Prototipe Kontrol Level Bejana Ukur Standar Berbasis Arduino, Sensor Ultrasonik, dan AC Control Speed Motor Termodifikasi
1 Azis Muslim, 2 Suprijanto, 1 Tiara Irmayanti, & 1 Khairunnisa Desi Andini
1 Akmet, 2 TF-ITB
1 azis.muslim@kemendag.go.id, 2 supribdg89@gmail.com

## Abstrak
Bejana Ukur Standar (BUS) merupakan alat ukur volume yang digunakan sebagai standar untuk menguji alat ukur volume lainnya. Proses pengisian air ke dalam BUS, biasanya dilakukan secara manual, hal ini tidak efisien karena penera harus menunggu  sampai  level  air  menunjukkan  nilai  nominal.  Prototipe  kontrol  otomatis  simulator  Bus  (Bejana  Ukur  Standar) dibuat untuk membantu penera dalam proses pengisian air ke dalam BUS.  Prototipe berbasis Arduino menggunakan HC- SR04  sebagai  sensor  level  dan AC  control  speed  motor yang  dimodifikasi  sebagai  pengendali  kecepatan  motor  mengisi simulator BUS (berupa tabung reaksi 1000ml). Modifikasi yang dilakukan pada AC control speed motor adalah mengganti potensiometer dengan relay dan resistor. Level air diukur dengan sensor ultrasonik HC-SR04 lalu sinyal sensor dikirimkan ke  Arduino.  Arduino  memilih relay yang  ada  di AC  control  speed  motor termodifikasi.  Ketika  simulator  BUS  kosong kecepatan  pengisian  debit  air  maksimal.  Semakin  mendekati setpoint kecepatan  pengisian  debit  air  berkurang  dan berhenti  ketika  level  mencapai setpoint .  Hasil  kalibrasi  alat  menunjukkan  akurasi  yang  tinggi  dengan  nilai  koefisien determinansi  sebesar  0.99.  Untuk  unjuk  kerja  pengendalian  level  digunakan  ukuran  simpangan  terhadap  nilai setpoint dengan  nilai  sebesar  0.34  cm  yang  menunjukkan  simpangan  terhadap  nilai setpoint yang  ditetapkan,  artinya  kinerja kontrol alat baik.
Keywords:kontrol level; arduino; bejana ukur standar; sensor ultrasonik ; AC speed control motor

