Proses pelayuan pada pengolahan teh hitam dicirikan oleh dua macam pelayuan, yaitu pelayuan kimia dan pelayuan fisis.

1. DESAIN DAN KARAKTERISASI LOAD CELL TIPE CZL601 SEBAGAI
SENSOR MASSA UNTUK MENGUKUR DERAJAT LAYU PADA
PENGOLAHAN TEH HITAM
Iwan Sugriwan1
, Melania Suweni Muntini1
, Yono Hadi Pramono2
1
Laboratorium Elektonika-Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya
2
Laboratorium Optoelektronika dan Microwave Jurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya
Email: iwan_unlam@yahoo.com
Abstrak
Proses pelayuan pada pengolahan teh hitam dicirikan oleh dua macam pelayuan, yaitu pelayuan kimia
dan pelayuan fisis. Ciri utama dari pelayuan fisis adalah melemasnya daun teh karena kehilangan sekitar 47%
kadar air. Kehilangan massa karena kehilangan kadar air ini diindera oleh load cell tipe CZL601 sebagai sensor
massa. Load cell dikalibrasi menggunakan pembeban (anak timbangan, timbal) yang telah diukur nilai benarnya
di Laboratorium Gaya dan Massa Balai Pengamanan Fasilitas Kesehatan (BPFK) Surabaya. Sinyal keluaran dari
load cell, berupa tegangan, dihubungkan dengan penguat operasional yang dikonfigurasi sebagai penguat
instrumentasi. Keluaran dari penguat instrumentasi selanjutnya menjadi data proses untuk rangkaian
mikrokontroler Atmega8 dan diantarmuka pada Liquid Chrystall Display (LCD) dan komputer pribadi. Rancang
bangun load cell dan rangkaian elektronisnya didesain khusus untuk dapat digunakan sebagai instrumen
pengukur derajat layu yang akan ditempatkan di atas mesin palung pelayuan (withering trough), di mana derajat
layu adalah kuantitas yang menunjukkan perbandingan berat daun teh kering dengan daun teh layu. Persamaan
karakteristik load cell yang menyatakan hubungan antara tegangan dalam volt, V, dan massa dalam gram, m,
adalah V = 0.0001m + 0.2014. Dari hasil karakterisasi, load cell tipe CZL601 dapat mengukur beban sampai
dengan 20 kilogram dengan sensitivitas 0,02 kg. Load cell menunjukkan performa tinggi yaitu dengan linieritas
tinggi dan tanpa hysteresis.
Kata kunci: derajat layu, load cell, pelayuan, penguat instrumentasi, teh hitam
1. PENDAHULUAN
Load cell adalah sebuah sensor gaya yang
banyak digunakan dalam industri yang memerlukan
peralatan untuk mengukur berat (Piskorowski et.al.,
2008). Secara umum, load cell dan sensor gaya
berisi pegas (spring) logam mekanik dengan
mengaplikasikan beberapa foil metal strain gauges
(SG). Strain dari pegas mekanik muncul sebagai
pengaruh dari pembebanan yang kemudian
ditransmisikan pada strain gauges. Pengukuran
sinyal yang dihasilkan dari load cell adalah dari
perubahan resistansi strain gauge yang linier dengan
gaya yang diaplikasikan (Mauselein et.al., 2009).
Kalibrasi dan karakterisasi load cell dapat
dilakukan baik secara analog maupun digital.
Kalibrasi secara analog merujuk pada sinyal
keluaran, yang umumnya berupa tegangan, diukur
langsung dengan peralatan dalam format analog.
Pada proses kalibrasi digital sinyal keluaran diukur
dengan instrumen yang telah mengintegrasikan
peralatan digital. Menggunakan load cell dengan
keluaran digital yang terintegrasi dengan
pemrosesan sinyal memungkinkan penyesuaian gain
menjadi sebuah penguatan sederhana dari keluaran
load cell dengan sebuah persamaan karakteristik.
