Perencanaan dan Pembuatan Alat Ukur Viskositas Oli Mesin pada Kendaraan Bermotor Berbasis Teknologi Field Programeble Gate Array (FPGA) Xilinx XC4010-XL
Abstrak
Dalam industri otomotif, efisiensi dan efektifitas kinerja mesin kendaraan bermotor sangat dipengaruhi oleh kondisi minyak pelumas yang digunakan. Salah satu parameter penting yang digunakan untuk mengetahui kualitas minyak pelumas mesin secara konvensional yang menggunakan pedoman jarak tempuh dan waktu pemakaian dirasakan masih kurang akurat. Sehingga diperlukan suatu alat ukur viskositas yang dapat memantau kualitas minyak pelumas secara kontinyu pada saat mesin dijalankan untuk memperoleh waktu penggantian minyak pelumas yang tepat.
1. Pendahuluan
Kondisi kendaraan bermotor sangat ditentukan oleh pemeliharaannya, dengan perawatan yang baik, kendaraan akan dalam kondisi prima. Perawatan yang tergolong sederhana tetapi sangat vital adalah penggantian secara rutin minyak pelumas. Meski sederhana, jenis perawatan ini sering menyisakan persoalan pemilihan pelumas yang tepat dan hal-hal yang berkaitan dengan penggantiannya. Pasalnya, pelumas di pasaran tidak hanya berbeda merek tetapi juga memiliki berbagai spesifikasi. Penggunaan minyak pelumas pada kendaraan bermotor ditujukan untuk mencegah gesekan antar komponen yang bergerak pada mesin. Sehingga diharapkan dapat mencegah keausan logam mesin akibat gesekan langsung. Pemilihan jenis minyak pelumas harus disesuaikan dengan kegunaan dan spesifikasi memperhatikan usia mesin dan keadaan cuaca, karena karakteristik viskositas minyak pelumas yang sangat bergantung pada temperatur lingkungannya (indeks viskositas).
Suatu minyak pelumas dianggap memiliki indeks viskositas yang baik, jika pada suhu rendah, mesin tidak mengalami kesulitan untuk melakukan start (saat kondisi minyak pelumas kental), dan pada saat suhu tinggi saat mesin telah bekerja, bagian-bagian antar mesin tidak bergesekan secara langsung (saat kondisi minyak pelumas menjadi encer). Minyak pelumas seharusnya memiliki selisih viskositas yang kecil saat suhu rendah dan tinggi. Sejalan dengan waktu pemakaiannya, maka rentang selisih minyak pelumas pada suhu tinggi dan rendahnya akan semakin melebar, yang berarti minyak pelumas sudah tidak layak lagi untuk digunakan. Keterlambatan penggantian minyak pelumas tidak hanya menyebabkan keausan logam pada mesin, tetapi juga menyebabkan endapan atau kerak akibat terlalu banyaknya bahan pengotor dalam minyak pelumas.
Pada dasarnya penggantian minyak pelumas tidak bisa ditentukan hanya berdasarkan selang waktu pemakaian atau jarak tempuh kendaraan bermotor saja, melainkan juga ditentukan kerja mesin yang bersangkutan. Setiap jenis mesin tertentu biasanya disertai petunjuk pemilihan jenis minyak pelumas dan rentang waktu pemakaiannya, untuk keadaan operasi mesin tertentu (kondisi normal). Pedoman penggantian minyak pelumas secara konvensional tersebut dirasakan kurang akurat oleh para pengguna otomotif, karena seringkali mesin dijalankan secara berlebihan dan tidak adanya indikator yang bisa mengingatkan mereka kapan harus mengganti minyak pelumas tersebut.
2. Teori Dasar
2.1. Viskositas
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.
Pada hukum aliran viskos, Newton menyatakan hubungan antara gaya-gaya mekanika dari suatu aliran viskos sebagai :
Geseran dalam (viskositas) fluida adalah konstan sehububgan dengan gesekannya.
