bergerak di dalam zat cair - Institutional...

16

Transcript of bergerak di dalam zat cair - Institutional...

Page 1: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya
Page 2: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

bergerak di dalam zat cair tersebut. Viskositas dalam zat cair, yang

berperan adalah gaya kohesi antar partikel zat cair. Viskositas dapat

dinyatakan sebagai tahanan aliran fluida yang merupakan gesekan antara

molekul – molekul cairan satu dengan yang lain. Suatu jenis cairan yang

mudah mengalir, dapat dikatakan memiliki viskositas yang rendah, dan

sebaliknya bahan-bahan yang sulit mengalir dikatakan memiliki viskositas

yang tinggi.

Viskositas suatu fluida adalah sifat yang menunjukkan besar dan

kecilnya tahanan dalam fluida terhadap gesekan. Fluida yang mempunyai

viskositas rendah, misalnya air mempunyai tahanan dalam terhadap

gesekan yang lebih kecil dibandingkan dengan fluida yang mempunyai

viskositas yang lebih besar. Dengan sifat ini zat cair banyak digunakan

dalam dunia otomotif yaitu sebagai pelumas mesin. Telah diketahui bahwa

pelumas yang dibutuhkan tiap-tiap mesin berbeda-beda, sehingga sebelum

menggunakan pelumas merek tertentu harus diperhatikan terlebih dahulu

koefisien kekentalan pelumas sesuai atau tidak dengan tipe mesin.

Ada banyak metode yang bisa digunakan untuk mengukur viskositas

suatu fluida atau cairan. Salah satunya adalah dengan metode bola jatuh.

Metode ini menggunakan sebuah bola yang dijatuhkan pada sebuah tabung

berisi fluida yang akan diukur, kemudian dicatat waktu tempuh bola dari

satu titik ke titik yang lain. Dengan hukum Stokes waktu tempuh bola ini

bisa digunakan untuk menghitung nilai viskositas fluida.

Akan tetapi penggunaan metode ini, terutama dengan peralatan

eksperimen manual memiliki banyak kekurangan. Salah satunya yaitu

pencatatan waktu tempuh bola yang kurang teliti. Ini menyebabkan nilai

viskositas yang diperoleh memiliki nilai ralat yang besar atau kurang teliti.

Untuk itu diperlukan otomatisasi untuk pencatatan waktu tempuh bola

jatuh ini. Penggunaan sensor cahaya diharapkan bisa menjawab masalah

ini. Selain itu juga dibutuhkan sebuah pengendali seperti mikrokontroler

yang dapat mengendalikan sensor secara otomatis.

Dari latar belakang tersebut di atas, maka masalah dalam penelitian

ini adalah bagaimana merancang alat ukur viskositas yang memiliki tingkat

Page 3: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

ketelitian yang tinggi dengan menggunakan sensor gerak dan

mikrokontroler untuk memperoleh alat yang otomatis, dengan tujuan

dapat dihasilkan sebuah alat ukur viskositas otomatis yang teliti.

Sedangkan batasan-batasan masalah dalam penelitian ini adalah

Sensor yang digunakan adalah sensor cahaya LDR. Mikrokontroler yang

digunakan adalah ATMega8535.

2. Tinjauan Pustaka

2.1.Hukum Stokes

Viskositas berasal dari kata viscous. Suatu bahan apabila dipanaskan

sebelum menjadi cair terlebih dahulu menjadi viscous yaitu menjadi lunak

dan dapat mengalir pelan-pelan. Viskositas dapat dianggap sebagai

gerakan di bagian dalam (internal) fluida.

Jika sebuah benda berbentuk bola dijatuhkan ke dalam fluida kental,

misalnya kelereng dijatuhkan ke dalam kolam renang yang airnya cukup

dalam, nampak mula-mula kelereng bergerak dipercepat. Tetapi beberapa

saat setelah menempuh jarak cukup jauh, nampak kelereng bergerak

dengan kecepatan konstan (bergerak lurus beraturan). Ini berarti bahwa di

samping gaya berat dan gaya apung zat cair masih ada gaya lain yang

bekerja pada kelereng tersebut. Gaya ketiga ini adalah gaya gesekan yang

disebabkan oleh kekentalan fluida.

