ISSN(p): 2338-8323  | ISSN(e): 2459-9638
Sistem Verifikasi Medan Magnet untuk Sumber Magnet Kumparan Sejajar
PRIYO WIBOWO 1 , PRAYOGA BAKTI 2 , IHSAN SUPONO 3
1,3 Badan Riset dan Inovasi Nasional, Indonesia 1,2,3 Teknik Industri, Universitas Pamulang, Indonesia Email: priyotenan@gmail.com
Received 12 November 2021 | Revised 8 Desember 2021 | Accepted 1 Januari 2022

## ABSTRAK
Berbagai  penelitian  telah  dilakukan  untuk  meningkatkan  lebar  keseragaman medan magnet dengan menyusun beberapa kumparan untuk diaplikasikan pada berbagai  bidang.  Namun,  pembuatannya  tidaklah  sederhana  dan  perlu  dikaji validitas besar medan yang dihasilkan secara teoritis dan praktis. Tujuan penelitian adalah  merancang  sistem  verifikasi  medan  magnet  untuk  sumber  magnet kumparan sejajar. Metode yang digunakan adalah merancang sistem yang terdiri dari  sensor  medan  magnet,  pengendali  posisi,  dan  pengolah  data.  Uji  akurasi pengendali  posisi,  linieritas  rangkaian  sensor,  dan  akurasi  pengukuran  medan magnet dilakukan untuk mengetahui kinerja sistem. Hasil pengujian menunjukan pengendali  posisi  memiliki  akurasi  99,99%  -  100%.  Rangkaian  sensor  memiliki linieritas tinggi dengan nilai R 2 = 0,9995. Nilai rata-rata akurasi pengukuran medan magnet Helmholtz mencapai 99,943% sedangkan medan magnet tiga kumparan mencapai  99,483%.  Hasil  pengujian  menunjukan  sistem  dapat  digunakan memverifikasi sumber magnet kumparan sejajar.
Kata kunci : medan magnet, verifikasi, pengendali posisi, uji akurasi, kumparan sejajar

## ABSTRACT
Studies have been carried out to increase the width of the magnetic field uniformity by  arranging  several  coils  that  are  applied  in  the  various  field.  However,  its construction is complex and the validity of its magnetic fields quantity is necessary to study theoretically and practically. The purpose of this research is to design a magnetic field verification system for a parallel coil magnet source. The method used is to design a system consisting of a magnetic field sensor, position controller, and data processor. Tests of position control accuracy, sensor circuit linearity, and magnetic  field  measurement  accuracy  were  carried  out  to  determine  system performance. The test results show that the position controller has an accuracy of 99.99% - 100%. The sensor circuit has high linearity of R 2 = 0.9995. The average value of the Helmholtz magnetic field measurement accuracy reaches 99.943%, while that of the three-coil magnetic field reaches 99.483%. The test results show the system can be used to verify the magnet source formed by parallel coil.
Keywords : magnetic field, verification, position control, accuracy test, parallel coil

## 1. PENDAHULUAN
Seiring  perkembangan  teknologi,  medan  elektromagnetik  memegang  peran  penting  dalam berbagai peralatan modern baik di bidang medis, tranpostrasi, industri, rumah tangga hingga militer. Pada bidang medis, medan magnet dimanfaatkan dalam peralatan diagnosis, preventif maupun  terapi  penyakit (Lai & Singh, 2010) (Sliker, dkk, 2015) .  Pemanfaatan  medan magnet menjadi populer sebab menawarkan berbagai keunggulan seperti non ionizing, non contact,  flexibility,  murah,  dan  sederhana.  Magnetic  Resonance  Imaging  (MRI)  dan magnetocardiography memanfaatkan  medan  magnet untuk  menghasilkan  citra  2D maupun 3D  untuk  diagnosis  kondisi  tubuh  pasien.  Beberapa  tahun  terakhir  telah  dikembangkan magnetic induction tomography sebagai alternatif lain metode diagnostik pada bidang medis maupun industri (Klein, dkk, 2020) (Klein & Rueter, 2017) (Wei & Soleimani, 2013) . Medan magnet juga dewasa ini terus dikembagkan untuk digunakan dalam terapi berbagai penyakit.  Medan magnet frekuensi rendah sangat berpotensi dalam terapi kanker dan malaria (Lai  &  Singh,  2010) .  Selain  itu,  medan  magnet  juga  dapat  dimanfaatkan  dalam  terapi peyakit neurodegeneratif (Riancho, dkk, 2021) , terapi penyakit Alzheimer (Akbarnejad, dkk, 2018) dan stroke.
Pada bidang transportasi, medan magnet berkembang pesat sebagai sistem pendorong pada bidang transportasi masal seperti kereta rel listrik, kendaraan listrik sampai dengan pelontar pesawat tempur pada kapal induk. Selain sebagai sistem penggerak, kumparan magnet juga digunakan  sebagai  sensor  kendaraan  pada  sistem  transportasi  pintar  ( Intelligent Transportation Systems) (Belenguer, dkk, 2018) (Belenguer, dkk, 2019) (Lamas-Seco, dkk,  2015) .  Pada  bidang  pertanian,  sumber  medan  magnetik  banyak  diteliti  dan dikembangkan untuk meningkatkan laju perkecambahan, pertumbuhan, dan perkembangan berbagai tanaman pangan (De Souza A., dkk, 2014) (Maffei, 2014) .
