## RANCANG BANGUN THERMAL ANEMOMETER DENGAN KONTROL PROPOSIONAL INTEGRAL

## Muhamad Yusuf
Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Negeri Cilacap, Jawa Tengah yusuf@politeknikcilacap.ac.id

## ABSTRACT
Maintaining the stability of the air at the speed of pressurized pipe used for gas distribution lines are very unlikely to do  the  kind  of  windmill  anemometer,  cup  anemometer  and  other  tipes.  One  tipe  of  measuring  instruments  in accordance with these conditions is Thermal Anemometer. Thermal anemometer is a wind speed measuring devices that use temperature change, then converted to a change in wind speed with the help of the heater. This measure is widely used to measure the flow rate / pressure pa wind in the PI. Price of this measure is relatively very expensive. In  this  study,  the  configuration  between  the  temperature  sensor  LM  35  with  heater  elements  in  the  form  of  solder 40W to measure wind speed. Temperature sensor has a relatively slow response time mainly fall time. To overcome this  would  be  to  use  Proportional  Integral  Controller  so  that  the  resulting  response  time  is  faster.  LM35  sensor configuration with proportional and integral controller is capable of measuring a maximum wind speed of 6.9 m / s.
Keywords : Thermal anemometer, LM35 sensor, controller Proportional Integral

## INTISARI
Menjaga  kestabilan  kecepatan  udara  pada  pipa  bertekanan    yang  digunakan  untuk  jalur  distribusi  gas  sangat  tidak mungkin dilakukan dengan anemometer jenis windmill, cup anemometer dan jenis yang lain. Salah satu jenis alat ukur yang sesuai dengan kondisi tersebut adalah Thermal Anemometer. Thermal anemometer merupakan salah satu alat ukur kecepatan  angin  yang  menggunakan  perubahan  temperatur,  kemudian  dikonversi  menjadi  perubahan  kecepatan  angin dengan  bantuan  heater.  Alat  ukur  ini  banyak  digunakan  untuk  mengukur    kecepatan  aliran/angin  dalam  PI  pa bertekanan.  Harga  dari  alat  ukur  ini  relatif  sangat  mahal.  Dalam  penelitian  ini  dibuat  konfigurasi  antara  sensor temperatur  LM  35  dengan  heater  berupa  elemen  solder  40W  untuk  mengukur  kecepatan  angin.  Sensor  temperatur mempunyai time respon yang relatif lambat terutama fall time. Untuk mengatasi hal tersebut akan digunakan Kontroler Proposional  Integral  agar time  respon yang  dihasilkan  lebih  cepat.  Konfigurasi  sensor  LM35  dengan  kontroler proposional dan integral ini mampu mengukur kecepatan angin maksimal 6,9 m/s.
Kata kunci : Thermal anemometer, Sensor LM35, Kontroler Proposional Integral