Khusus untuk benda berbentuk bola, gaya gesekan fluida dirumuskan

sebagai

rvFs 6 (1)

dengan η menyatakan koefisien kekentalan, r adalah jari-jari bola kelereng,

dan v kecepatan relatif bola terhadap fluida. Persamaan (1) pertama kali

dijabarkan oleh Sir George Stokes tahun 1845, sehingga disebut Hukum

Stokes.[5]

Dalam pemakaian eksperimen harus diperhitungkan beberapa syarat

antara lain:

Ruang tempat fluida jauh lebih luas dibanding ukuran bola.

Page 4: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

Tidak terjadi aliran turbulen dalam fluida.

Kecepatan v tidak terlalu besar sehingga aliran fluida masih bersifat

laminer.

Sebuah bola padat yang memiliki rapat massa ρb dan berjari-jari r

dijatuhkan tanpa kecepatan awal ke dalam fluida kental yang memiliki rapat

massa ρf, di mana ρb> ρf. Telah diketahui bahwa bola mula-mula mengalami

percepatan, namun beberapa saat setelah bergerak cukup jauh bola akan

bergerak dengan kecepatan konstan. Kecepatan yang tetap ini disebut

kecepatan akhir vT atau kecepatan terminal yaitu pada saat gaya berat bola

sama dengan gaya apung ditambah gaya gesekan fluida. Gambar 1

menunjukkan sistem gaya yang bekerja pada bola kelereng yakni FA = gaya

Archimedes, FS = gaya Stokes, dan W=mg = gaya berat kelereng.

Gambar 1. Gaya yang bekerja pada saat bola dengan kecepatan tetap.

Jika saat kecepatan terminal telah tercapai, berlaku prinsip Newton

tentang GLB (gerak lurus beraturan), yaitu

WFF SA (2)

Jika Vb menyatakan volume bola, serta g gravitasi bumi, maka berlaku

Page 5: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

gVW bb .. (3)

gVF bfA .. (4)

Rapat massa bola ρb dan rapat massa fluida ρf dapat diukur dengan

menggunakan

b

bb V

m (5)

dan

f

ff V

m (6)

Dengan mensubstitusikan Persamaan (3) dan (4) ke dalam Persamaan (2)

maka diperoleh

fbbs gVF (7)

Dengan mensubstitusikan Persamaan (1) ke dalam Persamaan (7) diperoleh

9

2 2fb

T

grv

(8)

Jarak d yang ditempuh bola setelah bergerak dengan kecepatan terminal

dalam waktu tempuhnya t mempunyai kecepatan

9

2 2fbgr

t

d

Dengan demikian waktu tempuhnya adalah

fbgr

dt

22

9(9)

Page 6: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

Dengan mengukur kecepatan akhir bola yang radius dan rapat massa

telah diketahui, maka viskositas fluida dapat ditentukan. Untuk

memperoleh nilai viskositas fluida, Persamaan (9) diubah dalam bentuk

d

tgr fb

9

2 2

= tk fb )(

(10)

dengan

d

grk

9

2 2

(11)

Satuan viskositas fluida dalam sistem cgs adalah dyne det cm-2, yang biasa

disebut dengan istilah poise di mana 1 poise sama dengan 1 dyne det cm-2.

Viskositas dipengaruhi oleh perubahan suhu. Apabila suhu naik maka

viskositas menjadi turun atau sebaliknya.

2.2. Mikrokontroler ATMega8535

Mikrokontroler merupakan keseluruhan sistem komputer yang

dikemas menjadi sebuah chip di mana di dalamnya sudah terdapat

Mikroprosesor, I/O, Memori bahkan ADC, berbeda dengan Mikroprosesor

yang berfungsi sebagai pemroses data.[2]

Mikrokontroller AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) memiliki

arsitektur 8 bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit dan

sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 siklus clock atau dikenal dengan

teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing). Secara umum, AVR

dapat dikelompokan ke dalam 4 kelas, yaitu keluarga AT90Sxx, keluarga

ATMega dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing

adalah kapasitas memori, peripheral dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan

instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir sama.

ATMega8535 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan

Atmel untuk keluarga AVR yang diproduksi secara masal pada tahun 2006.

