## DESAIN SISTIM AUTOMATISASI POMPA PENGISI KONTAINER BERDASARKAN ZONA LINEAR KURVA R(T) SENSOR PTC
Beny Agustirandi 1 , Lazuardi Umar 1*
1 Program Studi S1 Fisika FMIPA Universitas Riau, Jl. Prof. Muchtar Lutfhi Pekanbaru, 28293, Indonesia
* e-mail: lazuardi@unri.ac.id

## ABSTRAK
Sensor Positive Temperature Coefficient (PTC) merupakan perangkat elektronika yang memiliki kepekaan terhadap perubahan suhu dimana resistansi naik ketika suhu lingkungan meningkat, Proses ini mengakibatkan arus yang melewati termistor akan semakin kecil. Berdasarkan hal tersebut maka sistem automatisasi pompa serta deteksi suhu dibuat menggunakan data perubahan resistansi dari termistor PTC melalui pengukuran nilai arus dan tegangan. Proses automatisasi dan deteksi suhu dilakukan dengan sensor PTC sebagai detektor yang memberikan sinyal input menuju sensor INA-219 dan diolah oleh mikrokontroler Arduino UNO. Perangkat automatisasi dibuat dengan menghubungkan tegangan konstan 12V pada sensor PTC dan tercatat nilai resistansi PTC sebesar 480,71 Ω (pompa ON) pada medium udara dan medium air sebesar 102, 86 Ω (pompa OFF), dengan tingkat akurasi mencapai 80%. Sistem deteksi suhu dilakukan pada tegangan 0V agar suhu fluida yang diukur sensor murni suhu medium tanpa pengaruh pemanasan sensor akibat pemberian tegangan. Kurva R(T) yang dihasilkan dilinearisasi sehingga mendapatkan persamaan linear sebagai dasar konversi resistansi menjadi suhu dengan gradien sebesar -1,01, offset 202,21 dan standar deviasi 10,8. Data yang dihasilkan diprogram dan disimpan pada histori mikrokontroler sebagai automatisasi on-off pompa dan deteksi suhu fluida pengisi kontainer secara simultan.
Kata Kunci: Termistor; PTC; Automatisasi; INA-219; Mikrokontroler

## ABSTRACT
[Title: Design of Automatic Pump System for Container Based on Linear Zone of R-T Curve PTC Sensor] Sinabung Positive Temperature Coefficient (PTC) sensor is an electronic device that has sensitivity to temperature changes which has the characteristic of increasing resistance when the ambient temperature increases. This process causes the current through the thermistor to be smaller. Based on this, the pump automation system and temperature detection are made using resistance change data from PTC thermistors through measuring current and voltage values. The process of automation and temperature detection is carried out with a PTC sensor as a detector that provides an input signal to the INA-219 sensor and is processed by the Arduino UNO microcontroller. The automation device is made by connecting a 12V constant voltage to the PTC sensor and the PTC resistance value is recorded at 480.71 (pump ON) in air and 102.86 (pump OFF), with an accuracy rate of 80%. The temperature detection system is carried out at a voltage of 0V so that the fluid temperature measured by the sensor is pure medium temperature without the influence of heating the sensor due to the application of voltage. The resulting R(T) curve is linearized to obtain a linear equation as the basis for converting resistance to temperature with a gradient of -1.01, offset of 202.21 and standard deviation of 10.8. The resulting data was programmed and stored in the history of the microcontroller for simultaneous automation and temperature detection.
Keywords: Thermistor; PTC; Automation; INA-219; Microcontroller

## PENDAHULUAN
Sistem  teknologi  yang  sederhana,  murah, serta  mudah  untuk  diaplikasikan  sangat  diperlukan pada  era  modern  ini.  Salah  satu  nya  proses automatisasi  pompa  sentrifugal  saat  pengisian  fluida ( level sensor ) dan deteksi suhu (Kodong, 2012). Proses pengisian  fluida  menggunakan  pompa  jenis sentrifugal serta didukung sistem automatisasi on/off biasanya  menggunakan  sensor  kapasitif,  ultrasonik,
fiber optik dll, yang merupakan metode pengukuran kontinu  (McCulloch  et  al.,  2012;Wang  et  al., 2016;Varun  et  al.,  2018).  Metode  kontinu  ini memiliki  tingkat  akurasi  dan  presisi  yang  tinggi karena  didukung  dengan  sistem  elektronik  yang kompleks. Namun pembuatan sistem membutuhkan biaya yang relatif mahal, pengoperasian yang rumit, serta terjadi anomali pengukuran ketika sistem berada
pada fluida yang panas. (Wang et al., 2018;Heywood & Tily, 2004).