## I. PENDAHULUAN
Kata  anemometer  berasal  dari  Yunani anemos, yang  berarti  angin.  Anemometer  ini pertama  kali  diperkenalkan  oleh Leon  Battista Alberti dari Italia pada tahun 1450. Anemometer  adalah  sebuah  perangkat  yang digunakan  untuk  mengukur  kecepatan  angin, merupakan  salah  satu  instrumen  yang  sering digunakan  oleh  balai  cuaca  seperti  Badan Metereologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG).  Secara  umum  ada  dua  jenis anemometer, yaitu anemometer yang mengukur kecepatan  angin  ( velocity  anemometer )  dan anemometer  yang  mengukur  tekanan  angin (anemometer tekanan). Dari kedua tipe anemometer    ini velocity anemometer lebih
banyak digunakan. Salah satu jenis dari velocity anemometer adalah thermal  anemometer lebih dikenal  dengan hot  wire  anemometer yaitu anemometer  yang  mengkonversi  perubahan suhu  menjadi  kecepatan  angin. Hot  wire anemometer menggunakan  kawat  yang  sangat kecil  dialiri  panas  hingga  suhu  di  atas temperatur Ambient .  Bila  ada  udara/angin  yang mengalir  melewati  kawat  maka  akan  terjadi efek  pendinginan  pada  kawat,  perubahan temperatur dari kawat sebagai indikasi perubahan dari kecepatan angin yang diukur.
Anemometer tipe thermal ini pernah dibuat menggunakan  dioda  seri  dipanaskan  oleh heater , sehingga terjadi  perubahan karakteristik tegangan dan arus. Aliran angin mengakibatkan proses  pendinginan,  sehingga  tegangan  dioda
kembali  naik  maka  diperoleh  hubungan kecepatan angin dan tegangan dioda. Anemometer  yang  pernah  dibuat  ini  memiliki beberapa kekurangan yaitu setelah beberapa kali pemakaian,  dioda  harus  diganti  karena  mudah rusak, dioda yang dipakai adalah diode rectifier , bukan  dioda  untuk  pengukur  suhu.  Batas  ukur maksimal  adalah  6  m/s.  Anemometer  yang dibuat juga tidak memperhatikan pengaruh suhu angin    termasuk  tipe  Constant  Temperature Anemometry/CTA  (Yoshihito  Shimada,  2003 dan Arif Harianto, 2005)
Dari berbagai kekurangan diatas maka pada penelitian ini  akan dibuat   thermal  anemometer menggunakan  dua  buah  sensor  suhu  LM35. Konfigurasi baru yang dibuat menggunakan dua sensor suhu LM35 dan heater untuk mendapatkan  sensor velocity yang  handal  dan memenuhi/meningkatkan  batas  ukur  sensor, linearity  dan time  respon sistem  dengan menerapkan  kontroler  Proposional  Integral. Makalah  ini  terdiri  atas  beberapa  bagian  pada bagian  pertama  atau  pendahuluan  akan  dibahas permasalahan  yang  ingin  diatasi,  kemudian bagian  kedua  metode  yang  digunakan  untuk mengatasi  masalah  tersebut,  sedangkan  bagian ketiga  adalah  hasil  yang  telah  diperoleh  dan bagian  keempat  adalah  kesimpulan  dari penelitian yang telah dilakukan.

## II. PERANCANGAN SISTEM
Pada  bagian  perancangan  sistem  ini terdapat dua bagian yaitu perancangan hardware dan perancangan software .

## A. Perancangan Hardware
Sebelum  membuat  sistem  ini,  dilakukan perancangan  sistem  terlebih  dahulu.  sistem secara keseluruhan berdasarkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram Blok Sistem
Input  dari  sistem  ini  berupa  kecepatan angin.  Kecepatan  angin  kemudian  dikonversi menjadi  perubahan  suhu  pada  sensor  suhu LM35. Kontroler Proposional Integral digunakan untuk mempercepat time respon pada saat proses pengukuran. Konfigurasi dari sensor untuk pengukuran kecepatan angin seperti pada Gambar 2.