Perkembangan  aplikasi  medan  magnet  yang  pesat  dan  bervariatif  di  berbagai  bidang  juga diikuti dengan penelitian dan pengembangan berbagai jenis sumber magnet. Sumber medan magnet  yang  digunakan  umumnya  berasal  dari  kumparan  kawat  berisolator  yang  dapat dikontrol besar medan yang dihasilkan dengan mengontrol arus yang mengalir. Keseragaman medan yang dihasilkan sumber sangat penting karena berpengaruh pada validitas hasil dan efektivitas  sistem.  Kumparan  Helmholtz  yang  dibentuk  dari  dua  kumparan  identik  disusun sejajar  dikenal  sebagai  sumber  magnet  seragam.  Meskipun  mampu  menghasilkan  medan magnet  seragam,    kumparan  ini  memiliki  beberapa  kelemahan.  Keseragaman  medan  yang dihasilkan  kumparan  Helmholtz  sangat terbatas  dan  volume  medan  magnet  yang  seragam pada  kumparan Helmholtz  sangat kecil dibandingkan dengan ukuran susunan kumparan itu sendiri (Petković & Radić, 2015) .
Berbagai  penelitian  dilakukan  untuk  memperlebar  keseragaman  medan  magnet  yang dihasilkan  kumparan  Helmholtz.  Kajian  teoritis  dan  eksperimental  dilakukan  dengan memodifikasi bentuk kumparan maupun menyusun beberapa kumparan dengan cara tertentu. Sumber  magnet  klasik  dibuat  dari  kumparan  dengan  bentuk  dasar  lingkaran  atau  persegi. Modifikasi bentuk dasar lingkaran  dilakukan  dengan mengembangkan  kumparan berbentuk sadel silinder agar volume medan magnet seragam yang diinginkan (Dinale & Vrbancich, 2014) . Kajian teoritis juga dilakukan untuk meningkatkan lebar keseragaman medan magnet. Sumber magnet dibuat dengan menyusun beberapa kumparan baik lingkaran maupun persegi untuk  memperoleh  keseragaman  medan  yang  lebih  lebar (Baranov  &  Baranova,  2016) (Merritt, dkk, 1983) (Wibowo & Yudhistira, 2017) .
Meskipun secara teoritis lebar keseragaman medan magnet dapat ditingkatkan, pembuatan kumparan  penyusun  sumber  maupun  kontruksi  sumber  medan  magnet  dari  beberapa kumparan tidaklah sederhana (Magdaleno-Adame, dkk, 2010) . Faktor mekanik, listrik, dan temperatur saat pengoperasian akan berpengaruh pada karakteristik medan yang dihasilkan. Menurut  persamaan  Biot-Savart,  medan  magnet  yang  dihasilkan  konduktor  berarus berbanding terbalik dengan kuadrat jarak titik pengamatan terhadap elemen panjang kawat (Griffiths,  2013) .  Hal  ini  menunjukkan  akurasi  nilai  jarak  menjadi  sangat  penting.  Tidak banyak  penelitian  yang  mengkaji  kesesuaian  kajian-kajian  teoritis  tersebut  dengan  aplikasi praktisnya. Kalibrasi maupun verifikasi medan magnet yang dihasilkan suatu sumber menjadi sangat penting dilakukan untuk memastikan validitas dan keseragaman medan magnet agar dapat  diaplikasikan  sesuai  rencana (Grbic,  dkk,  2015) .  Dari  uraian  di  atas,  terlihat permasalahan dalam pembuatan sumber medan magnet dengan susunan kumparan sejajar yaitu  bagaimana  memverifikasi  medan  magnet  yang  dihasilkan  suatu  sumber  magnet kumparan sejajar secara teoritis dan praktis. Oleh sebab itu, penelitian ini bertujuan untuk merancang sistem verifikasi medan magnet untuk sumber magnet kumparan sejajar.

## 2. METODE PENELITIAN
Bagian utama dari sisten validasi medan magnet adalah sensor efek Hall sebagai pendeteksi besar medan dari sumber magnet yang diuji, pengendali posisi tiga dimensi yang berfungsi mengatur posisi sensor pada sistem koordinat kartesian, pengolah data bertugas menyimpan rangkaian  data  posisi  dan  pembacaan  sensor  serta  mengonversi  dan  menampilkan  data pengukuran secara real-time. Uji akurasi pengendali posisi, linieritas rangkaian sensor, dan akurasi pengukuran medan magnet dilakukan untuk mengetahui kinerja sistem. Kinerja sistem dianalisis dengan membandingkan hasil pengukuran medan magnet dan perhitungan medan magnet secara matematis.

## 2.1 Medan Magnet dari Susunan Kumparan Kawat Berarus
Kumparan kawat berisolator merupakan komponen penting dalam pembuatan sumber medan magnet.  Kumparan  yang  digunakan  umumnya  adalah  kawat  konduktor  yang  dililit  atau dibentuk mengitari suatu disain tertentu agar dapat menghasilkan medan magnet saat dialiri arus listrik. Besar medan magnet yang dihasilkan kumparan kawat dipengaruhi oleh bentuk, ukuran, jumlah liitan maupun besar arus listrik yang mengalir dalam kumparan. Sumber medan magnet seragam pada volume tertentu dapat dibentuk dari dua kumparan identik yang disusun berhadapan  dengan  jarak  tertentu.  Susunan  kumparan  ini  disebut  sebagai  kumparan Helmholtz. Kumparan yang digunakan untuk membuat kumparan Helmholtz dapat berbentuk lingkaran maupun berbentuk persegi seperti ditunjukkan Gambar 1.