Dalam kasus ini, proses kalibrasi berarti menghitung
koefisien penguatan, yang diberikan dengan solusi
dari persamaan karakteristik yang dihasilkan dari
performa general purpose microcomputer yang lebih
umum disebut mikrokontroler. Namun demikian,
pada kalibrasi digital diperlukan rangkaian pemroses
sinyal yang menyertakan penguat operational,

2. pengonversi analog ke digital dan unit pengolah
yang telah terintegrasi dalam mikrokontroler (Rocha
et.al., 2000).
Kalibrasi dan karakterisasi load cell ini
akan digunakan untuk mengukur derajat layu pada
proses pelayuan (withering) pengolahan teh hitam.
Pada proses pelayuan, daun teh kehilangan kadar air
sebanyak 47 %. Kehilangan masa yang disebabkan
oleh kehilangan kadar air ini dapat digunakan untuk
menentukan kelayuan daun teh. Secara kuantitatif
kelayuan tersebut dinyatakan dalam persentase layu
dan derajat layu. Persentase layu didefinisikan
sebagai perbandingan antara bobot pucuk teh segar
dengan bobot pucuk layu. Derajat layu didefinisikan
sebagai perbandingan berat hasil teh kering dengan
pucuk layu (Santoso dkk., 2008).
Proses pelayuan pengolahan teh hitam di
Pusat Penelitian Teh Kina (PPTK) Gambung,
Bandung, dilakukan dengan menggunakan withering
trough sebagai tempat daun teh dihamparkan. Daun
teh segar dihamparkan pada mesin withering trough
dengan ketebalan 30 cm untuk dilayukan oleh udara
kering atau dengan aliran udara panas selama sekitar
20 jam. Untuk menentukan apakah daun teh telah
cukup layu, diperiksa oleh para pekerja teknis di
pelayuan dengan cara meraba. Segenggam daun teh
dikepal sambil digulung lalu dilemparkan, dan jika
kepalan tidak terhambur maka daun teh dianggap
telah layu. Masalahnya penentuan kelayuan teh
dengan menggunakan peraba berpotensi untuk tidak
konsisten dan bersifat subyektif yang berakibat pada
ketidakkonsistenan terhadap mutu teh hitam.
Pada makalah ini disampaikan hasil
penelitian untuk mengurangi subjektivitas dengan
cara mengkuantisasi ukuran kelayuan daun teh.
Salah satu caranya adalah dengan menggunakan
sensor massa. Kehilangan massa pada proses
pelayuan akan diindera dengan sensor massa
menggunakan load cell jenis single point model
CZL601yang mampu mengukur beban sampai
dengan 20 kg. Rangkaian sensor massa berikutnya
akan dihubungkan dengan pengkondisi sinyal
dengan mengaplikasikan penguat instrumentasi
sebagai data proses untuk blok rangkaian berikutnya
yaitu mikrokontroler AVR ATmega8 yang
berikutnya diantarmuka pada komputer pribadi.
2. DASAR TEORI
2.1 Load cell sebagai Sensor Massa
Transduksi massa dapat bervariasi
bergantung pada perubahan parameter fisis yang
digunakan. Sensor massa juga dapat menggunakan
divais berbasis piezoresistif, kapasitif, mekanis dan
lain-lain. Piezoresistif yang popular adalah strain
gage yang memanfaatkan perubahan resistansi strain
gage setiap mendapat deformasi dari posisi
setimbang sebagai akibat pembebanan massa
tertentu. Strain adalah sejumlah deformasi pada
material sebagai pengaruh dari aplikasi gaya. Lebih
spesifik, strain (ε) didefinisikan sebagai
perbandingan perubahan panjangnya, sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah ini (National
Instrument, 1998):
Gambar 1. Definisi strain
Terdapat beberapa metode untuk mengukur strain,
yang berikut ini adalah dengan strain gauge, sebuah
device dengan beberapa resistansi bervariasi dan
proporsional dengan sejumlah strain dalam divais.
Sebagai contoh, piezoresistive strain gauge yang
merupakan semiconductor device di mana resistansi
berubah taklinier dengan strain. Gauge, yang paling
luas digunakan adalah bonded metallic strain gauge,
berisi beberapa fine wire atau metallic foil yang
disusun dalam pola garis (grid) seperti yang

3. ditunjukkan pada Gambar 2. Pola garis dimaksimasi
dengan sejumlah kawat metalik dalam arah paralel.