## Gambar 2. Konfigurasi Sensor Suhu
Sensor  suhu  yang  digunakan  adalah berbentu  ic  dengan  tipe  LM35.  Keluaran  dari sensor  suhu  ini  sudah  dalam  bentuk  tegangan dan  mempunyai  linieritas  yang  baik. Heater yang  digunakan  adalah  solder  40  Watt  karena menghasilkan  suhu  yang  relatif  stabil.  Sensor suhu  yang  pertama  didekatkan  dengan  solder dengan  jarak  ±0,5  cm.  Diharapkan  suhu  yang dibaca oleh sensor suhu yang pertama stabil jika tidak  ada  angin  yang  berhembus.  Sedangkan sensor  suhu  yang  kedua  diletakkan  agak  jauh dari sensor suhu  yang pertama agar panas  yang dihasilkan  dari  solder  tidak  mempengaruhi/ terbaca oleh sensor suhu yang kedua.
Hardware pendukung  lainnya  adalah penguat  dan  kompensator  karena  keluaran  dari sensor  temperatur  ini  sangat  kecil,  maka  perlu dilakukan  penguatan  sinyal.  Komponen  utama dari  rangkaian  ini  adalah  Op-Amp  yang difungsikan sebagai penguat differensial. Kedua input dari Op-Amp digunakan secara bersamaan. Gambar  rangkaian  tersebut  seperti  Gambar  3. Rangkaian  ini  menguatkan  perbedaan  tegangan antara  V 1 dan  V 2 tegangan  input  dari  Op-Amp ini  adalah  V in =  V 2 -V 1 .  Pada  VR2  digunakan untuk  menyeimbangkan  penguatan  antara input inverting dan input non-inverting ,  jika  kedua tegangan  input  sama  maka  Vout  harus menunjukkan  “0  V”.  Apabila  ini  tidak  terjadi maka  VR2  harus  diatur  supaya  Vout  sama dengan  “0V”.  Agar  dapat  berfungsi  sebagai differensial amplifier maka nilai R 9 =R 11.
R 10 = R 12 + VR 1
(1)
[1]. Tegangan keluran rangkaian saat tidak ada angin  yang  berhembus  pada  temperatur lingkungan adalah 27 0 C ) ( * 2 1 9 10 V V R R V out    (2)
) 23 , 4 23 , 4 ( * 7 , 4 7 , 4
V V k k V out      V V out 0  4,7 KΩ 4,7 KΩ +Vcc + - 3 2 7 4 6 CA 3140 - Vcc 4,7 KΩ 1 KΩ 5 KΩ Ke ADC μC Dari Penguat Dari Adjusment mechanism Input R9 R10 R12 R11 VR2 V1 V2
Gambar 3. Rangkaian Pengkondisian Sinyal
[2]. Tegangan  keluran  dari  rangkaian  saat  ada angin  yang  berhembus  dan  menyebabkan tegangan  V 1 menjadi  turun,  sehingga temperatur sensor suhu menunjukkan 27 0 C dan  menghasilkan  tegangan  sebesar  1,27V temperatur lingkungan adalah 27 0 C ) 27 , 1 23 , 4 ( * 7 , 4 7 , 4 V V k k V out     (3) V V out 96 , 2 

## B. Perancangan Software Kontroler PI
Kontroler yang digunakan dalam sistem ini adalah  kontroler  proposional  integral  untuk mempercepat time  respon sistem,  sehingga block  diagram  dari  controller  berada  didepan plant.  Secara  umum    block  diagram  sistem kontrol ini dapat dilihat pada Gambar 4.