Karena merupakan keluarga AVR, maka ATMega8535 juga menggunakan

arsitektur RISC. Secara singkat, ATMega8535 memiliki beberapa

kemampuan:

Page 7: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

1. Memiliki ADC (Pengubah analog-ke-digital) internal dengan ketelitian

10 bit sebanyak 8 saluran.

2. Memiliki Unit interupsi (internal & eksternal)

3. Memiliki PWM (Pulse Wide Modulation) internal sebanyak 4 saluran.

4. Portal komunikasi serial (USART) dengan kecepatan maksimal 2,5

Mbps.

5. Enam pilihan mode sleep, untuk menghemat penggunaan daya

listrik.

Secara garis besar, arsitektur mikrokontroler ATMEGA8535 terdiri dari :

32 saluran I/O (Port A, Port B, Port C, dan Port D)

10 bit 8 Channel ADC (Analog to Digital Converter)

4 channel PWM

6 Sleep Modes : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save,

Power-down, Standby and Extended Standby

3 buah timer/counter

Analog comparator

Watchdog timer dengan osilator internal

512 byte SRAM

512 byte EEPROM

8 kb Flash memory dengan kemampuan Read While Write

Unit interupsi (internal & eksternal)

Port antarmuka SPI8535 “memory map”

Port USART untuk komunikasi serial dengan kecepatan

maksimal 2,5Mbps

4.5 sampai 5.5V operation, 0 sampai 16MHz

Untuk melakukan pemrograman dalam mikrokontroler AVR, Atmel

telah menyediakan software khusus yang dapat diunduh dari website resmi

Atmel. Software tersebut adalah AVRStudio. Software ini menggunakan

bahasa assembly sebagai bahasa perantaranya. Selain AVRStudio, ada

beberapa software pihak ketiga yang dapat digunakan untuk membuat

program pada AVR. Software dari pihak ketiga ini menggunakan bahasa

Page 8: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

pemrograman tingkat tinggi seperti bahasa C, Java, atau Basic. Untuk

melakukan pemindahan dari komputer ke dalam chip, dapat digunakan

beberapa cara seperti menggunakan kabel JTAG atau menggunakan STNK

buatan Atmel.

3. Metode Penelitian

Gambar rangkaian alat ukur viskositas :

Gambar 2. Rangkaian alat ukur viskositas

Rancangan alat yang dibuat terdiri dari mikrokontroler ATMega8535

dan beberapa komponen elektronika lainnya (seperti pada tabel) dan

komponen mekanik seperti kelereng, tabung transparan, statif, timbangan

digital, wadah untuk mengukur massa fluida.

Page 9: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

Untuk lebih dari 1 kelereng dipilih massa dan volume kelereng yang

tetap yaitu m=0.006 kg, r kelereng= 0.785cm, V kelereng= 2.025x10-6m3,

jarak antara 2 LDR juga tetap yaitu 0.25 m. Untuk menimbang massa fluida

digunakan wadah yang tetap juga dengan massa wadah 0.002 kg dan

volume fluida yang diukur tetap yaitu sebesar 10 ml. Port ADC yang

digunakan 4 buah yaitu:

1. ADC0 (port A0) cermet untuk kalibrator viskositas.

2. ADC1 (port A1) Sistem LDR pencatat waktu.

3. ADC2 (port A2) LM35 pengukur suhu.

4. ADC3 (port A3) Potensiometer untuk input massa fluida.

Port D2 dan port B7 untuk interupt, port B6 untuk LED atas, dan port B5

untuk LED bawah.

Proses pengukuran dirancang sebagai berikut. Mula-mula tabung

diisi fluida dan sebagian ditimbang massanya pada wadah yang disediakan.

Setelah alat dinyalakan, LED atas dan bawah dihidupkan atau dimatikan

dengan cara tertentu untuk memperoleh batas tengah intensitas cahaya

yang diterima LDR. Intensitas cahaya yang diterima LDR dimasukkan ke

dalam port A1, yang kemudian akan dipakai untuk mengeluarkan status alat

(lihat gambar flowchart cek LDR).

Ketika kelereng menutupi LED atas, maka mikrokontroler akan

mengirimkan sinyal ke interup port D2 untuk menjalankan pencatat waktu.

