Documents
Resources
Learning Center
Upload
Plans & pricing Sign in
Sign Out

Perencanaan dan Pembuatan Alat Ukur Viskositas

VIEWS: 2,058 PAGES: 6

  • pg 1
									                 Perencanaan dan Pembuatan Alat Ukur Viskositas
              Oli Mesin pada Kendaraan Bermotor Berbasis Teknologi
             Field Programable Gate Array ( FPGA ) Xilinx XC4010-XL
                                            R. Indra Wijaya, ST
                          Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi – LIPI
                          Jl. Sangkuriang Komplek LIPI Gd. 20 Bandung 40135.
                                           indra@ppet.lipi.go.id

                                          Abstrak
Dalam industri otomotif, efisiensi dan efektifitas kinerja mesin kendaraan bermotor sangat
dipengaruhi oleh kondisi minyak pelumas yang digunakan. Salah satu parameter penting yang
digunakan untuk mengetahui kualitas minyak pelumas adalah viskositas. Proses penggantian
minyak pelumas mesin secara konvensional yang menggunakan pedoman jarak tempuh dan waktu
pemakaian dirasakan masih kurang akurat. Sehingga diperlukan suatu alat ukur viskositas yang
dapat memantau kualitas minyak pelumas secara kontinyu pada saat mesin dijalankan untuk
memperoleh waktu penggantian minyak pelumas yang tepat.

1. Pendahuluan.                                         dengan waktu pemakaiannya, maka rentang
Kondisi kendaraan bermotor sangat ditentukan            selisih minyak pelumas pada suhu tinggi dan
oleh pemeliharaannya, dengan perawatan yang             rendahnya akan semakin melebar, yang berarti
baik, kendaraan akan dalam kondisi prima.               minyak pelumas sudah tidak layak lagi untuk
Perawatan yang tergolong sederhana tetapi               digunakan. Keterlambatan penggantian minyak
sangat vital adalah penggantian secara rutin            pelumas tidak hanya menyebabkan keausan
minyak pelumas. Meski sederhana, jenis                  logam pada mesin, tetapi juga menyebabkan
perawatan ini sering menyisakan persoalan               endapan atau kerak akibat terlalu banyaknya
pemilihan pelumas yang tepat dan hal-hal yang           bahan pengotor dalam minyak pelumas.
berkaiatan dengan penggantiannya. Pasalnya,             Pada dasarnya penggantian minyak pelumas
pelumas di pasaran tidak hanya berbeda merek            tidak bisa ditentukan hanya berdasarkan selang
tetapi juga memiliki berbagai spesifikasi.              waktu pemakaian atau jarak tempuh kendaraan
Penggunaan minyak pelumas pada kendaraan                bermotor saja, melainkan juga ditentukan kerja
bermotor ditujukan untuk mencegah gesekan               mesin mesin yang bersangkutan. Setiap jenis
antar komponen yang bergerak pada pada                  mesin tertentu biasanya disertai petunjuk
mesin. Sehingga diharapkan dapat mencegah               pemilihan jenis minyak pelumas dan rentang
keausan logam mesin akibat gesekan langsung.            waktu pemakaiannya, untuk keadaan operasi
Pemilihan jenis minyak pelumas harus                    mesin tertentu ( kondisi normal ). Pedoman
disesuaikan dengan kegunaan dan spesifikasi             penggantian      minyak     pelumas     secara
minyak pelumas yang ada, selain juga harus              konvensional tersebut diraskan kurang akurat