## Gambar 4. Blok Diagram Kontrol Sistem
Dimana : G p = Plant G c = kontroler
Pada  perancangan  perangkat  lunak  metode yang  digunakan  adalah  memodelkan  sistem
menggunakan fungsi alih. Fungsi alih digunakan untuk menentukan hubungan masukan  dan  keluaran  dari  sistem  yang  dapat digambarkan dengan persamaan linear terhadap waktu.  Fungsi  Alih  persamaan  linear, time invariant suatu  sistem  didefinisikan  sebagai perbandingan  antara  transformasi  Laplace keluaran (fungsi tanggapan) terhadap transformasi  Laplace  masukan  (fungsi  penentu) dan anggapan semua syarat awal adalah nol.
| .. ... ) ( ) ( ) ( nol awal keadaan masukan Keluaran s G    n n n n m m m m a s a s a s a b s b s b s b s X s Y               1 1 1 0 1 1 1 0 .... .... ) ( ) (
Fungsi  alih  dapat  dinyatakan  sistem dinamik dengan persamaan aljabar. jika pangkat tertinggi dari s dalam penyebut fungsi alih sama dengan n , maka disebut sistem orde ke-n. Grafik output fungsi waktu pada sistem ini ditunjukkan pada  Gambar  5.  Dari  grafik  tersebut  dapat diketahui  bahwa  sistem  tersebut  adalah  orde satu.  Fungsi  alih  dari  sistem  orde  satu  adalah sebagai berikut.
1   s K Gp  (4)
Parameter  K  adalah  perbandingan  antara input dan output pada  sebuah plant .  Input  dari plant  adalah  kecepatan  angin  yang  dihasilkan oleh  kipas.  Berdasarkan  pengujian  bahwa kecepatan  maksimum  dari  sumber  angin  setara dengan  tegangan  2,67  V  yang  terbaca  pada ADC,  ini  merupakan  vin  pada  yang  diberikan plant.  Vout  adalah  tegangan  yang  diberikan pada  saat  pengujian time  respon dari  plant seperti pada Gambar 5.
1 99 , 0 67 . 2 65 . 2     K V V Vin Vout K
(5)
Oleh  karena  itu  K  bisa  dibulatkan  menjadi angka satu. Langkah berikutnya adalah menentukan  nilai  dari  τ.  Nilai  ini  dapat diketahui dari grafik time respon dari plant pada Gambar  5.  Kondisi  tersebut  diambil  pada  saat
kecepatan  angin  maksimum  atau  setara  dengan 6,90 m/s.
% 28 , 63   dari kondisi steady state
1 20 1   s Gp Gambar 5. Time Respon S istem
Berdasarkan diagram blok parameter untuk Gc  belum  diketahui.  Kontroler  dapat  didesain sesuai  dengan  plant  atau  fungsi  alih  yang  telah ditentukan.  Agar time  respon dari  sistem  lebih cepat dengan cara menambahkan PI  controller .
Fungsi  alih  di  atas  bila  disimulasikan  dengan Matlab hasilnya seperti Gambar 5 dengan input unit step .
Model dari Plant adalah Gp=
1 20 1  s
Gambar 6. Model Diagram Kontroler PI pada Matlab
Untuk  menentukan  parameter  kontroler  PI dengan  menggunakan  metode direct  sintesis, dimana time  respon yang  ingin  dihasilkan ditentukan  terlebih  dahulu,  kemudian  dicari nilai  konstanta proposional dan integral dengan menggunakan  persamaan  fungsi  alih  sisterm orde satu. Melalui metode ini didapat nilai Kp - 20/19 dan Ki 1/20.
                                               s Ki s Kp s Ki s Kp s s Ki Kp s Ki Kp s Gc Gc Gp 1 . 1 20 1 1 1 1 . 1 20 1 1 . =                               s Ki s Ki Kp s Ki s Ki Kp s 1 . 1 1 . . 1 20 1 jika Ki=1/20, maka : 1 20 20 1 1 20 20 1 1 20 20 1 20                     Kp s s Kp s s s Kp s Kp Model yang diinginkan : Gm= 1 1  s Maka : 1 20 20   Kp Kp= 19 20 

## III. HASIL DAN ANALISA
Pada  penelitian  ini  terdapat  dua  hasil pengujian  yaitu  pengujian  perangkat  keras  dan pengujian perangkat lunak.

## A. Pengujian Perangkat Keras
Untuk  yang  pertama  pengujian  perangkat keras  meliputi  pengujian  konfigurasi  sensor temperatur  LM35  dengan  elemen  pemanas. Pengujian  ini  dilakukan  untuk  menentukan besarnya rise  time dan fall  time pada  sensor temperatur  LM  35  dengan heater .  Konfigurasi sensor  temperatur  dengan  elemen  pemanas dapat dilihat pada Gambar 7.
-0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 0 20 40 60 80 100 Vout (Volt) t (s) Respon time plant
rise time
fall time
Sensor  ini  mempunyai  karakteristik output naik  10  mV  setiap  kenaikan  suhu  1°C.  Namun terdapat  sedikit error yang  disebabkan  oleh ketidaktepatan pembacaan output sensor tersebut dengan pembacaan termometer pembanding.  Sensor  ini  mempunyai rise  time sebeasar  ±50  detik  dan fall  time sebesar  ±150 detik.
Gambar 8. Respon Sensor Suhu
Besarnya  nilai fall  time terjadi  pada  saat pemanasan/suhu heater naik.  Kondisi  ini  jika pada  velocity  sensor  terjadi  saat  penurunan besarnya  kecepatan  angin.  Dengan  kondisi fall time yang  lama  menyebabkan  transisi  untuk pengukuran  kecepatan  angin  yang  berbeda membutuhkan waktu agak lama.