(a) (b)
Gambar 1. Kumparan Helmholtz (a) Lingkaran dan (b) Persegi (Alvarez, dkk, 2012).
Dua kumparan masing-masing disusun dari N lilitan yang disusun sejajar pada sumbu yang sama dengan jarak h. Jarak h sama dengan panjang jari-jari kumparan penyusun Helmholtz yang  berbentuk  lingkaran  dan  sama  dengan  0,5445  kali  panjang  sisi  kumparan  penyusun Helmholtz berbentuk persegi. Kumparan penyusunnya dihubungkan secara seri dan dialiri arus I  (Ampere)  sehingga  menghasilkan  medan  magnet  seragam  di  antara  kedua  kumparan. Dengan mengambil tengah-tengah kumparan Helmholtz berbentuk lingkaran sebagai titik O, maka medan magnet B (Tesla) pada titik z sepanjang sumbu yang menghubungkan kedua kumparan  dapat  didekati  melalui  Persamaan  (1) (Alvarez,  dkk,  2012)  (Baranova  & Baranov, 2014) (Ogay, dkk, 2014) (Restrepo, dkk, 2017) :
𝐵⃗(𝑧) = ∗ + 𝑧̂ (1)
dengan a = jari-jari kumparan (m) h = jarak antara kedua kumparan penyusunnya (m) z = jarak titik yang diamati ke titik pusat (m) µ o = permeabilitas udara ( 4π × 10 −7 T.m.A −1 )
Pada kumparan Helmholtz berbentuk persegi, besar medan magnet sepanjang sumbu z yang menghubungkan  kedua  kumparan  dapat  didekati  melalui  Persamaan  (2) (Alvarez,  dkk, 2012) (Ogay, dkk, 2014) (Restrepo, dkk, 2017) :
𝐵⃗(𝑧) = ∗ + 𝑧̂ (2)
Pada susunan kumparan sejajar berjumlah N buah, medan magnet B yang terjadi merupakan superposisi  fluk  magnet  yang  ditimbulkan  oleh  masing-masing  kumparan  yaitu B i .  Medan magnet yang dihasilkan oleh susunan kumparan sejajar dapat dinyatakan dengan Persamaan (3).
𝐵⃗ = ∑ 𝐵⃗ (3)
Fluk  magnet B i yang  dibangkitkan  oleh  masing-masing  kumparan  dapat  didekati  dengan persamaan Biot-Savart  dengan elemen arus arus listik ke- i diwakili oleh I i yaitu (Griffiths, 2013) :
𝐵⃗ = ∮ ⃗ × ⃗ (4)
Dengan mengasumsikan kumparan cukup tipis dibandingkan dengan ukuran kumparan dan semua lilitan memberi kontribusi yang sama pada fluk magnet total maka rapat fluk magnet yang dihasilkan oleh susunan kumparan berbentuk lingkaran dapat dihitung pada koordinat silinder dengan Persamaan (5).
𝐵⃗ = 𝑛 𝐵 , 𝐵 , 𝐵
(5)
dengan n i jumlah lilitan pada kumparan ke- i dan
𝐵⃗ = − ( ) 𝐾(𝑘) − ( ) 𝐸(𝑘) (6)
𝐵⃗ = 0 (7) 𝐵⃗ = − 𝐾(𝑘) + ( ) ( ) 𝐸(𝑘) (8)
sedangkan K(k) dan E(k) merupakan integral eliptik pertama dan kedua.

## 2.2  Sensor Medan Magnet
Medan  magnetik  merupakan  sebuah  besaran  fisika  yang  nilainya  dapat  diukur  dengan beberapa  cara. Sensor efek  Hall merupakan  salah  satu  sensor  medan  magnet yang  umum digunakan. Karakter sensor efek Hall yang fleksibel menyebabkan sensor ini banyak digunakan dalam  berbagai  bidang  seperti  industri,  rumah  tangga,  kesehatan,  robotika,  dan  lain-lain. Selain  murah,  sensor  efek  Hall  memiliki    beberapa  keunggulan  seperti  linear,  stabil,  dan sensitif. Pada bidang industri, sensor Hall banyak digunakan pada aplikasi berdaya rendah, deteksi arus, deteksi posisi, dan saklar non kontak.
Sensor Hall umumnya dibuat dari plat berbahan semikonduktor. Kedua ujung plat diberi beda tegangan sehingga terjadi aliran arus listrik. Ketika terdapat medan magnet, aliran muatan akan terdistorsi sehingga elektron akan bergeser ke salah satu sisi dan hole (muatan positif) akan  bergeser  di  sisi  yang  berseberangan.  Proses  ini  menimbulkan  beda  tegangan  antara kedua sisi plat yang dikenal sebagai efek Hall. Beda tegangan tersebut sebanding dengan fluks medan magnet yang melewati plat tesebut (Paun, dkk, 2013a) .
Bila B  medan  magnet,  faktor  koreksi geometri  G, faktor hamburan semikonduktor r H rapat muatan n,  ketebalan  daerah  aktif  t,  arus  bias  I bias maka  hubungan  medan  magnet  dan tegangan Hall dapat dinyatakan dengan Persamaan (9) (Paun, dkk, 2013b) :
𝑉 = 𝐺 𝐼 𝐵 (9)
Bila  sensitivitas  absolut  sensor  Hall S A maka  medan  magnet  dapat  dinyatakan  dengan Persamaan (10).
