan untuk

mengkalibrasi timbal yaitu merk sartorius,

model/tipe CP12001S, nomor seri 161108413,

kapasitas 12,1 kilogram dengan resolusi 0,1 gram.

Metode kerja mengacu ke OIML R111-1 Part-1 &

Part-2 Edition 2004 (E).

Hasil kalibrasi terhadap delapan timbal

ditunjukkan pada tabel 1. Kondisi ruang ketika

diambil pengukuran, suhu 23,2 ± 0,07 0C,

kelembaban relatif 50,2 %RH, dan tekanan 1009,5

hPa.

Tabel 1. Data hasil kalibrasi timbal

Nilai

(g)

Nomor

Timbal

Massa

Konvensional

(g)

Ketidakpastian

Pengukuran

(g)

500 1

2

3

4 5

6

7 8

499,9982

499,9978

500,0015

499,9995 499,9940

499,9993

499,9983 499,9960

0,21

0,21

0,21

0,21 0,21

0,21

0,21 0,21

Timbal yang telah diketahui massa konvensionalnya

digunakan sebagai data kalibrasi load cell untuk

mendapatkan hubungan karakteristik antara massa,

m, dengan tegangan, V. Variasi massa diperoleh

dengan menambahkan timbal ke dalam keranjang,

Gambar 7, yang menyebabkan perubahan tegangan

yang diukur dengan multitester digital. Hasil

kalibrasi load cell dengan timbal ditunjukkan pada

tabel 2 yang berpadanan dengan grafik karakteristik

yang ditunjukkan pada Gambar 9. Pada kalibrasi

load cell ini dilakukan dengan cara menambahkan

timbal satu per satu sampai dengan beban total

sekitar 4 kilogram timbal yang selanjutnya respon

tegangannya dicatat (pengukuran naik).

Tabel 2. Kalibrasi Load cell dengan timbal

No. Massa Timbal

(g)

Tegangan

(V)

1. 2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

- 499.9982

999.9960

1,499.9975

1,999.9970

2,499.9910

2,999.9903

3,499.9886

3,999.9846

0.2033 0.2541

0.3079

0.3607

0.4144

0.4682

0.5219

0.5757

0.6295

Kalibrasi load cell juga dilakukan dengan

cara pengukuran turun. Delapan timbal dengan berat

sekitar 4 kilogram dimasukkan ke dalam keranjang

pembeban. Timbal diambil satu persatu dan respon

tegangan yang keluar dari load cell dicatat. Hasil

yang diperoleh untuk pengukuran naik dan turun

memberikan respon tegangan yang sama. Grafik

karakteristik untuk pengukuran naik dan turun

seperti pada Gambar 9 di bawah ini:

Gambar 9. Grafik karakteristik kalibrasi load cell

Penempatan timbal dalam keranjang

diatur sedemikian sehinggga load cell tersebar

merata secara merata (setimbang). Dalam

karaktererisasi load cell, telah dilakukan

penempatan timbal pada masing-masing keempat

sudutnya. Selanjutnya dilakukan pengukuran naik

dan turun seperti semula dan respon tegangan

diukur. Hasil pengukuran dengan penempatan timbal

berkelompok di masing-masing sudutnya

memberikan respon tegangan yang sama dengan

respon tegangan ketika penempatan timbal

menyebar. Hal ini terjadi karena pembebanan

menekan salah satu ujung load cell pada satu titik.

Dari hasil karakterisasi pada load cell,

diperoleh persamaan karakteristik V = 0.0001m +

0.2014. Persamaan karakteristik ini menyatakan

hubungan antara tegangan dan massa yang

selanjutnya akan digunakan untuk antarmuka pada

LCD. Dari grafik karakteristik Gambar 9 juga

diketahui bahwa load cell telah berunjuk kerja

dengan linieritas tinggi dan error histeresis yang

sangat rendah. Karakteristik load cell ini dapat

digunakan untuk mengukur derajat layu pada

pengolahan teh hitam dengan memanfaatkan

kehilangan kadar air pada daun teh.