memperhatikan usia mesin dan keadaan cuaca,             oleh para pengguna otomotif , karena
karena karakteristik viskositas minyak pelumas          seringkali mesin dijalankan secara berlebihan
yang sangat bergantung pada temperatur                  dan tidak adanya indikator yang bisa
lingkungannya ( indeks viskositas).                     mengingatkan mereka kapan harus mengganti
Suatu minyak pelumas dianggap memiliki                  minyak pelumas tersebut.
indeks viskositas yang baik, jika pada suhu
rendah, mesin tidak mengalami kesulitan untuk           2. Teori Dasar
melakukan start ( saat kondisi minyak pelumas           2.1. Viskositas.
kental ), dan pada saat suhu tinggi saat mesin          Viskositas dapat dinyatakan sebagai tahanan
telah bekerja, bagian – bagian antar mesin              aliaran fluida yang merupakan gesekan antara
tidak bergesekan secara langsung ( saat kondisi         molekul – molekul cairan satu dengan yang
minyak pelumas menjadi encer ). Minyak                  lain. Suatu jenis cairan yang mudah mengalir,
pelumas seharusnya memiliki selisih viskositas          dapat dikatakan memiliki viskositas yang
yang kecil saat suhu rendah dan tinggi. Sejalan         rendah, dan sebaliknya bahan – bahan yang
sulit mengalir dikatakan memiliki viskositas                σ = η .γ
yang tinggi.                                                    σ
Pada hukum aliran viskos, Newton menyatakan                 η=
                                                                γ
hubungan antara gaya – gaya mekanika dari
                                                     dimana parameter (η) ini didefinisikan sebagai
suatu aliran viskos sebagai :
                                                     viskositas absolut (dinamis) dari suatu fluida.
   Geseran dalam ( viskositas ) fluida adalah
                                                     Dengan menggunakan satuan internasional ; N,
   konstan sehubungan dengan gesekannya.
                                                     m2, m, m/s untuk gaya, luas area panjang dan
Hubungan tersebut berlaku untuk fluida
                                                     kecepatan, maka besaran viskositas dapat
Newtonian, dimana perbandingan antara
                                                     dinyatakan dengan :
tegangan geser (σ) dengan kecepatan geser (γ)
nya konstan. Parameter inilah yang disebut                            N 2
                                                                 σ
dengan viskositas.                                           η = = m = Pa.s
                                                                 η m
Aliran viskos dapat digambarkan dengan dua                              s.m
buah bidang sejajar yang dilapisi fluida tipis       Satuan Pa.s dirasakan terlalu besar dalam
diantara kedua bidang tersebut.                      prakteknya, maka diguanakan satuan mPa.s,
                                                     yang lebih dikenal sebagai cP atau centiPoise
   gaya (F)             Luas area                    (catatan: 1 Pa.s = 1000mPa.s = 1000cP,
                                                 v
                                                     1P=100cP ).
                 h        distribusi kecepatan