Hubungan tersebut berlaku untuk fluida Newtonian, dimana perbandingan antara tegangan geser dengan kecepatan geser nya konstan. Parameter inilah yang disebut dengan viskositas.
Aliran viskos dapat digambarkan dengan dua buah bidang sejajar yang dilapisi fluida tipis diantara kedua bidang tersebut.
Gambar 1. Aliran viskos
Suatu bidang permukaan bawah yang tetap dibatasi oleh lapisan fluida stebel h, sejajar dengan suatu bidang permukaan atas yang bergerak seluas A. jika bidang bagian atas itu ringan, yang berarti tidak memberikan beban pada lapisan fluida dibawahnya, maka tidak ada gaya tekan yang bekerja pada lapisan fluida. Suatu gaya F dikenakan pada bidang bagian atas yang menyebabkan bergeraknya bidang atas dengan kecepatan konstan v, maka fluida dibawahnya akan membentuk suatu lapisan-lapisan yang saling bergeseran. Setiap lapisan tersebut akan memberikan tegangan geser sebesar F/A yang seragam, dengan kecepatan lapisan fluida yang paling atas sebesar v dan kecepatan lapisan fluida paling bawah sama dengan nol. Maka kecepatan geser pada lapisan fluida di suatu tempat pada jarak y dari bidang tetap, dengan tidak adanya tekanan fluida menjadi :
Pada fluida Newtonian perbandingan antara besran kecepatan geser dan tegangan geser adalah konstan,
σ = η.
Dimana parameter ini didefinisikan sebagai viskositas absolute (dinamis) dari suatu fluida. Dengan menggunakan satuan internasional ; N, m2, m, m/s untuk gaya, luas area panjang dan kecepatan, maka besaran viskositas dapat dinyatakan dengan :
η = = = Pa.s
Satuan Pa.s dirasakan terlalu besar dalam prakteknya, maka digunakan satuan mPa.s, yang lebih dikenal sebagai cP atau centipoise (catatan : 1 Pa.s = 1000mPa.s = 1000cP, 1P = 100cP).
Gambar 2. Grafik fluida Newtonian
Seperti halnya kerapatan, besaran viskositas berbanding terbalik dengan perubahan temperatur. Kenaikan temperatur akan melemahkan ikatan antar molekul suatu jenis cairan sehingga akan menurunkan nilai viskositasnya.
2.2. Viskometer Rotasi
Viskometer merupakan peralatan yang digunakan mengukur viskositas suatu fluida. Model viscometer yang umum digunakan berupa viscometer peluru jatuh, tabung (pipa kapile) dan sistem rotasi.
Viskometer rotasi silinder sesumbu (concentric cylinder) dibuat berdasarkan 2 standar, sistem Searle dimana silinder bagian dalam berputar dengan silinder bagian luar diam dan system Couette dimana bagian luar silinder yang diputar sedangkan bagian dalam silinder diam. Fluida yang akan diukur ditempatkan pada celah antara kedua silinder. Persamaan matematis untuk menghitung viskositas diturunkan dari hukum Newton tentang aliran viskos.
Gambar 4. Viskometer silinder sesumbu.
Silinder dalam dengan jari-jari rd dan tinggi h berputar dengan kecepatan sudut konstan pada silinder luar dengan jari-jari rl. Gaya (F) yang bekerja terhadap fluida pada jarak r diantara kedua silinder menghasilkan tegangan geser pada fluida sebesar :
T merupakan torsi yang bekerja pada fluida yang merupakan hasil kali antara gaya (F) yang diberikan oleh putaran silinder dalam dengan jarak fluida dari pusat silinder (r).