𝐵 = 𝑆 𝐴 (10)
Pada pengukuran medan magnet diperlukan sensor yang responsif terhadap medan magnet. Terdapat beberapa macam sensor medan magnet jenis efek Hall yang mampu mendeteksi perubahan fluks magnet yang kecil. SS49E merupakan salah satu sensor efek Hall linier yang dapat  mendeteksi  medan  magnet  dari  magnet  permanen  maupun  sumber  elektromagnet. Sensor ini memiliki noise keluaran rendah sehigga relatif tidak memerlukan filter eksternal. Sensor  beroperasi  pada  tegangan Vcc  2,7  volt  –  6,5  volt  dengan  arus  maksimal  10  mA. Sensitifitas  sensor    sekitar  1,4  mV/G  yang  dapat  mendeteksi  medan  magnet  0  -  1000  G. (Honeywell International Inc., 2015)
Sensor  efek  Hall  memberikan  tegangan output  sekitar  2,5  V  ketika  dioperasikan  dengan tegangan 5 V meskipun tidak ada pengaruh medan magnet. Meskipun perubahan tegangan sensor efek Hall sebanding dengan sensitifitas sensor, namun nilainya cukup kecil dalam orde millivolt  yang  dihitung  dari  tegangan output  tanpa  pengaruh  medan  magnet.  Untuk
meningkatkan  sensitifitas  perlu  ditambahkan  rangkaian  pengkondisi  sinyal.  Rangkaian pengkondisi  sinyal  terdiri  dari  dua  buah  rangkaian  penyangga  ( buffer),  rangkaian  penguat non-inverting,  dan  rangkaian  penguat  differensial  seperti  ditunjukan  pada  Gambar  2 (Awaluddin,  2011) .  Rangkaian  penyangga  berfungsi  untuk  menstabilkan  keluaran, rangkaian penguat non-inverting berfungsi untuk menguatkan output, dan rangkaian penguat differensial berfungsi sebagai zero adjustment (pembuat nol) dari offset LM 741 serta offset sensor efek Hall.
Gambar 2. Rangkaian Pengondisi Sinyal (Awaluddin, 2011) .
Rangkaian pengkondisi sinyal dihubungkan ke ADC dengan tipe ADS1115 untuk meningkatkan akurasi pembacaan sinyal dari sensor efek Hall dan memudahkan pengolahan menggunakan Arduino dan MATLAB. Arduino yang hanya memiliki resolusi 12-bit ditingkatkan menjadi 16- bit dengan ADS1115. Perubahan tegangan output pengkondisi sinyal yang terbaca oleh ADC sebanding dengan besar medan magnet yang memengaruhi sensor efek Hall. Karakterisasi pembacaan rangkain sensor medan magnet yang disusun dari sensor efek Hall, pengkondisi sinyal, dan ADS1115 dilakukan dengan pengukuran medan magnet yang dihasilkan sebuah sumber  magnet  acuan.  Pengukuran  dilakukan  untuk  mengamati  linieritas  rangkaian  dan menghitung konversi tegangan output ke besar medan magnet.

## 2.3  Pengendali Posisi
Pengendali posisi tiga dimensi dirancang untuk mengatur posisi sensor medan magnet pada sistem  koordinat  kartesian  x,  y  dan  z  seperti  ditunjukan  pada  Gambar  3.  Masing-masing pengatur posisi terdiri dari sebuah motor stepper yang terhubung dengan sebuah poros ulir dan dua  buah batang geser pada samping  kiri dan  kanannya. Poros ulir  dan batang geser digunakan  sebagai  penghubung  sekaligus  tumpuan  pengatur  posisi  yang  tegak  lurus dengannya. Pada pengatur posisi z, tedapat sebuah dudukan yang dirangkai dengan lengan sensor. Ujung lengan inilah yang dipakai untuk menempatkan sensor medan magnet.
Gambar 3. Pengendali Posisi Tiga Dimensi.
Diagram rangkaian elektronik pengendali posisi seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Arduino Mega  digunakan  pada pengendali  posisi  untuk mengontrol putaran motor  x,  y  dan z.  Agar dapat menggerakkan motor x, y dan z berjenis motor stepper, Arduino Mega dihubungkan ke rangkaian driver motor stepper sebelum dihubungkan ke motor stepper.
Gambar 4. Diagram Rangkaian Elektronik Pengendali Posisi dan Sensor Medan Magnet.
Rangkaian driver motor stepper juga merupakan converter tegangan DC dari suplai daya yang digunakan  untuk  menggerakkan  motor stepper.  Motor  z  digunakan  untuk  menaikkan  dan menurunkan  batang  sensor  sepanjang  sumbu  z.  Motor  y  digunakan  untuk  menggerakkan batang sensor maju dan mundur sepanjang sumbu y. Motor x digunakan menggeser batang sensor ke kanan dan ke kiri sepanjang sumbu x. Akurasi penempatan posisi target dari sistem pengendali dihitung dengan Persamaan (11).
𝐴𝑘𝑢𝑟𝑎𝑠𝑖 = 1 − × 100% (11)
Selain  itu  untuk  menggerakkan  motor,  Arduino  Mega  juga  dihubungkan  dengan converter analog ke digital (ADC) y ang terhubung dengan rangkaian pengkondisi sinyal dan sensor efek Hall. Sensor efek Hall dipasang pada lengan sensor untuk mendeteksi besar medan magnet pada titik-titik yang ingin diamati.
