Perencanaan dan Pembuatan Alat Ukur Viskositas

Oli Mesin pada Kendaraan Bermotor Berbasis Teknologi

Field Programable Gate Array ( FPGA ) Xilinx XC4010-XL

R. Indra Wijaya, ST

Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi – LIPI

Jl. Sangkuriang Komplek LIPI Gd. 20 Bandung 40135.

indra@ppet.lipi.go.id

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 adalah viskositas. Proses penggantian

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

berkaiatan 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 pada

mesin. Sehingga diharapkan dapat mencegah

keausan logam mesin akibat gesekan langsung.

Pemilihan jenis minyak pelumas harus

disesuaikan dengan kegunaan dan spesifikasi

minyak pelumas yang ada, selain juga harus

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 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 diraskan 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

aliaran 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

h

gaya (F) Luas area

v

v=0

distribusi kecepatan

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 sehubungan dengan gesekannya.

Hubungan tersebut berlaku untuk fluida

Newtonian, dimana perbandingan antara

tegangan geser (σ) dengan kecepatan geser (γ)

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 setebal 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 tidah

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 (σ) 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

(γ) pada lapisan fluida di suatu tempat pada

jarak y dari bidang tetap, dengan tidak adanya

tekanan fluida menjadi :

h

v

dy

dv==γ

Pada fluida newtonian perbandingan antara

besaran kecepatan geser dan tegangan geser

adalah konstan,

γ

ση

γησ

=

= .

dimana parameter (η) ini didefinisikan sebagai

viskositas absolut (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 :

sPa

msm

mN

.

.

2

===η

ση

Satuan Pa.s dirasakan terlalu besar dalam

prakteknya, maka diguanakan 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

dgunakan untuk mengukur viskositas suatu

fluida. Model viskometer yang umum

digunakan berupa viskometer 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 sistem

Couette dimana bagian luar silinder yang

diputar sedangkan bagian dalam silinder diam.

Fluida yang akan diukur ditempatkan pada

celah diantara 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 (ω)

pada silinder luar dengan jari – jari rl. Gaya (F)

yang bekerja terhadap fluida pada jarak r

diantara kedua silinder menghasilkan tegangan

geser (σ) pada fluida sebesar :

hr

T

hr

rT

A

F2.2..2 ππ

σ ===

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 :

dr

rd

dr

du ωγ −=−=

Hubungan antar kecepatan geser dengan

tegangan geser mengahasilkan persamaan

viskositas untuk fluida newtonian sebagai :

sParrhf

T

ld

.11

..4222

−=

πη

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. Viskositas (cSt) Suhu 1000 C

Tingkat Viskositas

SAE

Viskositas (cP) Suhu rendah

Min Max

Viskositas (cP)

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 < 9.3 2.6

30 9.3 < 12.5 2.9

40 12.5 < 16.3 2.9

50 16.3 < 21.9 3.7

60 21.9 < 26.1 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

relatif 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 minyah pelumas tersebut

semakin baik.

Berdasarkan standar pengukuran ASTM D567

(American Standart Test and Measurement)

pengukuran nilai IV didasarkan pada

persamaan :

%100xHL

ULIV

−

−=

dimana :

L : viskositas pelumas dengan IV=0% @1000F

H : viskositas pelumas dgn IV=100% @ 1000F

U : viskositas pelumas yang diukur pada 1000F

Silinder luar

Silinder dalam

Fluida terukur

h

rd rl

ω

M

PENGKONDISI SINYAL ARUS

PENGKONDISI KECEPATAN

PENGKONDISI TEMPERATUR

SAMPLE & HOLD

ADC

FPGA

LCD DISPLAY

EPROM

GRADE DATABASE

PARALEL PC-CONN

3. Perancangan Alat. Tingkat kelayakan minyak pelumas didapatkan

dari hasil pengukuran viskositas dan

temperatur, yang menghasilkan besaran indeks

viskositas. Bila didapatkan dua buah titik

pengukuran viskositas viskositas pada suhu

yang berbeda, maka bila 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

silinder 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.

Gambarb 6. Model listrik motor DC.

Persamaan tranduser motor dapat dinyatakan :

IKT

KE

m

v

.

.

=

= ω

dimana Kv sebagai konstanta kecepatan motor

dan Km sebagai konstanta mekanis motor.