Ketika kelereng menutupi LED bawah mikrokontroler akan mengirimkan

sinyal ke interup port D2 untuk menghentikan pencatat waktu. Dalam tahap

ini waktu tempuh kelereng akan tersimpan dalam memori mikrokontroler.

Namun waktu tempuh ini belum bersatuan detik, melainkan bilangan bulat

tertentu yang harus dikalikan dengan suatu konstanta untuk memperoleh

satuan detik. Parameter ini disebut timekal. Timekal dicari dengan

mengukur waktu buka-tutup LED dan membandingkan dengan nilai yang

disimpan oleh mikrokontroler, yaitu yang disebut COUNT. Jadi waktu yang

ditempuh adalah COUNT x timekal.

Untuk memasukkan rapat massa fluida ke dalam mikrokontroler

dilakukan cara sebagai berikut. Massa fluida ditimbang untuk volume 10 ml

(dalam wadah yang disediakan). Massa fluida diberikan oleh rumus

Page 10: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

002.0

255

3 ADCm f

Jadi massa fluida dimasukkan melalui port A3 dengan bantuan

potensiometer. Untuk ini diperlukan kalibrasi massa. Karena ADC3 dapat

bernilai 0 sampai 255 (yaitu dari tegangan 0 volt sampai Vcc) maka dipilih

nilai tengah, dalam hal ini dipilih ADC3=123 untuk massa 0.011 kg sehingga

diperoleh nilai β sebesar 0.0183.

Yang terakhir, untuk mengatur nilai ukur viskositas agar sesuai

dengan nilai acuan diperlukan faktor koreksi yaitu sebesar

255

0127 ADC

Dalam penelitian ini ε dipilih kecil yaitu sebesar 0.01, dan ADC0 diatur oleh

cermet yang dimasukkan pada port A0. Jadi persamaan (11) dikoreksi

menjadi

255

01271

ADCkk

Jadi viskositas dalam mikrokontroler adalah

timekalCOUNTV

ADCADCk fb

/002.0

255

3

255

01271

(12)

Satuannya adalah Pa.s, untuk mendapatkan nilai satuan dalam Poise harus

dikalikan lagi dengan 10. Untuk suhu LM35 menggunakan persamaan

TbaADC 2

Nilai a dan b diperoleh dari pengukuran 2 suhu yang berbeda. Dari hasil

kalibrasi diperoleh nilai a dan b, a=0.820513 b=16.15385.

4. Analisis Data

Hasil percobaan dengan menggunakan sampel oli mesran SAE40

dengan massa 11g/10ml pada suhu 27.6 0C diperoleh Nilai rata-rata

viskositas η = 4.22±0.15Poise(10 kali percobaan). Dari literatur didapatkan

nilai viskositas oli SAE 40 pada suhu 200C adalah 4.3 Poise. Seperti kita tahu

Page 11: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

semakin tinggi suhu, nilai viskositas akan berkurang, jadi nilai viskositas oli

SAE40 pada suhu 27.60C kurang dari 4.3 Poise.

Sedangkan pada suhu 40 0C massa menjadi 9g. Nilai viskositas oli

mesran SAE40 dari hasil percobaan adalah 1.719 ± 0.07 P. Dari data resmi

PERTAMINA, nilai viskositas oli Mesran SAE 40 pada suhu 400C adalah 1.159

P.

Dari sampel oli Mesran Super SAE 20W50, dengan massa 11 g/10ml

pada suhu 26.6 0C diperoleh nilai η= 4.3 P ± 0.1.sedangkan dari hasil

perhitungan manual nilai viskositas oli tersebut adalah 4.6 P. Dari

percobaan SAE 20W50 pada suho 400C dengan massa 10 g/ 10ml diperoleh

nilai η= 2.3±0.1 P. Dari perhitungan manual didapatkan nilai viskositas oli

tersebut adalah 2.1102 P.

Dari percobaan dengan sampel minyak goreng Bimoli dengan massa

11g pada suhu 27.6 0C diperoleh η = 1.41 ± 0.03 P. Dari perhitungan manual

didapatkan nilai viskositasnya adalah 1.52 P.