Pengoperasian  pengendali  posisi  dan  pembacaan  sinyal  dari  sensor  dilakukan  dengan komputer mengikuti diagram alir yang ditunjukan pada Gambar 5. Proses pengukuran dimulai dengan  menentukan  posisi  awal  pada  koordinat  x,  y,  dan  z  sebagai  lokasi  sensor  mulai mengukur.  Selanjutnya  menetapkan  salah  satu  sumbu  koordinat  sebagai  variabel  bebas misalkan  x,  menetapkan  panjang  dan  jarak  antar  titik  pengukuran.  Setelah  data-data dimasukkan  dan  proses  dimulai,  pengendali  posisi  menggerakan  lengan  sensor  titik  nol. Selanjutnya  pengendali  posisi  menggerakkan  lengan  sensor  ke  posisi  awal  degan  x  =  x min untuk pengukuran searah sumbu x. Arduino akan mengirim hasil pembacaan medan magnet pada posisi tersebut ke komputer untuk disimpan dan ditampilkan dalam grafik fungsi jarak terhadap  medan  magnet  menggunakan  MATLAB.  Proses  berikutya  yaitu,  pengedali  posisi menggerakkan  lengan  sensor  ke  titik  pengukuran  berikutnya,  pengukuran  dilakukan,  data dikirim  ke  komputer,  data  disimpan  dan  digunakan  untuk  memperbaharui  tampilan  grafik MATLAB. Langkah ini diulang hingga selesai pada titik akhir pengukuran. Pada akhir proses, dapat diperoleh grafik fungsi jarak terhadap medan magnet sepanjang sumbu koordinat yang ditetapkan  sebagai  variabel  bebas.  Selain  itu  data  juga  disimpan  dalam  bentuk  file  Excel. Langkah-langkah proses pengukuran tersebut dapat dilakukan baik pada sumbu x, sumbu y maupun sumbu z.
Gambar 5. Diagram Alir Proses Pengukuran.

## 2.4 Pengolahan Data
Peralatan  akuisisi  data  untuk  skala  industri  maupun  laboratorium  cukup  mahal.  Salah  satu alternatif akuisisi data dapat dilakukan dengan menggunakan microcontroler seperti Raspberry Pi atau Arduino yang harganya relatif murah. Pembacaaan sinyal dari sensor dapat dilakukan melalui  Arduino  menggunakan  bantuan  perangkat  lunak  Arduino.  Namun  kemampuan perangkat lunak Arduino sangat terbatas karena tidak memiliki piranti analisis maupun fitting data. Cara lain yang mungkin dilakukan adalah mengimpor data dari Arduino secara real time dalam satu paket analisis data. Impor data dapat dilakukan dari Arduino ke MATLAB dan Excel yang memungkinkan ploting data secara real time. Data logger dengan antarmuka MATLAB perlu satu program pada Arduino untuk membaca data dari sensor untuk dikirim ke MATLAB melalui komunikasi serial. Program ini disisipkan ke program pengendali posisi agar setelah sensor berpindah ke posisi yang ditentukan maka data pembacaan sensor langsung dikirim dan  diolah  oleh data  logger.  Urutan  proses  pengolahan  data  dengan  MATLAB  seperti ditunjukan pada Gambar 6.
Gambar 6. Diagram Alir Pengolahan Data dengan MATLAB.
Pengolahan data dimulai dari membaca port serial, mengenali terminator dan struktur data yang digunakan Arduino. Plot grafik data nol pada awal proses dilakukan untuk mempercepat proses penampilan grafik  pada  proses update data.  Setelah grafik siap,  proses selanjutnya yaitu  pembacaan  data  ACSII  dari  serial  plot.  Data  dikonversi  menjadi  data  numerik  dan dipisahkan antara data jarak dan data pembacaan sensor. Data sensor diubah ke kuat medan magnet dan digunakan untuk memperbaharui matrik data yang berisi nilai jarak dan medan magnet.  Matrik  data  tersebut  juga  digunakan  untuk  memperbaharui  grafik  yang  telah disiapkan pada awal proses. Bila data posisi belum mencapai posisi maksimum, proses diulang dari proses pembacaan pembacaan data ASCII dari port serial. Proses pengolahan data diakhiri dengan penyimpanan data ke dalam file Excel. Kesesuaian hasil pengukuran terhadap hasil perhitungan  secara  teoritis  dinyatakan  dengan  akurasi  pengukuran.  Akurasi  pengukuran dihitung dengan Persamaan (12).