                                           v=0


              Gambar 1. Aliran viskos.

Suatu bidang permukaan bawah yang tetap
dibatasi oleh lapisan fluida setebal h, sejajar
dengan suatu bidang permukaan atas yang
bergerak seluas A. Jika bidang bagian atas itu
ringan, yang berarti tidak memberikan beban               Gambar 2. Grafik fluida newtonian.
pada lapisan fluida dibawahnya, maka tidah
ada gaya tekan yang bekerja pada lapisan             Seperti halnya kerapatan, besaran viskositas
fluida. Suatu gaya F dikenakan pada bidang           berbanding terbalik dengan perubahan
bagian atas yang menyebabkan bergeraknya             temperatur. Kenaikan temperatur akan
bidang atas dengan kecepatan konstan v, maka         melemahkan ikatan antar molekul suatu jenis
fluida dibawahnya akan membentuk suatu               cairan sehingga akan menurunkan nilai
lapisan – lapisan yang saling bergeseran.Setiap      viskositasnya.
lapisan tersebut akan memberikan tegangan
geser (σ) sebesar F/A yang seragam, dengan           2.2. Viskometer Rotasi.
kecepatan lapisan fluida yang paling atas            Viskometer merupakan peralatan yang
sebesar v dan kecepatan lapisan fluida paling        dgunakan untuk mengukur viskositas suatu
bawah sama dengan nol. Maka kecepatan geser          fluida. Model viskometer yang umum
(γ) pada lapisan fluida di suatu tempat pada         digunakan berupa viskometer peluru jatuh,
jarak y dari bidang tetap, dengan tidak adanya       tabung ( pipa kapile ) dan sistem rotasi..
tekanan fluida menjadi :                             Viskometer rotasi silinder sesumbu (concentric
            dv v                                     cylinder) dibuat berdasarkan 2 standar, sistem
        γ =     =                                    Searle dimana silinder bagian dalam berputar
            dy h
                                                     dengan silinder bagian luar diam dan sistem
Pada fluida newtonian perbandingan antara            Couette dimana bagian luar silinder yang
besaran kecepatan geser dan tegangan geser           diputar sedangkan bagian dalam silinder diam.
adalah konstan,                                      Fluida yang akan diukur ditempatkan pada
celah diantara kedua silinder. Persamaan             Standarisasi minyak pelumas untuk mesin
matematis untuk menghitung viskositas                kendaraan bermotor pertama kali dilakukan
diturunkan dari hukum newton tentang aliran          oleh Society of Automotif Engineering (SAE)
viskos.                                              pada tahun 1911 dengan kode SAE J300.
                                                     Minyak pelumas dikelompokkan berdasarkan
                                                     tingkat kekentalannya. Dalam kemasan atau
                           ω
                                                     kaleng pelumas, biasanya dapat ditemukan
                                                     kode angka yang menunjukkan tingkat
                                h
                                                     kekentalannya, seperti : SAE 40, SAE 90, SAE
    Silinder luar                                    10W-50, dsb. Semakin tinggi angkanya
    Silinder dalam                                   semakin kental minyak pelumas tersebut. Ada
    Fluida terukur                                   juga kode angka multi grade seperti 10W-50,
                                                     yang dapat diartikan bahwa pelumas memiliki
                               rd rl                 tingkat kekentalan sama dengan SAE 10 pada
                                                     suhu udara dingin (W= Winter) dan SAE 50
                                                     pada udara panas.
   Gambar 4. Viskometer silinder sesumbu.                     Tabel. 1. Standar SAE J300.
                                                                                     Viskositas (cSt)     Viskositas
                                                      Tingkat
                                                                  Viskositas (cP)      Suhu 1000 C           (cP)
                                                     Viskositas
Silinder dalam dengan jari – jari rd dan tinggi h       SAE
                                                                   Suhu rendah
                                                                                    Min           Max
                                                                                                          Suhu 1500
                                                                                                              C
berputar dengan kecepatan sudut konstan (ω)             0W        6200 @  -350C     3.8
pada silinder luar dengan jari – jari rl. Gaya (F)      5W        6600 @ -300 C     3.8
                                                       10W        7000 @ -250 C     4.1
yang bekerja terhadap fluida pada jarak r              15W        7000 @ -200 C     5.6
diantara kedua silinder menghasilkan tegangan          20W        9500 @ -150 C     5.6
                                                       25W        13000 @ -100 C    9.3
geser (σ) pada fluida sebesar :                         20                          5.6          < 9.3       2.6
                    T                                   30                          9.3          < 12.5      2.9
             F        r = T                             40                          12.5         < 16.3      2.9
        σ= =                                            50                          16.3         < 21.9      3.7
             A 2π .r.h 2π .r 2 h                        60                          21.9         < 26.1      3.7
T merupakan torsi yang bekerja pada fluida
yang merupakan hasil kali antara gaya (F)            2.4. Indeks Viskositas.
yang diberikan oleh putaran silinder dalam           Kemampuan minyak pelumas untuk mengatasi
dengan jarak fluida dari pusat silinder (r).         perubahan nilai viskositas terhadap perubahan
                                                     temperatur dikenal dengan istilah indeks
Kecepatan geser dapat dinyatakan sebagai :           viskositas. Nilai indeks viskositas merupakan
                du       rdω                         suatu besaran yang menyatakan perbandingan
        γ =−        =−
                dr        dr                         relatif antar minyak pelumas yang dinyatakan
Hubungan antar kecepatan geser dengan                dengan persen. Nilai indeks viskositas tinggi,
tegangan geser mengahasilkan persamaan               menyatakan bahwa minyak pelumas tersebut
viskositas untuk fluida newtonian sebagai :          semakin kecil mengalami perubahan nilai
                 T      1    1                     viskositas pada range temperatur tertentu, yang
        η= 2            2 − 2  Pa.s
             4π . f .h  rd
                            rl 
                                