## 1 Pendahuluan
Bejana ukur standar (BUS) adalah standar dari alat ukur volume digunakan sebagai untuk menguji alat ukur volume lainnya. Penggunaan BUS dalam kegiatan kemetrologian contohnyaketika dilakukan pengujian tangki ukur mobil (TUM) dan pengujian BUS lainnya saat tera maupun tera ulang[1].
Proses pengisian yang dilakukan secara manual olehoperator/peneramengharuskan mereka berada di dekat valve /saklar  pengontrolpengisian  air.  Hal  itu  terjadi  untuk  menghindari  meluapnya  air  karena  melebihi  nilai manual  BUS  yang  diisi.  Namun  proses  manual  ini  menyebabkan  proses  pengisian  menjadi  tidak  efisien, karena waktu yang dimiliki penera menjadi tersita untuk menunggu pengisian mencapai level tertentu.
Kontrol  otomatis  pengisian  BUS  dapat  menjadi  solusi  dari  dari  permasalahan  diatas.  Salah  satu  alternatif pengukuran  dan  kontrol  level  adalah  menggunakan automatic  level  control .  Secara  umum  beberapa  jenis sensor  yang  digunakan  dalam automatic  level  control bisa  digolongkan  kepada contact dan noncontact sensor[2].  Sensor  yang  digolongkan  kedalam contact sensor  diantaranya  adalah  kawat  resistansi  dan tahanan  geser.  Penggunaan kawat  resistansi yang  dicelupkan  ke  dalam air akan membuat sensor berkarat. Untuk  tahanan  geser,  pengukuran  dilakukan  dengan  menyentuhkan  sensor  langsung  ke  dalam  air.  Metode contact menyebabkansensor  cepat  menjadi  rusak  dan  menyebabkan  durabilitas  sensor  bermasalah.  Solusi masalah  ini  adalah  penggunaan  sensor  yang  tidak  langsung  kontak  dengan  air.  Dalam  hal  ini  sensor ultrasonik dapat digunakan sebagai alternatif terhadap masalah sensor-sensor contact .
Penggunaan  sensor  ultrasonik  sebagai  sensor  level  telah  digunakan  dalam  beberapa  rancang  bangun  alat dan  berbagai  aplikasi.  Pada  penelitian  Arief  [3],  sensor  ultrasonik  digunakan  untuk  pengukuran  level  dan volume  air.  Untuk  pengendalian  level  air  penelitian  yang  dilakukan  Prihantoro  dan  Husni[4]  dapat  dijadikan rujukan,  dimana  pengendalian dilakukan dengan  menghidupkan dan  mematikan pompa pengisian air.  Pada saat  tangki  kosong  pompa  akan  hidup  untuk  mengisi  air  ke  tangki  sedangkan  apabila  tangki  penuh  atau  di setpoint tertentu  pompa  akan  dimatikan.  Penelitian  yang  dilakukan  Arifin  [5],  prototipe  alat  yang dibangunmenggunakan  dua  buah relay yang  mengatur  hidup  dan  matinya  pompa  pengisi  dan  pompa pengurang air di tangki kontrol.
Dibandingkan dengan  pembuatan prototipe pada penelitian sebelumnya, prototipe  kontrol level bejana ukur standar berbasis arduino, sensor ultrasonik, dan  AC control speed motor termodifikasi ini memiliki beberapa
perbedaan.  Pertama,  pembuatan  prototipe  ini  bertujuan  untuk  membantu  penera  atau  operator  dalam mengisi  air  ke  dalam  Bejana  Ukur  Standar  (BUS)  sehingga  proses  pengisian  menjadi  lebih  efisien dibandingkan proses manual. Kedua, digunakannya AC control speed motor termodifikasi pada proses kontrol otomatis, dimana kecepatan pompa dalam pengisian air diatur sesuai dengan level air yang terukur. Semakin tinggi level air maka kecepatan pengisian pompa menjadi semakin berkurang.

## 2 Rancang Bangun

## 2.1 Rancang Bangun Perangkat Keras

## Gambar 1 Diagram blok prototipe kontrol level bejana ukur standar
Keterangan : 1. Simulator BUS 2. Sensor ultrasonik
3. Pipa pengisian air
4. Kontroller (Arduino dan AC motor  speed control termodifikasi ) 5. Pompa air 6. Wadah penyimpan air
Gelas  ukur  1000  ml  digunakan  sebagai  simulator  BUS  dengan  pertimbangan  adanya  skala  yang  bisa mengsimulasikan nilai nominal BUS. Selain itu diameter gelas ukur 1000 ml cukup lebar untuk ditempatkan sensor dan juga pipa/selang pengisian air.
Sensor  ultrasonik  tipe  HC-SR04 1 digunakan  untuk  mengukur  ketinggian  level  air  pada  gelas  ukur.Data pembacaan  sensor  ultrasonik  ini  dikirimkan  ke  Arduino  dan  diolah  oleh  Arduino  untuk  menghasilkan keputusan pengontrolan.
Pada prototipe kontrol otomatis ini debit air yang masuk pada gelas ukur akan diatur. Pengaturan debit air ini dilakukan dengan cara mengubah kecepatan motor pompa air menggunakan AC motor speed control .Secara manual AC  motor  speed  control memiliki  potensiometer  yang  berfungsi  mengatur  nilai  kendali  alat. Potensiometer  sendiri  memanfaatkan  prinsip  perubahan  resistansi  ( Variable resistansi).  Modifikasi  yang dilakukan pada AC control speed motor adalah mengganti potensiometer dengan relay dan resistor (gambar 2).  Potensiometer  pada AC  control  speed  motor dicopot  dan  diganti  dengan  resistor  yang  berjumlah  empat buah dengan nilai resistansi yang berbeda-beda.
Pemilihan  resistor  dilakukan  dengan  menggunakan  modul relay 4 channel .  Pada  masing-masing channel relay (kabel biru di gambar 2) dihubungkan ke pin digital Arduino (pin digital 2,3,4 dan 5). Untuk channel satu (kecepatan  pompa  maksimum)  dihubungkan  ke  pin  D5, channel empat  (kecepatan  75  %  maksimum) dihubungkan  ke  D4, channel 3  (kecepatan  25%  maksimum)  dihubungkan  ke  D3,  dan channel 2  (pompa berhenti  mengalirkan  air  )  dihubungkan  ke  D2.  VCC  dihubungkan  ke  Vin  (kabel  warna  merah)  dan  GND dihubungkan ke ground (kabel warna hitam).
1 Range pengukuran sensor ultrasonic hc-sr04 adalah sekitar 2cm-400cm dengan akurasi sebesar 3mm[6]
Gambar2Skematik kontroler
Arduino memilih relay tertentu sesuai dengan keputusan pengontrolan.Pemilihan relay juga artinya pemilihan resistor pada modul AC control speed motor . AC control speed motor mengendalikan kecepatan putar pompa. Semakin  kecil  nilai  resistor  yang  terpilih  maka  kecepatan  putar  pompa  akan  semakin  cepat.Semakin  cepat putaran  pompa  maka  debit  air  akan  semakin  besar.  Sebaliknya,  semakin  besar  nilai  resistor  yang  terpilih maka  kecepatan  putaran  pompa  semakin  lambat.Semakin  lambat  putaran  pompa  maka  debit  air  pun  akan semakin  kecil.  Ketika  simulator  BUS  kosong  kecepatan  pengisian  debit  air  maksimal.  Semakin  mendekati setpoint kecepatan pengisian debit air berkurang dan berhenti ketika level mencapai setpoint .