Secara keseluruhan sistem instrumentasi,

blok-blok rangkaian elektronis yang terdiri dari blok

sensor, power supply, penguat instrumentasi,

mikrokontroler dan display telah menunjukkan

performa yang baik. Rangkaian catu daya didesain

untuk menghasilkan tegangan +5V, +10 V, -10 V

dan ground. Penguat instrumentasi klasik dengan

menempatkan R1, R2, R3 dan R4 = 10 kΩ, Rg = 1

kΩ, R5 dan R6 = 100 kΩ, mengkonfigurasi besarnya

penguatan sekitar 40 kali. Rangkaian mikrokontroler

yang mengaplikasikan ATMega8 digunakan untuk

mengubah tegangan analog ke digital dan antarmuka

pada LCD dan personal komputer.

5. KESIMPULAN

Dari hasil karakteristik dan kalibrasi

terhadap sensor massa, load cell tipe CZL601, dapat

disimpulkan bahwa:

1. Rangka mekanis dari bahan logam dibuat khas

untuk dapat ditempatkan di atas palung

pelayuan, pada mana salah satu ujung load cell

dibuat dibuat statis dan ujung lainnya

digantungkan sebuah keranjang sebagai

pembeban.

2. Delapan anak timbangan (timbel), sebagai

pembeban kalibrator untuk load cell, dengan

V = 0.0001m + 0.2014

R² = 1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 2000 4000 6000

Te

ga

ng

an

(vo

lt)

Massa (gram)

berat nominal masing-masing sekitar 500 gram

telah dikalibrasi di Laboratorium Massa dan

Gaya BPFK Depkes Surabaya untuk

mengetahui nilai benarnya di mana kalibrator

timbangan dan anak timbangan bersertifikat

dan tertelusur.

3. Load cell sebagai sensor massa, penguat

instrumentasi, dan perangkat akuisisi bekerja

sebagai sebuah sistem instrumentasi

pengukuran derajat layu pada pengolahan teh

hitam.

4. Load cell dengan desain untuk digunakan

sebagai pengukur derajat layu pengolahan teh

hitam menunjukkan persamaan karakteristik V

= 0.0001m + 0.2014. Unjuk kerja dari load cell

sangat baik yang ditandai oleh linieritas yang

sangat tinggi dan error histeresis yang sangat

rendah.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih kepada Saudara Moch. Adi

Wardhana yang telah membantu dalam menyiapkan

kelengkapan instrumen dan kepada Ibu Betty

Rahayu dan Ibu Rikyan di BPFK Surabaya yang

menyediakan fasilitas kalibrasi

DAFTAR PUSTAKA

Fraden, Jacob. 2003. Handbook Of Modern

Sensors: Physics, Designs, and

Applications. AIP Press. San Diego.

J.G. Rocha, C. Couto, J.H. Correia. 2000. Smart

load cells: an industrial application. Sensor

and Actuator, ScienceDirect Journal,

Elsevier.

Jacek Piskorowski, Tomasz Barcinski. 2008.

Dynamic compensation of load cell

response: A time-varying approach.

Mechanical Systems and Signal Processing.

ScienceDirect Journal, Elsevier.

Kurniawan, Dayat. 2009. ATMega 8 dan

Aplikasinya. PT Elex Media Komputindo.

Jakarta.

Santoso, Joko., Suprihatini, Rohayati., Abas

Tadjudin., Rohdiana, Dadan., Shabri. 2008.

Petunjuk Teknis Pengolahan Teh. Pusat

Penelitian Teh dan Kina (PPTK) Gambung.

Bandung.

Sascha Mäuselein, Oliver Mack, Roman Schwartz.

2009. Investigations into the use of single-

crystalline silicon as mechanical spring in

load cells. Measurement, ScienceDirect

Journal, Elsevier.

Terrel, David L. 1996. Op-Amps: Design,

Application, and Troubleshooting. Elsevier

Science and Technology. Oxford UK.

Tompkins, W.J., Webster, J.G. 1988. Interfacing

Sensor To The IBM PC. Printice Hall.

Englewood Cliffs USA.