𝐴𝑘𝑢𝑟𝑎𝑠𝑖 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑢𝑘𝑢𝑟𝑎𝑛 = 1 − × 100% (12)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Uji Sistem Pengendali Posisi
Uji sistem dilakukan dengan mengamati kemampuan sistem yang dibangun. Sistem mekanik dan sistem elektronik pengendali posisi diintegrasikan sesuai dengan rancangan yang telah ditentukan sebelumnya. Integrasi sistem mekanik dan elektronik dari pengendali posisi seperti ditunjukkan  pada  Gambar  3.  Perintah  yang  diberikan  pada  sistem  pengendali  posisi  dapat menggerakkan setiap sumbu dengan baik. Jangkauan yang dapat dicapai oleh masing-masing sumbu juga cukup luas yaitu untuk sumbu y dan z memiliki ruang gerak bebas sebesar 30 cm. Sedangkan untuk sumbu x memiliki ruang gerak sebesar 35 cm. Uji akurasi posisi dilakukan dengan mengatur posisi sumbu x, y dan z pada set point yang ditentukan dan mengukur jarak set point dari titik nol menggunakan jangka sorong digital yang memiliki ketelitian 0,01 mm. Hasil uji akurasi pengendali posisi seperti ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Pengujian Posisi Target dari Pengendali Posisi
Set point (mm) Hasil pengukuran Sumbu x (mm) Akurasi (%) Sumbu y (mm) Akurasi Sumbu z (mm) Akurasi (%) 5 5,00 100% 5,00 100% 5,00 100% 10 10,00 100% 10,00 100% 10,00 100% 50 50,00 100% 50,00 100% 50,00 100% 100 99,99 99,99% 100,00 100% 100,00 100% 150 150,01 99,99% 150,01 99,99% 149,98 99,99%
Berdasarkan Tabel 1, dapat dikatakan bahwa sistem mampu bergerak sesuai dengan set point yang di  inginkan. Meskipun di beberapa titik khususnya set  point  yang jauh  (besar) masih kurang  atau  melebihi set  point,  namun  nilainya  sangat  kecil  yaitu  ±  0,01  mm.  Sistem pengendali posisi akurat dalam mencapai target posisi dengan tingkat akurasi 99,99% hingga 100%.  Penyempurnaan  sistem  mekanik  pengendali  posisi  masih  diperlukan  sehingga  lebih akurat pada set point yang lebih jauh.

## 3.2 Uji Pengukuran Medan Magnet
Karakterisasi rangkaian sensor medan magnet dilakukan dengan memvariasikan besar medan magnet yang dihasilkan solenoid berdiameter 6 cm dengan panjang 6,32 cm dan 300 lilitan dan menghitung nilai rata-rata tegangan yang terbaca oleh ADC dalam 10 kali pengukuran. Hasil perhitungan regresi linier antara medan magnet dengan tegangan ADC seperti ditunjukan pada Gambar 7. Hasil perhitungan regresi linier menunjukan perubahan medan magnet linier terhadap  perubahan  tegangan  yang  terbaca  oleh  ADC  dengan  nilai  R 2 =  0,9995.  Nilai  ini menunjukan bahwa rangkain sensor medan magnet memiliki linieritas yang sangat baik untuk digunakan dalam pengukuran. Berdasarkan grafik regresi linier diperoleh sensitifitas sensor meningkat dari 1,4 mV/G menjadi 2,9824 mV/G dengan penambahan rangkaian pengkondisi sinyal. Pembuat nol dapat berfungsi dengan baik dan menyisakan koreksi nilai 0,20607 mV pada  pembaacaan  tegangan  ADC.  Konversi  tegangan  yang  terbaca  ADC  ke  besar  magnet dapat dihitung dengan membagi tegangan yang terbaca ADC dengan 2,9824 mV/G.

## Gambar 7. Linieritas Rangkaian Sensor.
Analisis  secara  teoritis  dan  praktis  dilakukan  dengan  beberapa  kondisi  yang  ditetapkan. Performa  suatu  sistem  pengukuran  dapat  dapat  dilihat  dari  kedekatan  hasil  pengukuran terhadap  nilai  yang  menjadi  acuan/nilai  standar.  Untuk  itu  dilakukan  pengukuran  medan magnet serta perhitungan medan magnet secara matematis. Kedua proses tersebut dilakukan untuk memastikan sistem yang dibangun dapat berfungsi dengan baik sesuai dengan yang diharapkan. Pada uji pengukuran medan magnet digunakan sumber medan magnet homogen dan non homogen yang disusun dari kumparan kawat melingkar seperti ditunjukkan Gambar 8.
(a) (b)
Gambar 8. Sumber Medan Magnet, (a) Homogen dan (b) Non Homogen.
Te g a n g a n (m V )
Kumparan  yang  dirangkai  menjadi  sumber  medan  terdiri  dari  dua  buah  kumparan  kawat melingkar  seratus  lilitan  berdiameter  a  =  22  cm  dan  sebuah  kumparan  kawat  melingkar delapan puluh lilitan berdiameter b = 14 cm. Dua buah kumparan berdiameter 22 cm disusun menjadi kumparan Helmholtz yang dialiri arus 1,5 A sebagai sumber medan magnet homogen. Sumber  medan  magnet  non  homogen  dibentuk  dari  tiga  kumparan  dengan  kumparan berdiameter 14 cm berada ditengah dan diapit kumparan berdiameter 22 cm pada jarak S = 15,2 cm. Ketiga kumparan dialiri arus 1,1 A.
Distribusi medan magnet pada susunan kawat dapat dihitung dengan Persamaan (1) dan (5) untuk tiap titik pada ruang tiga dimensi yang melingkupi susunan kumparan. Besar medan pada titik-titik di bidang yang memotong kumparan dapat diplot menjadi pola distribusi medan magnet  yang  menggambarkan  homogenitas  medan  pada  bidang  tertentu.  Uji  pengukuran medan magnet dilakukan sepanjang sumbu y (x = 0 dan z = 0) baik pada sumber homogen (Helmholtz) maupun non homogen (tiga kumparan). Hasil pengukuran distribusi kuat medan magnet pada kumparan Helmholtz pada x = 0, z = 0 di sepanjang sumbu y seperti ditunjukkan pada Gambar 9 sedangkan hasil pengukuran distribusi kuat medan magnet pada sumber non homogen tiga kumparan seperti ditunjukan pada Gambar 10.