## 2.2 Rancang Bangun Perangkat Lunak
Prototipe  kontrol  otomatis  ini  berbasiskan  mikrokontroler  Arduino.  Salah  satu  kelebihan  dari  penggunaan arduino  ini  adalah  fasilitas  pemograman  yang  relatif  memudahkan  pengguna.  Telah  tersedia  IDE  ( interface development  enviroment ),  dapat  didownload  dari  situs  arduino.cc,  yang  mudah  digunakan  karena tampilannya  yang user  friendly .    Bahasa  yang  digunakan  adalah  bahasa  C  yang  relatif  lebih  mudah dibandingkan bahasa Assembly yang biasa digunakan dalam pengembangan perangkat lunak mikrokontroler.
Rancang  bangun  perangkat  lunak  didasarkan  konsep  pengontrolan relay yang  sebelumnya  dijelaskan  pada rancang bangun perangkat keras. Apabila digambarkan dalam bentuk flowchart , proses pemilihan relay dapat dilihat pada gambar 3.
Pada saat inisiasi, keempat relay diseting dalam kondisi off . Lalu, dilakukan pengukuran jarak antara sensor ultrasonik dengan permukaan air. Jika jarak antara sensor ultrasonik dengan permukaan air lebih besar dari
22 cm maka relay 1 dihidupkan sedangkan relay lainnya dalam kondisi off artinya kecepatan pengisian tabung dalam kondisi maksimum. Jika jarak antara sensor ultrasonik dengan permukaan air antara 11 cm sampai 22 cm maka relay 2 dihidupkan sedangkan  relay lainnya dalam kondisi off artinya kecepatan  pengisian tabung dalam kondisi  75%.  Jika  jarak antara sensor ultrasonik  dengan  permukaan  air antara 10 cm sampai  11 cm maka  relay  3  dihidupkan  sedangkan  relay  lainnya  dalam  kondisi off artinya  kecepatan  pengisian  tabung dalam  kondisi  25%.  Jika  jarak  antara  sensor  ultrasonik  dengan  permukaan  air  lebih  kecil  dari  10  cm  maka relay 4 dalam kondisi on artinya pompa dalam kondisi mati.
Gambar3Algoritma perangkat lunak