Berbagai penelitian dilakukan untuk mengatasi kelemahan sistem kontinu yaitu pengukuran dengan metode  diskrit  seperti  menggunakan level  switch sensor dan magnetik reed switch. Metode diskrit yang digunakan  berdasarkan level  switch dapat mengoperasikan  sistem on/off dengan  baik  namun, sistem  ini  tidak  mampu  mendeteksi  perubahan parameter  fisis  seperti  perubahan  suhu  yang  terjadi dalam fluida (Rudd et al., 2009;Fraser et al., 1998) . Oleh  karena  itu,  pada  penelitian  ini  dibuat  suatu prototype automatisasi  menggunakan  metode  diskrit berdasarkan  sensor positive  temperature  coefficient (PTC) sebagai saklar untuk investigasi sistem on/off pompa pengisian fluida dan deteksi suhu.
Sensor PTC merupakan komponen elektronika  yang  memiliki  kepekaan  terhadap perubahan  suhu.  PTC  merupakan  jenis  termistor (termal  resistor)  dimana  ketika  terjadi  perubahan suhu  maka  resistansi  akan  berubah  seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Kurva R(T) sensor PTC
Sensor PTC memiliki kurva linear (NTC) ketika suhu sensor  belum  mencapai  titik  Curie  (T C ).  Penelitian ini akan memanfaatkan daerah linear dari sensor PTC sebagai  deteksi  suhu  dalam  mode  sensor non-self heating .
Penelitian  mengenai  sensor  PTC  pernah dilakukan  oleh  Jack  et  al  (2016)  yang  menyatakan bahwa pada saat sensor PTC diberikan tegangan maka sensor  akan  mengalami  pemanasan  sendiri  ( self heating )  yang  menyebabkan  resistansi  sensor meningkat secara siginifikan.
Sensor PTC memiliki sifat yang peka terhadap suhu serta memiliki ketahanan terhadap suhu tinggi sehingga  tidak  terjadi  anomali  pengukuran  ketika sensor berada dalam fluida panas (Horn, 2002;Umar, 2010).  Penelitian  ini  memanfaatkan  sifat  PTC  yang
tahan  terhadap  panas  sehingga  sistem  automatisasi pompa saat pengisian fluida dapat di aplikasikan pada bidang industri yang menyimpan fluida panas dalam tangki (kontainer).
Berdasarkan  sifat  PTC  yang  peka  terhadap suhu  maka  pembuatan  sistem  deteksi  suhu  dapat  di integrasikan kedalam sistem automatisasi pompa yang dilakukan secara simultan dengan mengkarakterisasi kurva yang dihasilkan saat pengukuran sensor PTC

## METODE
Pembuatan prototype sistem  automatisasi pompa  pengisian  fluida  dilakukan  dengan mengetahui  karakteristik  parameter  elektris sensor PTC ketika berada pada fluida udara dan fluida  cair.  Proses  karakterisasi  membutuhkan beberapa  perangkat  berupa  mikrokontroler, sensor arus-tegangan INA 219 dan sensor PTC. Mikrokontroler merupakan sebuah piranti pembentuk  sistem  komputer  yang  dikemas dalam  sebuah chip .  Sistem  komputer mikrokontroler  terdiri  dari processor ,  memori, input dan output . Mikrokontroler adalah alat yang bertugas menjalankan instruksi untuk mengendalikan peralatan (Louis, 2016).

## +
(a) (b)
Gambar 2. (a) Mikrokontroler Arduino Uno R3 ATMega 328 dan (b) modul Sensor INA219 Modul  sensor  INA-219  (Ada,  2019) merupakan  sebuah hardware yang  digunakan untuk  memonitoring  tegangan  dan  arus  suatu sirkuit elektronika yang dialiri dengan listrik DC kemudian  diperkuat  menggunakan amplifier . Modul ini dilengkapi dengan sistem interface I2C ( inter integrated circuit ) yaitu suatu protokol yang digunakan  dalam  serial  komunikasi  antar mikrokontroler.  Karakter  utama interface I2C yaitu  memiliki  serial  bus  sebagai  pengirim  data per-bit,  pengantar  sinyak  clock  (SCL),  sistem transaksi  data  (SDA),  input,  serta  ground  yang dipakai  bersama  dalam  koneksi  SCL  dan  SDA.