## B. Pengujian Perangkat Lunak
Pengujian  perangkat  lunak  ini  digunakan untuk  menentukan  respon  kontroler  PI    untuk memperbaiki time  respon .  Dari  grafik  terlihat jelas perbedaan respon sistem yang menggunakan  kontroler    yaitu    Kontroler  PI dan sistem yang tanpa kontroler atau open loop . Time respon kontroler PI lebih cepat dibandingkan  dengan  tanpa  menggunakan kontroler.  Ini  terlihat pada saat  waktu sampling (t)  di  atas  10  detik  kontroler  PI    sudah  dapat menunjukkan  hasil pengukuran walaupun hasilnya kurang presisi, tetapi  sudah mendekati hasil  yang  terukur  nantinya.  Pada  kontrol open loop hasil  pengukuran  baru  dapat  diketahui pada  saat  waktu sampling (t)  di  atas  nilai  40 detik.
Gambar 9. Respon PI  Controller
Ini  jelas  lebih  lama  dari  keluaran PI Controller .  Pada  hasil  kontroler  PI  sedikit berosilasi saat akan mencapai nilai yang terukur. Ini  terjadi  karena  input  dari  kontroler  PI    juga berubah-ubah.  Kontroler  PI    pada  sistem  ini tidak terdapat set point karena sistem ini adalah sistem  pengukuran  ini  juga  yang  menyebabkan output dari kontroler PI berosilasi. Kontroler PI pada sistem ini difungsikan untuk mempercepat time respon dari hasi pengukuran.

## IV. KESIMPULAN
Dari seluruh tahapan yang sudah dilaksanakan  pada  penelitian  ini,  mulai  dari study  literatur,  perancangan  dan  pembuatan sampai pada pengujiannya maka dapat disimpulkan bahwa:
1. Sensor  LM35  dapat  berfungsi  sebagai velocity  sensor  untuk  mengukur  kecepatan angin  dengan  linearitas  yang  baik  dan dapat  meningkatkan  batas  ukur  sampai 6,90  m/s,  tetapi    memiliki rise  time (50 detik)  dan fall  time (140  detik)    yang lambat.
2. Time  respon hasil  pengukuran  dapat ditingkatkan dengan menggunakan
kontroler  PI  hasilnya  mendekati  hasil pengukuran yang sebenarnya.

## REFERENSI
[1]. Astrom K. J., 1993. ”Teory An Applications of Adaptive Control “.
[2]. Bejo  A.,  2008.  “ Bahasa C  &  AVR  : Rahasia  Kemudahan  Bahasa  C  dalam
rise time dan fall time sensor suhu -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 50 100 150 200 250 300 350 t (s) v (m /s) (2.00) - 2.00 4.00 6.00 8.00 0 20 40 60 80 Ke cepatan (m /s) t (s) Kecepatan 6,93m/s tanpa controller dengan PI controller Time respon Sensor Suhu
Mikrokontroller  ATMega  8535 ”.  Graha
Ilmu, Yogyakarta.
[3]. Harianto  A.,  2005.  ” Aplikasi  Diode Sebagai Sensor pada Alat Ukur Kecepatan Angin  Type  Thermal ,  Tugas  akhir  Jurusan
Elektronika, PENS-ITS.
[4]. Anas Y.P.A.,
2009. ” Pengendalian Kecepatan Motor Dc Menggunakan Kontrol PI pada  Peralatan  Pembersih
Kacang  Hijau ’.  Tugas  akhir  Jurusan Elektronika Industri , PENS-ITS.
[5]. Ogata  Katsuhiko  ,  1994.  ” Teknik  Kontrol Automatik “, Erlangga, Jakarta.
[6]. Paul  Malvino  A.,  2004.  ” Prinsip-Prinsip Elektronika , Erlangga, Bandung.
[7]. Shimada  Y.,  2003. ”Design  Of  Air Flowmeter Using Thermal Diode ”,
Transistor Technique Magazine, May 2003.