                                                     berarti bahwa mutu minyah pelumas tersebut
                                                     semakin baik.
dimana :                                             Berdasarkan standar pengukuran ASTM D567
η       : viskositas absolut                         (American Standart Test and Measurement)
f       : kecepatan rotasi silinder dalam            pengukuran nilai IV didasarkan pada
h       : tinggi silinder                            persamaan :
rd      : diameter silinder dalam                                   L −U
rl      : diameter silinder luar                              IV =       x100%
T       : torsi                                                    L−H
                                                     dimana :
                                                     L : viskositas pelumas dengan IV=0% @1000F
2.3. Standar Minyak Pelumas.
                                                     H : viskositas pelumas dgn IV=100% @ 1000F
                                                     U : viskositas pelumas yang diukur pada 1000F
3. Perancangan Alat.
Tingkat kelayakan minyak pelumas didapatkan                Persamaan tranduser motor dapat dinyatakan :
dari hasil pengukuran viskositas dan                              E = K v .ω
temperatur, yang menghasilkan besaran indeks                       T = K m .I
viskositas. Bila didapatkan dua buah titik
pengukuran viskositas viskositas pada suhu                 dimana Kv sebagai konstanta kecepatan motor
yang berbeda, maka bila diantara kedua titik itu           dan Km sebagai konstanta mekanis motor.
ditarik sebuah garis lurus dan kemudian garis              Hubungan antara kecepatan dengan torsi motor
tersebut ditarik sampai melewati suhu referensi            dapat dirumuskan sebagai :
pembanding, maka nilai viskositas pada suhu                            V R.T
                                                                   ω= − 2
tertentu dapat dengan mudah didapatkan. Hal                            K K
ini sesuai dengan karakteristik minyak pelumas             Sehingga nilai torsi yang bekerja pada motor
yang merupakan bagian dari fluida newtonian                jika dibebani dapat diketahui :
yang memiliki karakteristik perubahan                                         V .I
                                                                   T = K .I =
viskositas terhadap suhu yang linear.                                          ω0
Blok diagram sistem yang dibuat dapat                      dengan memasukkan unsur T ini, maka
digambarkan sebagai berikut :                              persamaan viskositas menjadi :
                                                                            T           1   1
                                                                   η= 2                 2 − 2  Pa.s
              PENGKONDISI
              SINYAL ARUS
                                 SAMPLE
                                 & HOLD
                                             LCD DISPLAY               8π . f . f 0 .h  rd
                                                                                           rl 
                                                                                               
                                                           Bila tranduser yang dibuat memiliki dimensi
                                     ADC                   sebagai berikut :
              PENGKONDISI
   M           KECEPATAN                      FPGA         • diameter silinder dalam (rd)           = 20mm
                                    EPROM                  • diameter silinder luar (rl)            = 25mm
                                                           • tinggi silinder (h)                    = 30mm
                                 GRADE
              PENGKONDISI
              TEMPERATUR        DATABASE
                                              PARALEL
                                              PC-CONN
                                                           Sedangkan motor DC yang digunakan dicatu
                                                           dengan tegangan (V) 5 volt, yang
                                                           menghasilkan frekuensi tanpa beban (f0)
           Gambar 5. Blok diagram sistem.                  sebesar 27.5Hz maka, persamaan viskositas
                                                           sebagai fungsi arus dan frekuensi dapat
3.1. Sistem Sensor.                                        dinyatakan sebagai :
Sistem mekanis (sensor) terdiri dari dua buah
                                                                       219.89 I
silinder sesumbu, dimana silinder bagian dalam                     η=               mPa.s
diputar dengan menggunakan motor DC dan                                    f
silinder bagian luar dijaga supaya tetap diam.             Dengan mengukur tegangan jatuh pada R maka
Pelumas yang diukur diletakkan pada celah                  dapat diketahui besarnya arus yang mengalir
diantara kedua silinder tersebut.                          pada kumparan jangkar motor ( I = VR / R).
Dari persamaan viskositas ada dua variabel                                  Cakram Enkoder
yang harus diukur, yaitu frekuensi putaran                          LED