Tegangan dan arus I/O pada Arduino dan sensor INA-219 ditunjukkan pada Tabel 1 berikut.
Tabel 1. Input dan output Arduino UNO R3
dan modul sensor INA-219
Parameter Arduino INA-219 Vin (V) 7-12 0.32 Vout (V) 3.5-5 0-26 I (A) 0.2 3.2
Modul  INA-219  pada  Gambar  2.  terdiri dari pin I/O data, clock, IN+, IN-, ground dan suplai  tegangan.  Pin  IN+  dan  IN-  merupakan input positif dan negatif dari tegangan shunt yang terhubung  pada  tahanan shunt dan  ground.  Pin SCL  dan  SDA  merupakan  serial  bus  clock  dan serial  bus  data  serta  tegangan  suplai  untuk mengaktifkan INA-219.
Sensor PTC ( positive temperature coefficient ) adalah  jenis  termistor  positif  dengan  sifat resistansi  nya  sebanding  dengan  kenaikan  suhu (Jack et al., 2016;Siren, 2001).
(a) (b)
Gambar 3. (a) Elektroda PTC LS-300 Fafnir dan (b) PTC Epcos
Sensor PTC LS-300 Fafnir seperti pada Gambar 3  (Fafnir,  2019)  memiliki  dimensi  panjang elektroda  59  cm  yang  bisa  diaplikasikan  pada sistem  industri.  Bentuk  sensor  PTC  pada elektroda  berada  pada  bagian  bawah  dengan dimensi  2,4  cm  yang  ditutup  menggunakan selubung  berdimensi  6  cm  Sensor  ini  mampu menerima arus maksimum 200 mA dan tegangan maksimum  30  V  serta  memiliki  rentang  suhu optimal -25 o C sampai 50 o C. Sistem  pengukuran  pada  penelitian  ini terdiri  dari  3  blok  utama  yaitu  input mempergunakan  sensor  PTC  dan  INA-219, processing menggunakan mikrokontroler arduino uno  R3,  dan output berupa  display  data    arus- tegangan yang terukur secara realtime .
Gambar 4. Diagram blok prototype Pengukuran  parameter  elektris  berupa arus dan tegangan di rangkai melalui power supply yang  melewati  PTC  dan  resistansi shunt .  Nilai yang  didapat  dari  pengukuran  akan  diolah menggunakan  Sigma  Plot  membentuk  kurva arus-tegangan  I(V).  Pada  penelitian  ini  fluida yang  digunakan  sebagai  sampel  yaitu  udara  dan air.  Pengukuran  dilakukan  dengan  meletakkan sensor  PTC  dan  fluida  kedalam  ruang  adiabatis agar  tidak  terjadi  pengaruh  antara  suhu lingkungan terhadap sistem pengukuran. Sistem  ini  menggunakan  sensor  INA-219 untuk  membaca  nilai  tegangan  dan  arus  yang melewati resistansi shunt . Tegangan sumber yang masuk kedalam rangkaian PTC diatur mulai dari 0-25 V dengan kenaikan step sebesar 1 V. Nilai arus  dan  tegangan  PTC  diperoleh  berdasarkan pengurangan  tegangan supply dengan  tegangan shunt seperti pada persamaan (1) berikut.
Vr Vs
Vptc = (1)
Dimana Vptc merupakan tegangan PTC, Vs adalah tegangan  sumber.  Dan Vr tegangan  pada hambatan shunt. Berdasarkan  Gambar  4.  prinsip kerja instrumen ini adalah apabila sensor PTC berada pada fluida cair (air atau minyak) maka sensor INA- 219  akan  membaca  perubahan  nilai  arus,  tegangan serta resistansi yang dihasilkan sensor PTC, kemudian mikrokontroler  memerintahkan  relay on/off sesuai nilai  resistansi  yang  diukur  INA-219.  Kemudian sistem pengukuran sensor PTC sebagai detektor suhu dilakukan  terpisah  pada  saat  sensor  tidak  dialirkan tegangan.  Nilai  yang  didapat  akan  di  plot  menjadi kurva  R(T)  yang  kemudian  di  konversi  resistansi menjadi suhu.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian  ini  dilakukan  untuk  menentukan nilai resistansi PTC berdasarkan kurva arus-tegangan yang di dapat pada pengukuran fluida udara dan air. Gambar 5 merupakan bentuk kurva I(V) sensor PTC ketika dialirkan tegangan 0V – 25V.