Kecepatan geser dapat dinyatakan sebagai :
Hubungan antar kecepatan geser dengan tegangan geser menghasilkan persamaan viskositas untuk fluida Newtonian sebagai :
dimana :
η : viskositas absolut
f : kecepatan rotasi silinder dalam
h : tinggi silinder
rd : diameter silinder dalam
rl : diameter silinder luar
T : torsi
2.3. Standar Minyak Pelumas
Standarisasi minyak pelumas untuk mesin kendaraan bermotor pertama kali dilakukan oleh Society of Automotif Engineering (SAE) pada tahun 1911 dengan kode SAE J300. Minyak pelumas dikelompokkan berdasarkan tingkat kekentalannya. Dalam kemasan atau kaleng pelumas, biasanya dapat ditemukan kode angka yang menunjukkan tingkat kekentalannya, seperti SAE 40, SAE 90, SAE 10W-50, dsb. Semakin tinggi angkanya semakin kental minyak pelumas tersebut. Ada juga kode angka multi grade seperti 10W-50, yang dapat diartikan bahwa pelumas memiliki tingkat kekentalan sama dengan SAE 10 pada suhu udara dingin (W = Winter) dan SAE 50 pada udara panas.
Tabel. 1. Standar SAE J300
| Tingkat | Visositas (cP) | Viskositas (cSt) | Viskositas |
| Viskositas | Suhu rendah | Suhu 100 ⁰C | (cP) |
| SAE | | Min | Max | Suhu 150⁰ C |
| 0W | 6200 @ -35⁰ C | 3.8 | | |
| 5W | 6600 @ -30⁰ C | 3.8 | | |
| 10W | 7000 @ -25⁰ C | 4.1 | | |
| 15W | 7000 @ -20⁰ C | 5.6 | | |
| 20W | 9500 @ -15⁰ C | 5.6 | | |
| 25W | 13000 @ -10⁰ C | 9.3 | | |
| 20 | | 5.6 | <> | 2.6 |
| 30 | | 9.3 | <> | 2.9 |
| 40 | | 12.5 | <> | 2.9 |
| 50 | | 16.3 | <> | 3.7 |
| 60 | | 21.9 | <> | 3.7 |
2.4. Indeks Viskositas.
Kemampuan minyak pelumas untuk mengatasi perubahan nilai viskositas terhadap perubahan temperatur dikenal dengan istilah indeks viskositas. Nilai indeks viskositas merupakan suatu besaran yang menyatakan perbandingan relative antar minyak pelumas yang dinyatakan dengan persen. Nilai indeks viskositas tinggi, menyatakan bahwa minyak pelumas tersebut semakin kecil mengalami perubahan nilai viskositas pada range temperatur tertentu, yang berarti bahwa mutu minyak pelumas tersebut semakin baik.
Berdasarkan standar pengukuran ASTM D567 (American Standart Test and Measurement) pengukuran nilai IV didasarkan pada persamaan :
dimana :
L : viskositas pelumas dengan IV = 0% @ 1000F
H : viskositas pelumas dengan IV = 100% @ 1000F
U : viskositas pelumas yang diukur pada 1000F
3. Perancangan Alat
Tingkat kelayakan minyak pelumas didapatkan dari hasil pengukuran viskositas dan temperatur,yang mengahasilkan besaran indeks viskositas. Bila didapatkan dua buah titik pengukuran viskositas pada suhu yang berbeda, maka diantara kedua titik itu ditarik sebuah garis lurus dan kemudian garis tersebut ditarik sampai melewati suhu referensi pembanding, maka nilai viskositas pada suhu tertentu dapat dengan mudah didapatkan. Hal ini sesuai dengan karakteristik minyak pelumas yang merupakan bagian dari fluida Newtonian yang memiliki karakteristik perubahan viskositas terhadap suhu yang linear.
Blok diagram sistem yang dibuat dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 5. Blok diagram sistem.
3.1. Sistem Sensor
Sistem mekanis (sensor) terdiri dari dua buah silider sesumbu, dimana silinder bagian dalam diputar dengan menggunakan motor DC dan silinder bagian luar dijaga supaya tetap diam. Pelumas yang diukur diletakkan pada celah diantara kedua silinder tersebut.