Hubungan antara kecepatan dengan torsi motor

dapat dirumuskan sebagai :

2

.

K

TR

K

V−=ω

Sehingga nilai torsi yang bekerja pada motor

jika dibebani dapat diketahui :

0

..

ω

IVIKT ==

dengan memasukkan unsur T ini, maka

persamaan viskositas menjadi :

sParrhff

T

ld

.11

...822

0

2

−=

πη

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

menghasilkan frekuensi tanpa beban (f0)

sebesar 27.5Hz maka, persamaan viskositas

sebagai fungsi arus dan frekuensi dapat

dinyatakan sebagai :

smPaf

I.

89.219=η

Dengan mengukur tegangan jatuh pada R maka

dapat diketahui besarnya arus yang mengalir

pada kumparan jangkar motor ( I = VR / R).

Gambar 7. Enkoder kecepatan.

Untuk mendapatkan besaran frekuensi putaran

silinder dalam viskometer digunakan enkoder

yang terdiri dari sebuah piringan dengan pola

terang gelap yang diletakkan diantara

optocoupler (yang merupakan pasangan LED

sebagai pemancar cahaya dan phototransistor

V

R

I

E=Kv.ω

(Back EMF)

T & ω

E

LED

Phototransistor

Cakram Enkoder

sebagai penerima) dan ikut diputar bersama

sumbu 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. Akuisisi Data. Setelah melewati rangkaian pengkondisi sinyal

yang tediri 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)

merupakan otak dari keseluruhan sistem

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.

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 inteface

dengan rangkaian luar. Selain itu terdapat tiga

tipe rangkaian internal yang mendukung

arsitektur FPGA Xillinx, yakni : Three State

Buffer, Wide Edge Detector dan On Chip

Oscilator.

Sebagi device yang dapat diprogram ulang,

FPGA memerlukan proses konfigurasi sebelum

dapat difungsikan sebagi sebuah rangkaian

digital sesuai dengan yang diiinginkan. Ddalam

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 EPROM 64Kb sehingga

sistem dapat bekerja tanpa PC ketika program

telah benar – benar selesai dibuat.

Gambar 8. Skematik Diagram.

3.4. Perangkat Lunak. Modul – modul yang digunakan untuk

mengkonfiguransi 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. Penbagi 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 sisitem secara

keseluruhan.

Gambar 9. Tampilan Debugger

4. Pengujian dan Kalibrasi.

Untuk memastikan keseluruhan sistem bekerja

dngan baik, pengujian dilakukan terhadap

sensor maupun seluruh rangkaian penunjang

lainnya yang meliputi pengukuran linearitas

ADC, temperatur, kecepatan putaran motor,

arus motor dan pengukuran karakteristik

motor.

Sebagi media kalibrasi digunakan viskosimeter

tipe paralel plate yang mampu menghasilkan

penunjukan berupa nilai viskositas absolut

fluida pada temperatur 400C dan 100

0C. Dari

hasil pengujian dan kalibrasi dapat dikatakan

keseluruh 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 kendaran, perlu diusahakan struktur

mekanik yang tepat sehingga sensor dapat

terpasang dengan baik.

5. Daftar Pustaka.

[1] ---, Competing technologies for Measuring

Viscosity, http://www.cambridge-

applied.com/tech/viscometers.html.

[2] ---, Engine Oil Viscosity Clasivication –

SAE J300, revised June 2001,

http://www.chevron.com/

[3] ---, Flow & Suspension Properties,

http://www.pharma.noveonic.com

[4] ---, Motors, http://www.srl.gatech.edu/

[5] ---, Oil Guide, http://www.api.com

[6] ---, Viscosity dependent temperatur &

preasure,

http://www..nd.edu/~ed/lubricants.htm

[7] ---, Z80 Controlled Viscometer Project,

http://www.hanssummers.com/visc.htm

[8] David E. Vande Bout, Pragmatic Logic

Design with Xilinx Foundation 2.1i, XESS

Corp.

[9] James F. Steve Ph.D P.E, Rheological

Method in Food Process Engineering,

1996, second edition,

http://www.egr.msu.edu/~steffe/

[10] Kevin Skahill, March, 1996, VHDL for

Programable Logic. Cypress

Semiconductor, Sunnyvale, California

Addison Wesley Publishing Inc.