## 3 Hasil dan Pembahasan

## 3.1 Linieritas Sensor
Hal pertama yang diuji  pada prototipe kontrol level bejana ukur standar berbasis  arduino, sensor ultrasonik, dan  AC control speed motor termodifikasi ini adalah menguji linieritas dari sensor yang digunakan. Dilakukan kalibrasi pengukuran  jarak  dari sensor sampai ke pernukaan air. Dibandingkan nilai yang diukur oleh mistar sebagai  nilai  rujukan  dan  nilai yang didapatkan dari pengukuran sensor  ultrasonik.  Kedua hasil  pengukuran mistar dan hasil pengukuran sensor ini ditampilkan seperti pada tabel 1.
Tabel 1 Pengujian linieritas sensor. No Jarak Rujukan (cm) Jarak Pengujian (cm) 1 10 10 2 12 12 3 14 15 4 16 16 5 18 18 6 20 20 7 22 23 8 24 24
No Jarak Rujukan (cm) Jarak Pengujian (cm) 9 26 26 10 28
28
11 30 30 Tabel 1 Pengujian linieritas sensor (lanjutan) No Jarak Rujukan (cm) Jarak Pengujian (cm) 12 32 32 13 34 34 14 36 36 15 38 37 16 40 39
Gambar4Kurva linieritas sensor
Dari  hasil  regresi  linier  seperti  yang  ditunjukkan  pada  gambar  4,  terlihat  bahwa  terdapat  hubungan  linier antara  jarak  pengujian  dengan  jarak  rujukannya.  Ukuran  linieritas  ini  dapat  dilihat  dari  nilai  koefisien determinan yang tinggi yaitu R 2 =0.99.

## 3.2 Kinerja Pengendalian
Kinerja  pengendalian  diukur  dengan  menghitung  simpangan  antara  jarak  permukaan  air  ke  sensor  dengan nilai setpoint . Hasil perhitungan simpangan dapat dilihat pada tabel 2. Pengujian dilakukan sebanyak lima (5) kali. berdasarkan pengujian ini simpangan rata-rata yang didapatkan adalah sebesar 0.34 cm (3,4%). Hal ini berarti nilai simpangan relatif sangat kecil.
Tabel 2Pengujian unjuk kerja pengendalian. Pengujian Ke Jarak sensor ke titik 1000 ml / setpoint (cm) Jarak hasil pengujian dari sensor ke permukaan air (cm) Simpangan dari setpoint (cm) 1 10 10 0 2 10 9,5 +0,5 3 10 9,7 +0,3 4 10 9,5 +0,5 5 10 9,6 +0,4
y = 0.9691x + 0.7721 R² = 0.9979 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Ja ra k Pe n guj ia n Jarak Rujukan Linieritas  Sensor

## 4 Kesimpulan dan Saran
Telah dibuat prototipe kontrol level bejana ukur standar berbasis arduino, sensor ultrasonik, dan AC control speed motor  termodifikasi.  Sensor  ultrasonik  yang  digunakan  pada  prototipe  ini  berhubungan  linier  dengan jarak rujukan, dimana nilai koefisien determinansinya (R 2 ) sebesar 0.99. Prototipe kontroler ini menunjukkan nilai simpangan rata-rata sebesar 0.34 cm (3,4%) dari setpoint, artinya kinerja pengendalian sudah baik.
Untuk penelitian lebih lanjut dapat dilakukan penelitian dengan menggunakan tabung yang berdiameter sama dengan  BUS.    Penelitian  lebih  lanjut  dapat  pula  dilakukan  langsung  menggunakan  BUS  sebagai  obyek penelitian.

## 5 Referensi
[1]  Dirjen  PDN,  syarat  teknis  bejana  ukur  standar  -  No.  23/PDN/KEP/3  /2010,  Kementerian  Perdagangan, 2010.
[2] Baek, J.H. and Ahn, K.S. Non-contact type water level control apparatus, US Patent Application Publication, 2009.
[3]  Arief,U.M.,  Pengujian  sensor  ultrasonik  ping  untuk  pengukuran  level  ketinggian  dan  volume  air, J.  Ilm. Elektr. Enj. UNHAS , vol. 9, no. 2, 2011.
[4]  Prihantoro,  T.B.  and  Husni,  R.C.W.,  Alat  Pendeteksi  Tinggi  Permukaan  Air  Secara  Otomatis  Pada  Bak Penampungan Air Mengunakan Sensor Ultrasonik Berbasis Mikrokontroler, Skipsi, AMIK GI MDP, 2011.
[5]  Arifin,I.  Automatic  Water  Level  Control  Berbasis  Mikrocontroller  Dengan  Sensor  Ultrasonik,  PhD  Thesis, Universitas Negeri Malang, 2015.
[6]  Freaks, E. Ultrasonic ranging module hc-sr04, HC-SR04 Datasheet , 2016.