Gambar 9. Distribusi Medan Magnet Helmholtz pada x=0 dan z=0.
M e d a n M a gn e t ( G )

## Gambar 10. Distribusi Medan Magnet Tiga Kumparan di x=0 dan z=0
Akurasi  pengukuran  yang  menggambarkan  kesesuaian  hasil  pengukuran  terhadap  hasil perhitungan secara teoritis dihitung menggunakan Persamaan (12). Hasil perhitungan akurasi pengukuran seperti ditunjukan pada Tabel 2.
Tabel 2. Akurasi Hasil Pengukuran terhadap Perhitungan Secara Teoritis
Sumber medan magnet Jumlah titik ukur Akurasi (%) Terendah Tertinggi Rata-rata Kumparan Helmholtz (homogen) 54 99,849 99,996 99,943 Tiga kumparan (non homogen) 140 98,222 99,988 99,483
Dari  Gambar  9  dan  Gambar  10  nampak bahwa  distribusi  medan  magnet  hasil  pengukuran mendekati hasil perhitungan secara teoritis baik pada pengukuran medan magnet kumparan Helmholtz  maupun  medan  magnet  tiga  kumparan.  Akurasi  pengukuran  pada  Tabel  2 menunjukkan  rata-rata  akurasi  pengukuran  medan  magnet  pada  kumparan  Helmholtz mencapai 99,943% sedangkan pada tiga kumparan mencapai 99,483%. Akurasi pengukuran medan  magnet  tiga  kumparan  lebih  rendah  dari  kumparan  Helmholtz  dapat  terjadi karena ukuran sumber tiga kumparan lebih besar sedangkan akurasi set point yang besar juga lebih rendah. Akurasi yang redah juga dapat dipengaruhi ketepatan geometri kumparan. Selain itu, pengukuran yang dilakukan semakin lama menyebabkan suhu kumparan juga meningkat. Hal ini  dapat  mempengaruhi  hasil  pengukuran  sumber  tiga  kumparan. Noise  yang  berasal  dari rangkaian juga dapat berkontribusi pada hasil pembacaan rangkaian sensor medan magnet. Berdasarkan hasil uji pengendali posisi, linieritas rangkaian sensor, dan pengukuran medan magnet menunjukkan bahwa sistem dapat bekerja dengan baik. Sistem yang dibangun dapat digunakan untuk memverifikasi sumber medan magnet yang disusun dari beberapa kumparan.
M e d an M a gn e t ( G )

## 4. KESIMPULAN
Sistem  pengukuran  medan  magnet  yang  dibangun  dapat  digunakan  untuk  verifikasi  dan validasi  besar  medan  magnet  yang  dihasilkan  sumber  magnet  yang  disusun  dari  beberapa kumparan.  Hasil  uji  sistem  menunjukan  pengendali  posisi  mampu  mencapai  target  posisi dengan akurasi 99,99% - 100%. Perhitungan regresi linier rangkain sensor memberikan nilai R 2 = 0,9995. Nilai R 2 mendekati 1 menunjukan bahwa rangkain sensor medan magnet memiliki linieritas  yang  tinggi.  Pengukuran  medan  magnet  menujukkan  nilai  rata-rata  akurasi  pada pengukuran  medan  magnet  kumparan  Helmholtz  mencapai  99,943%  sedangkan  medan magnet  tiga  kumparan  mencapai  99,483%.  Rata-rata  akurasi  pengukuran  tersebut menunjukkan sistem  dapat bekerja  dengan  baik dan  dapat  digunakan untuk  memverifikasi medan magnet, khususnya untuk sumber yang dibentuk dari susunan kumparan kawat sejajar. Sistem pengukuran dapat dikembangkan untuk memverifikasi distribusi medan magnet secara tiga dimensi atau mengukur distribusi medan magnet pada volume tertentu.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Tim peneliti mengutarakan terimakasih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat, Universitas Pamulang yang telah memberikan dukungan melalui hibah penelitian No.  0545/D5/SPKP/LPPM/UNPAM/XII/2020  dan  Pusat  Penelitian  Teknologi  Pengujian  – Lembaga  Ilmu  Pengetahuan  Indonesia  yang  memfasilitasi  pelaksanaan  penelitian  hingga selesai.

## DAFTAR RUJUKAN
Akbarnejad,  Z., Esmaeilpour,  K.,  Shabani, M., Asadi-Shekaari,  M., Saeedi Goraghani, M., & Ahmadi-Zeidabadi,  M.  (2018).  Spatial  memory  recovery  in  Alzheimer’s  rat  model  by electromagnetic  field  exposure. International  Journal  of  Neuroscience,  128(8),  691–
696.
Alvarez, A. F. R., Franco-Mejía, E., & Pinedo-Jaramillo, C. R. (2012). Study and analysis of magnetic field homogeneity of square and circular Helmholtz coil pairs: A Taylor series approximation. 2012 VI Andean Region International Conference, (pp. 77-80).
Awaluddin, M. I. (2011). Pola Medan Elektromagnetik Dari Dua Pasang Kumparan Segiempat.
Universitas Negeri Yogyakarta.
Baranov,  P.,  &  Baranova,  V.  (2016).  Modeling  axial  8-coil  system  for  generating  uniform magnetic field in COMSOL. MATEC Web of Conferences, 48, 03001).