silinder dalam dan torsi yang bekerja. Besaran
torsi diambil dari besaran arus yang mengalir
pada penggerak motor dc.
                            R               E=Kv.ω                 Phototransistor
                                            (Back EMF)


                                                                    Gambar 7. Enkoder kecepatan.
       V                    I   E
                                                           Untuk mendapatkan besaran frekuensi putaran
                                                           silinder dalam viskometer digunakan enkoder
                                             T &ω
                                                           yang terdiri dari sebuah piringan dengan pola
                                                           terang gelap yang diletakkan diantara
     Gambarb 6. Model listrik motor DC.                    optocoupler (yang merupakan pasangan LED
                                                           sebagai pemancar cahaya dan phototransistor
sebagai penerima) dan ikut diputar bersama          Device FPGA yang digunakan berupa IC
sumbu motor yang menghasilkan deretan pulsa         Xilinx XC4010XL dalam kemasan PLCC 84
yang bervariasi frekuensinya tergantung dari        pin yang memiliki 400 CLB (Configurable
kecepatan motor.                                    Logic Block). Pada dasarnya IC ini memiliki
Sebagai sensor temperatur digunakan IC LM35         dua buah elemen konfigurasi yang utama, yaitu
(National semiconductor) yang memiliki              : CLB (Configurable Logic Block) yang
tegangan keluaran berbanding linear dengan          berfungsi untuk mengimplementasikan fungsi-
temperatur dalam satuan 0C dengan perubahan         fungsi logika yang akan dibuat, dan IOB (Input
10 mV/ 0C.                                          Output Block) yang berfungsi sebagai inteface
                                                    dengan rangkaian luar. Selain itu terdapat tiga
3.2. Akuisisi Data.                                 tipe rangkaian internal yang mendukung
Setelah melewati rangkaian pengkondisi sinyal       arsitektur FPGA Xillinx, yakni : Three State
yang tediri dari penguat sinyal, low pass filter,   Buffer, Wide Edge Detector dan On Chip
dan antialiasing filter. Maka ketiga besaran        Oscilator.
yang diukur (temperatur, arus dan frekuensi)        Sebagi device yang dapat diprogram ulang,
dilewatkan ke ADC 0809 ( National                   FPGA memerlukan proses konfigurasi sebelum
Semiconductor ) untuk mengubah sinyal               dapat difungsikan sebagi sebuah rangkaian
analog     ke     digital  yang     selanjutnya     digital sesuai dengan yang diiinginkan. Ddalam
diinterfacekan dengan IC FPGA.                      perancangan alat ini digunakan dua metode
                                                    konfigurasi. Pertama secara slave serial
3.3. Modul FPGA                                     dimana data konfigurasi dikirimkan melalui
FPGA (Field Programable Gate Array)                 port paralel PC ke internal RAM FPGA dengan
merupakan otak dari keseluruhan sistem              bantuan perangkat lunak XLTOOLS yang
pengukuran viskositas minyak pelumas. FPGA          digunakan selama proses perancangan. Kedua
berfungsi sebagai pengatur proses akuisisi data,    melalui mode master paralel, dimana data
melakukan proses perhitungan arithmatika            disimpan dalam EPROM 64Kb sehingga
persamaan viskositas, mengambil keputusan           sistem dapat bekerja tanpa PC ketika program
kelayakan pelumas dan menampilkannya pada           telah benar – benar selesai dibuat.
papan LCD.