Dari persamaan viskositas ada dua variabel yang harus diukur, yaitu frekuensi putaran silinder dalam dan torsi yang bekerja. Besaran torsi diambil dari besaran arus yang mengalir pada penggerak motor DC.
Gambar 6. Model listrik motor DC.
Persamaan tranduser motor dapat dinyatakan :
E = Kv.ω
T = Km.l
Dimana Kv sebagai konstanta kecepatan motor dan Km sebagai konstanta mekanis motor. Hubungan antara kecepatan dengan torsi motor dapat dirumuskan sebagai :
ω = –
Sehingga nilai torsi yang bekerja pada motor jika dibebani dapat diketahui :
T = K.I =
Dengan memasukkan unsur T ini, maka persamaan viskositas menjadi :
Bila tranduser yang dibuat memiliki dimensi sebagai berikut :
· Diameter silinder dalam (rd) = 20mm
· Diameter silinder luar (rl) = 25mm
· Tinggi silinder (h) = 30mm
Sedangkan motor Dc yang digunakan dicatu dengan tegangan (V) 5 volt, yang menghailkan frekuensi tanpa beban (f0) sebesar 27.5Hz maka, persamaan viskositas sebagai fungsi arus dan frekuensi dapat dinyatakan sebagai :
η = mPa.s
Dengan mengukur tegangan jatuh pada R maka dapat diketahui besarnya arus yang mengalir pada kumparan jangkar motor (l = VR/R).
Gambar 7. Enkoder kecepatan
Untuk mendapatkan besaran frekuensi putaran silinder dalam viscometer digunakan encoder yang terdiri dari sebuah piringan dengan pola terang gelap yang diletakkan diantara optocoupler (yang merupakan pasangan LED sebagai pemancar cahaya dan phototransistor sebagai penerima) dan ikut diputar bersama simbu motor yang menghasilkan deretan pulsa yang bervariasi frekuensinya tergantung dari kecepatan motor.
Sebagai sensor temperatur digunakan IC LM35 (National Semiconductor) yang memiliki tegangan keluaran berbanding linear dengan temperatur dalam satuan 0C dengan perubahan 10 mV/0C.
3.2. Akuisi Data
Setelah melewati rangkaian pengkondisi sinyal yang terdiri dari penguat sinyal, low pass filter, dan antialiasing filter. Maka ketiga besaran yang diukur (temperatur, arus dan frekuensi) dilewatkan ke ADC 0809 (National Semiconductor) untuk mengubah sinyal analog ke digital yang selanjutnya diinterfacekan dengan IC FPGA.
3.3. Modul FPGA
FPGA (Field Programable Gate Array)meupakan otak dari keseluruhan system pengukuran viskositas minyak pelumas. FPGA berfungsi sebagai pengatur proses akuisisi data, melakukan proses perhitungan arithmatika persamaan viskositas, mengambil keputusan kelayakan pelumas dan menampilkannya pada papan LCD.
Gambar 8. Skematik Diagram
Device FPGA yang digunakan berupa IC Xilinx XC4010XL dalam kemasan PLCC 84 pin yang memiliki 400 CLB (Configurable Logic Block). Pada dasarnya IC ini memiliki dua buah elemen konfigurasi yang utama, yaitu CLB (Configurable Logic Block) yang berfungsi untuk mengimplementasikan fungsi-fungsi logika yang akan dibuat, dan IOB (Input Output Block) yang berfungsi sebagai interface tipe rangkaian luar. Selain itu terdapat tipe rangkaian internal yang mendukung arsitektur FPGA Xillinx, yakni Three State Buffer, Wide Edge Detector dan On Chip Oscilator.