Baranova,  V.  E.,  &  Baranov, P. F.  (2014).  The Helmholtz  coils  simulating  and  improved  in
COMSOL. 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines, (Dynamics), (pp. 1-
4).
Belenguer, F. M., Salcedo, A. M., Ibañez, A. G., & Sánchez, V. M. (2019). Advantages offered by the double magnetic loops versus the conventional single ones. PLoS ONE, 14(2).
Belenguer, F. M., Salcedo, A. M., Sánchez, V. M., & Núñez, J. H. A. (2018). Double Magnetic
Loop and Methods for Calculating Its Inductance. Journal of Advanced Transportation,
2018, 1–15.
De Souza A., García D, Sueiro L., & Gilart F. (2014). Improvement of the seed germination,
growth and yield of onion plants by extremely low frequency non-uniform magnetic fields. Sci. Hortic. (Amsterdam), 176, 63–69.
Dinale, J., & Vrbancich, J. (2014). Generation of long prolate volumes of uniform magnetic field in cylindrical saddle-shaped coils. Measurement Science and Technology, 25(3),
035903.
Grbic, M., Naumovic-Vukovic, D., & Pavlovic, A. (2015). Calibration of magnetic field analyzer.
XXI IMEKO World Congress-Measurement in Research and Industry.
Griffiths, D. J. (2013). Introduction to Electrodynamics (4th ed.). Pearson Education, Inc.
Honeywell International Inc. (2015). SS39ET/SS49E/SS59ET Series: Linear Hall-Effect Sensor ICs (pp. 1–9). Honeywell International Inc.
Klein, M., Erni, D., & Rueter, D. (2020). Three-dimensional magnetic induction tomography: Improved performance for the center regions inside a low conductive and voluminous body. Sensors (Switzerland), 20(5).
Klein, M., & Rueter, D. (2017). A large and quick induction field scanner for examining the interior of extended objects or humans. Progress In Electromagnetics Research B, 78,
(pp. 155-173).
Lai, H. C., & Singh, N. P. (2010). Medical applications of electromagnetic fields. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 10(1), 012006.
Lamas-Seco,  J.  J.,  Castro,  P.  M.,  Dapena,  A.,  &  Vazquez-Araujo,  F.  J.  (2015).  Vehicle classification using the discrete fourier transform with traffic inductive sensors. Sensors (Switzerland), 15(10), 27201–27214.
Maffei, M. E. (2014). Magnetic field effects on plant growth, development, and evolution. In Frontiers in Plant Science (Vol. 5, Issue SEP). Frontiers Research Foundation.
Magdaleno-Adame,  S.,  Olivares-Galvan,  J.  C.,  Campero-Littlewood,  E.,  Escarela-Perez,  R.,
Magdaleno-Adame, S., & Blanco-Brisset, E. (2010). Coil Systems to Generate Uniform Magnetic  Field  Volumes.  In  L.  Paterson  (Ed.), Excerpt  from  the  Proceedings  of  the COMSOL Conference (Vol. 13, pp. 401–4011). COSMOL, Inc.
Merritt, R., Purcell, C., & Stroink, G. (1983). Uniform magnetic field produced by three, four, and five square coils. Review of Scientific Instruments, 54(7), 879–882.
Ogay,  V.,  Baranov,  P.,  &  Stepankova,  A.  (2014).  Modelling  coils  system  for  generating homogeneous  magnetic  field. IOP  Conference  Series:  Materials  Science  and

## Engineering, 66, 012009.
Paun, M. A., Sallese, J. M., & Kayal, M. (2013a). Comparative study on the performance of five different hall effect devices. Sensors (Switzerland), 13(2), 2093–2112.
Paun, M. A., Sallese, J. M., & Kayal, M. (2013b). Hall effect sensors design, integration and behavior analysis. Journal of Sensor and Actuator Networks, 2(1), 85–97.
Petković,  D.  M.,  &  Radić,  M.  D.  (2015).  Generalization  of  Helmholtz  coil  problem. Serbian Journal of Electrical Engineering, 12(3), 375–384.
Restrepo, A. F., Franco, E., Cadavid, H., & Pinedo, C. R. (2017). A comparative study of the magnetic  field  homogeneity  for  circular,  square  and  equilateral  triangular  helmholtz coils. International  Conference  on  Electrical,  Electronics,  Communication  Computer Technologies and Optimization Techniques (ICEECCOT), (pp. 13-20).
Riancho, J., Sanchez de la Torre, J. R., Paz-Fajardo, L., Limia, C., Santurtun, A., Cifra, M.,
Kourtidis,  K.,  &  Fdez-Arroyabe,  P.  (2021).  The  role  of  magnetic  fields  in neurodegenerative diseases. International Journal of Biometeorology, 65(1).
Sliker, L., Ciuti, G., Rentschler, M., & Menciassi, A. (2015, August). Magnetically driven medical devices: A review. Expert Review of Medical Devices, 12, 1–16.
Wei, H. Y., & Soleimani, M. (2013). Electromagnetic tomography for medical and industrial applications: Challenges and opportunities [Point of View]. Proceedings of the IEEE, 101(3), (pp. 559-565).
Wibowo, P., & Yudhistira. (2017). Combining Two Helmholtz Coil Pairs for Expanded Magnetic
Field Homogeneity. Annual Meeting on Testing and Quality, (pp. 257-262).