Dari data perbandingan hasil percobaan dengan data referensi

ataupun dari data perhitungan manual, maka didapatkan nilai ralatrata-

rata alat ukur viskositas ini adalah 6 %. Jadi ketepatan alat ukur viskositas

dengan sensor LDR dan mikrokontroler ATMega8535 ini mencapai 94%.

5. Kesimpulan dan Saran

Pembuatan alat ukur viskositas fluida metode bola jatuh dengan

menggunakan mikrokontroler ATMega 8535 dan sensor cahaya LDR dapat

membantu mengukur nilai viskositas fluida dengan ketepatan ukur

mencapai 94%. Sensor cahaya LDR bisa membantu otomatisasi

penghitungan waktu tempuh bola jatuh pada metode ini.

Kedepannya alat ukur viskositas ini dapat dikembangkan sehingga

dapat mengukur nilai viskositas semua fluida dengan ketelitian yang

tinggi. Selain itu perangkat untuk tabung bisa dibuat lebih baik, sehingga

tidak menimbulkan kesalahan pada saat mengukur.

Sistem LDR bisa dikembangkan lagi sehingga bisa lebih peka terhadap

perubahan intensitas cahaya, jadi alat ini bisa digunakan untuk mengukur

viskositas fluida yang berwarna gelap atau pekat. Penggunaan kelereng

Page 12: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

juga perlu diperhatikan, yaitu mengenai dimensi kelereng dan massa

jenisnya. Jadi kalau kita menggunakan banyak kelereng untuk

pengukuran, semua kelereng harus sama, baik ukuran fisik maupun massa

jenisnya. Penggunaan wadah untuk menimbang fluida bias diganti dengan

wadah yang memiliki nilai ralat volume yang kecil.

6. Referensi

1. http://id.wikipedia.org/wiki/Mikrokontroler,

2. http://www.forumsains.com/mikrokontroler-dan-

robotika/mikrokontroler-atmega8535/msg7241/#msg7241

3. http://duniaelektronika.blogspot.com/2007/09/mikrokontroler-

atmega8535.html

4. http://npx21.blog.uns.ac.id/2010/07/17/atmega8535/

5. Budianto, Anwar. “Metode Penentuan Koefisiensi Kekentalan Zat Cair

dengan menggunakan Regresi Linear Hukum Stokes”.Seminar

Nasional IV SDM Teknologi Nuklir Yogyakarta. Agustus 2008. ISSN

1978-0176.

6. Mujiman. “Simulasi Pengukuran Nilai Viskositas Oli Mesran SAE 10-40

Dengan penampil LCD”. Telkomnika Vol. 6, No. 1. April 2008 : 49-56

7. Heryanto, M.A. dan Ir. Wisnu Adi P. “Pemrograman Bahasa C untuk

Mikrokontroler ATMega8535”. Penerbit ANDI, Yogyakarta. 2008.

Page 13: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

Lampiran

1. Flowchart kerja alat

Page 14: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

2. Flowchart Cek LDR

1. LOW = max ( LDR1 h, LDR2 h) ;

HIGH = min ( LDR1 m, LDR2 m) ;

Level = eger

LOWHIGH

int2

Jika ( abs ( LOW – HIGH ) > 10 ) maka status Ok

Delay 100

LDR 1h = ADC1

Delay 100

LED 2= Off

Delay 100

LDR1m = ADC1

Delay 100

LED 2 OnLED 1 On

LED = On

LDR2m=ADC1

Delay 100

LDR2 h= ADC1

Delay 100

LED 1= Off

Delay 100

LED 1= On

Delay 100

Page 15: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

3. Tabel komponen elektenika

No Nama Komponen Jumlah

1 ATMega8535 1

2 LCD 1

3 LM35 1

4 LDR 2

5 LED Putih 2

6 Potensiometer 50KΩ 1

7 Cermet 50KΩ 1

8 Kapasitor 10μF 2

9 Kapasitor 22μF 6

10 Resistor 6

11 Aki 14

12 LED merah 1

13 Push Up button 1

Page 16: bergerak di dalam zat cair - Institutional Repositoryrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/629/2/T1_642005008_Full... · Suatu jenis cairan yang ... samping gaya berat dan gaya

4. Rangkaian Elektronika Pada ATMega8535

ATMega8535

LCD

Lm35

A0A1A2A3

C0-C7D2

B7

B6B5