Gambar 5 . Kurva arus-tegangan I(V) Gambar  5.  menunjukkan  terjadi  perubahan puncak  arus  ketika  berada  pada  medium  berbeda. Daerah ketika arus mulai naik hingga mencapai titik puncak  disebut  daerah  ohmik,  sedangkan  daerah ketika  arus  mulai  turun  dari  puncak  disebut  daerah eksponensial. Untuk memperoleh sistem automatisasi  berdasarkan  nilai  resistansi  PTC  maka Kurva I(V) Gambar 5. direkontruksi menjadi kurva R(V)  dengan  nilai  resistansi  R  sensor  PTC  didapat dari persamaan (2).
I Vptc R = (2)
Dimana  R  merupakan  resistansi  PTC  dan I adalah arus yang mengalir pada elektroda PTC. Nilai R  yang  di  dapat  dari  perhitungan  kemudian  diolah membentuk  kurva  resistansi  terhadap  tegangan seperti Gambar 6. berikut.
Gambar 6. Kurva resistansi-tegangan R(V) Gambar 6. menunjukkan bahwa pada kondisi daerah ohmik resistansi sensor udara dan air berimpit sehingga pada daerah ini proses automatisasi tidak bisa dirancang. Namun pada daerah eksponensial semakin besar  nilai  tegangan  maka  rentang  resistansi  PTC antara medium udara dan air semakin lebar sehingga dipilih  satu  titik  tegangan  sebagai  potensial  sumber dalam  proses  pembuatan  sistem  automatisasi. Tegangan yang paling efektif digunakan yaitu sebesar 12V  dimana  sumber  tegangan  12V  memiliki  nilai
resistansi yang masih relatif rendah pada medium air sehingga panas yang dihasilkan sensor relatif kecil dan tidak mempengaruhi suhu sistem fluida.
Nilai resistansi yang dihasilkan sensor PTC pada medium udara dan air ketika diberikan tegangan 12V berturut-turut sebesar 480,71 Ω dan 102,86 Ω Nilai  ini  akan  disimpan  di memory program  untuk mengatur  sistem  automatisasi  pompa  ON/OFF. Tingkat  akurasi  pendeteksian  berdasarkan  data resistansi  PTC  mencapai  80%.  Tabel  2  berikut memperlihatkan  skenario  automatisasi  pompa pengisian fluida.
Tabel 2. Skenario level sensor Vsumber (V) Status Pompa Resistansi PTC ( Ω ) Medium 12 ON 480,71 Udara OFF 102,86 Air
Proses  selanjutnya  yaitu  sistem  pendeteksi suhu  dengan  mengkonversi  nilai  tahanan  PTC menjadi  suhu  dalam o C  (derajat  Celsius).  proses pengukuran  dilakukan  pada  saat  sensor  tidak mengalami pemanasan sendiri (tanpa tegangan / 0V) dengan  sampel  air  yang  dipanaskan  mulai  dari  suhu 30 o C-60 o C.  Nilai  resistansi  yang  dihasilkan  dari perubahan  suhu  diukur  menggunakan  multimeter, kemudian nilai yang didapat diplot membentuk kurva R(T) seperti Gambar 7. berikut
Gambar 7. Kurva resistansi-suhu R(T) Gambar 7. menunjukkan kurva linear sensor PTC  ketika  suhu  medium  belum  mencapai  titik Curie, dimana dari hasil ini maka di dapat persamaan linear
b aT R + = (3)
Maka  suhu  fluida  dapat  dihitung  menggunakan persamaan (4).
a b R T = (4)
Berdasarkan  kurva  Gambar  7.  maka  diperoleh gradien  garis  (a)  sebesar  -1,01  dan  nilai offset (b)
sebesar  202,21  sehingga  nilai  suhu  (T)  dapat diketahui dengan persamaan (5) berikut
01 , 1 21 , 202 = R T (5)
pengukuran  ini  menghasilkan  nilai  standar  deviasi sebesar  10,8.  Persamaan  yang  diperoleh  akan disimpan  dalam  histori  program  mikrokontroler untuk  dioperasikan  secara realtime pada  saat  sensor berada  dalam  mode  deteksi  suhu,  dimana  proses automatisasi  dan  deteksi  suhu  berlangsung  simultan ketika sensor berada dalam keadaan immersed .