Sebagai device yang dapat diprogram ulang, FPGA memerlukan proses konfigurasi sebelum dapat difungsikan sebagai sebuah rangkaian digital sesuai dengan yang diinginkan. Di dalam perancangan alat ini digunakan dua metode konfigurasi. Pertama secara slave serial dimana data konfigurasi dikirimkan melalui port paralel PC ke internal RAM FPGA dengan bantuan perangkat lunak XLTOOLS yang digunakan selama proses perancangan. Kedua melalui mode master paralel, dimana data disimpan dalam APROM 64Kb sehingga sistem dapat bekerja tanpa PC ketika program telah benar-benar selesai dibuat.
3.4. Perangkat Lunak
Modul-modul yang digunakan untuk mengkonfigurasi FPGA dibuat dengan bantuan perangkat lunak Xilinx Foundation v2.1 yang ditulis dengan menggunakan bahasa VHDL (Very High Speed IC Hardware Description Language). Secara garis besar terdapat 9 modul (function) yang dibuat yaitu
1. Akuisisi data
2. Pengontrol display LCD
3. Perhitungan nilai viskositas
4. Perhitungan indeks viskositas
5. Penyimpan referensi Grade SAE
6. Pengambil keputusan kelayakan pelumas
7. Pengubah bilangan biner-BCD
8. Pembangkit pulsa clock
9. Pembagi frekuensi
Selain itu dibuat juga program bantu untuk keperluan debuging dengan bantuan Delphi 5.0 untuk mengetahui perubahan parameter besaran yang diukur secara real time pada PC untuk mengetahui kinerja sistem secara keseluruhan.
Gambar 9. Tampilan Debugger
4. Pengujian dan Kalibrasi
Untuk memastikan keseluruhan sistem bekerja dengan baik, pengujian dilakukan terhadap sensor maupun seluruh rangkaian penunjang lainnya yang meliputi pengukuran limearitas ADC, temperatur, kecepatan putaran motor, arus motor dan pengukuran karakteristik motor.
Sebagai media kalibrasi digunakan viskometer tipe paralel plate yang mampu menghasilkan penunjukan berupa nilai viskositas absolute fluida pada temperatur 400C dan 1000C. dari hasil pengujian dan kalibrasi dapat dikataka keseluruhan sistem dapat bekerja dengan baik.
5. Kesimpulan
Untuk mendapatkan pengukuran pelumas yang lebih akurat, harus didukung dengan sensor yang dibuat dengan tingkat keakuratan yang tinggi.
Faktor lain yang turut mempengaruhi unjuk kerja pelumas seperti bahan pengotor yang dihasilkan dari proses pembakaran, sistem distribusi pelumas (tekanan) harus juga diperhatikan dalam penentuan tingkat kelayakan pelumas.
Agar dapat diaplikasikan secara langsung pada mesin kendaraan, perlu diusahakan struktur mekanik yang tepat sehingga sensor dapat terpasang dengan baik.
6. Daftar Pustaka
---, Competing technologies for Measuring Viscisity, http://www.cambridge-applied.com/tech/viscometers.html.
---, Engine Oil Viscosity Clasivication SAE J300, revised June 2001, http://www.chevron.com/
---, Flow & Suspension Properties, http://www.pharma.noveonic.com
---, Motors, http://www.srl.gatech.edu/
---, Oil Guide, http://www.api.com
---, Viscosity dependent temperatur & preasure, http://www.nd.edu/-ed/lubricants.htm
---, Z80 Controlled Viscometer Project, http://www.hanssumers.com/visc.htm
David E, Vande Bout, Pragmatic Logic Design with Xilinx Foyndation 2.Li, XESS Corp.
James F, Steve Ph.D P.E, Rheological Method in Food Process Engineering, 1996, second edition, http://www.egr.msu.edu/-steffe/
Kevin Skahill, March 1996, VHDL for Programable Logic. Cypress Semiconductor, Sunnyvale, California Addison Wesley Publishing Inc.