                                   Gambar 8. Skematik Diagram.
 3.4. Perangkat Lunak.                            hasil pengujian dan kalibrasi dapat dikatakan
Modul – modul yang digunakan untuk                keseluruh sistem dapat bekerja dengan baik.
mengkonfiguransi FPGA dibuat dengan
bantuan perangkat lunak Xilinx Foundation         5. Kesimpulan.
v2.1 yang ditulis dengan menggunakan bahasa       Untuk mendapatkan pengukuran pelumas yang
VHDL (Very High Speed IC Hardware                 lebih akurat, harus didukung dengan sensor
Description Language). Secara garis besar         yang dibuat dengan tingkat keakuratan yang
terdapat 9 modul (function) yang dibuat yaitu :   tinggi.
     1. akuisisi data                             Faktor lain yang turut mempengaruhi unjuk
     2. pengontrol display LCD                    kerja pelumas seperti bahan pengotor yang
     3. perhitungan nilai viskositas              dihasilkan dari proses pembakaran, sistem
     4. perhitungan indeks viskositas             distribusi pelumas (tekanan) harus juga
     5. penyimpan referensi Grade SAE             diperhatikan   dalam     penentuan     tingkat
     6. pengambil      keputusan     kelayakan    kelayakan pelumas.
        pelumas.                                  Agar dapat diaplikasikan secara langsung pada
     7. pengubah bilangan biner – BCD             mesin kendaran, perlu diusahakan struktur
     8. Pembangkit pulsa clock                    mekanik yang tepat sehingga sensor dapat
     9. Penbagi frekuensi.                        terpasang dengan baik.
Selain itu dibuat juga program bantu untuk
keperluan debuging dengan bantuan Delphi 5.0      5. Daftar Pustaka.
untuk mengetahui perubahan parameter              [1] ---, Competing technologies for Measuring
besaran yang diukur secara real time pada PC           Viscosity,            http://www.cambridge-
untuk mengetahui kinerja sisitem secara                applied.com/tech/viscometers.html.
keseluruhan.                                      [2] ---, Engine Oil Viscosity Clasivication –
                                                       SAE     J300,       revised    June   2001,
                                                       http://www.chevron.com/
                                                  [3] ---, Flow & Suspension Properties,
                                                       http://www.pharma.noveonic.com
                                                  [4] ---, Motors, http://www.srl.gatech.edu/
                                                  [5] ---, Oil Guide, http://www.api.com
                                                  [6] ---, Viscosity dependent temperatur &
                                                       preasure,
                                                       http://www..nd.edu/~ed/lubricants.htm
                                                  [7] ---, Z80 Controlled Viscometer Project,
                                                       http://www.hanssummers.com/visc.htm
                                                  [8] David E. Vande Bout, Pragmatic Logic
        Gambar 9. Tampilan Debugger                    Design with Xilinx Foundation 2.1i, XESS
                                                       Corp.
4. Pengujian dan Kalibrasi.                       [9] James F. Steve Ph.D P.E, Rheological
Untuk memastikan keseluruhan sistem bekerja            Method in Food Process Engineering,
dngan baik, pengujian dilakukan terhadap               1996,              second           edition,
sensor maupun seluruh rangkaian penunjang              http://www.egr.msu.edu/~steffe/
lainnya yang meliputi pengukuran linearitas       [10] Kevin Skahill, March, 1996, VHDL for
ADC, temperatur, kecepatan putaran motor,              Programable            Logic.       Cypress
arus motor dan pengukuran karakteristik                Semiconductor, Sunnyvale, California
motor.                                                 Addison Wesley Publishing Inc.
Sebagi media kalibrasi digunakan viskosimeter
tipe paralel plate yang mampu menghasilkan
penunjukan berupa nilai viskositas absolut
fluida pada temperatur 400C dan 1000C. Dari

								
To top