## KESIMPULAN DAN SARAN
Proses  penentuan on/off pompa  pengisi  fluida berdasarkan nilai resistansi PTC pada medium udara menghasilkan tingkat akurasi mencapai 80% dengan skenario  ketika  pembacaan  resistansi  sensor  102,86 Ω maka  pompa  ON  dan  ketika  pembacaan  nilai resistansi 480,71 Ω maka pompa OFF. Sistem diukur ketika sensor diberikan tegangan konstan 12V. Proses penentuan  suhu  berlangsung  ketika  sensor menyentuh  fluida  dan  tegangan  pada  sensor  0V menghasilkan kurva linear dengan gradien -1,01; nilai offset 202,21 dan standar deviasi pengukuran sebesar 10,8.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Tim  peneliti  mengucapkan  terima  kasih  kepada DRPM DIKTI yang telah mensupport penelitian ini dalam bentuk pemberian dana secara penuh.

## DAFTAR PUSTAKA
Ada,  Lady.  (2019). Adafruit  INA219  Current  Sensor Breakout  Why  the  High  Side .  https://cdn- learn.adafruit.com/downloads/pdf/adafruit- ina219-current-sensor-breakout.pdf
Esenowo Jack, K., Nwangwu, E. O., Agwu Etu, I., &  Osuagwu,  E.  U.  (2016).  A  Simple Thermistor Design for Industrial Temperature Measurement. IOSR Journal of Electrical and
Electronics Engineering, 11(05), 57–66 .
Fraser, G. D., Gutierrez, F. . D., & Lambert, A. R.
(1998). Method  And  Apparatus  For  Measuring Aliquid Levelusinga Liquid Level Gauge Having Reed Switches To Determine The Position Of A Magnetic Float . 19 . GmbH, F. (2019). LS 300 LS 500 . 207057 .
Heywood,  N.  I.,  &  Tily,  P.  J.  (2004).  Survey  and selection  of  techniques  for  slurry  level  and interface  measurement  in  storage  vessels.
Hydrotransport 16th International
Conference, 2(August), 527–544. Horn, M. (2002). sensor for reliable overfill protection of liquids . May, 21–23.
Kodong, F. R. (2012). Prototipe Sistem Monitoring Dan Evaluasi Operasi Pengeboran Migas ( Minyak Dan Gas ) . 2012(semnasIF), 93–97.
Louis, L. (2016). Working Principle of Arduino and Using  it  as  a  Tool  for  Study  and  Research. International Journal of Control, Automation, Communication and Systems, 1(2), 21–29.
Rudd,  J.  P.,  Pellegrini,  J.  M.,  &  Bonenfant,  B.  J.
(2009). Multi-Level Liquid Level Magnetic Sensor . 2(54), 306–308.
Siren, K. A. I. (2001). Thermistor .
Umar,  L.  (2010).  Smart  level  sensor  based  on thermal  resistance  measurement  with  self calibration. IEEE 2010 International
Conference  on  Autonomous  and  Intelligent Systems, AIS 2010. Varun, K. S., Kumar, K. A., Chowdary, V. R., & Raju,  C.  S.  K.  (2018).  Water  Level Management Using Ultrasonic Sensor(Automation).  International  Journal  of Computer  Sciences  and  Engineering,  6(6), 799–804.
Wang, S. W., Chen, C. C., Wu, C. M., & Huang, C. M. (2018). A continuous water-level sensor based  on  load  cell  and  floating  pipe. Proceedings  of  4th  IEEE  International Conference  on  Applied  System  Innovation 2018, ICASI 2018, November, 151–154.
Wang, Z., Tan, Z., Xing, R., Liang, L., Qi, Y., & Jian, S. (2016). Liquid level sensor based on fiber ring laser with single-mode-offset coreless-single-mode  fiber  structure. Optics and Laser Technology, 84, 59–63.