Gambar 2. Pola garis metallic strain gauge
Parameter fundamental dari strain gauge
adalah sensitivitas dari strain, diekspresikan secara
kuantitatif sebagai gauge factor (GF). Gauge factor
didefinisikan sebagai rasio dari pembagian
perubahan dalam resistansi dengan pembagian
perubahan dari panjangnya (strain):
‫ܨܩ‬ =
∆ோ
ோൗ
∆௅
௅ൗ
=
∆ோ ோ⁄
ఌ
Gauge factor untuk metallic strain gauges secara
tipikal adalah di sekitar 2. Idealnya, resistansi dari
strain gauge berubah hanya terhadap respon yang
diaplikasikan pada strain gauge material,
sebagaimana spesimen material di mana gauge
diaplikasikan, juga akan merespon terhadap
perubahan temperatur.
Divais yang menggunakan prinsip strain
gauge secara internal yang sering digunakan untuk
pengukuran massa adalah load cell. Load cell
merupakan divais yang menggunakan efek
piezoresistif dengan bentuk fisik ditunjukkan pada
Gambar 3. Pada penelitian ini akan digunakan load
cell dengan rentang massa maksimum adalah 20 kg.
Gambar 3. Load cell single point model CZL601
2.2 Akuisisi Data
Keluaran dari sensor massa, load cell,
adalah tegangan dan berikutnya dihubungkan
dengan Penguat instrumentasi (instrumentation
amplifier, IA). Selanjutnya penguat instrumentasi
adalah pengembangan dari penguat diferensial
(selisih tegangan) yang mengakomodasi masukan
selisih tegangan secara klasik ditunjukkan pada
Gambar 4 di bawah ini:
Gambar 4. Skema Penguat Instrumentasi Klasik (Fraden, 2003)
Penguat instrumentasi dibangun oleh tiga
buah op-amp. Op-amp 1 dan 2 (U1 dan U2)
dikonfigurasi sebagai penguat selisih tegangan,
sedangkan op-amp ketiga dikonfigurasi sebagai
penguat non-inverting. Penguat instrumentasi
didesain dan harus memenuhi tegangan offset
minimum, penguatan stabil, ketaklinieran rendah,
input impedansi sangat tinggi, output impedansi
sangat rendah, serta rasio penolakan modus bersama
(common mode rejection ratio, CMMR) sangat
tinggi (Terrel, 1996).
Tegangan keluaran yang dihasilkan dari
rangkaian Gambar 2.4 adalah bergantung pada nilai-
nilai resistor dan selisih tegangan masukan yang
diterapkan pada differential voltage, V1 dan V2,
menurut persamaan (Tompkin, 1988):
ܸ଴ୀሺܸଵ − ܸଶሻ ቀ1 +
ሺோଵାோଶሻ
ோ௚
ቁ
sedangkan besar penguatannya (gain, A) dirumuskan
sebagai:
‫ܣ‬ = ቀ1 +
ሺோଵାோଶሻ
ோ௚
ቁ

4. Selanjutnya tegangan keluaran dari
penguat instrumentasi selanjutnya dihubungkan
dengan mikrokontroler yang mengaplikasikan AVR
Atmega8. ATmega8 adalah mikrokontroler 8 bit
berdaya rendah dengan arsitektur RISC (reduce
Instruction Set Computer) dan menggunakan
arsitektur harvard (dengan memori dan bus yang
terpisah untuk program dan data). Perintah dapat
dieksekusi dalam satu periode clock untuk setiap
instruksi dan instruksi dalam program memori
dijalankan dengan single level pipelining, ketika satu
instruksi dijalankan, instruksi selanjutnya telah siap
diambil dari program memori. Gambar 5 adalah
konfigurasi kaki ATmega8 dalam kemasan DIP
(dual in line package) (Kurniawan, 2009).
Gambar 5. Diagram Pin Mikrokontroler AVR ATMEGA8-P
Secara internal, ATmega8 terdiri dari blok-
blok diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar
6. Masing-masing blok tersebut antara lain program
counter yaitu register yang berfungsi sebagai
penghitung eksekusi program yang dilakukan
mikrokontroler. Arithmatic Logic Unit (ALU, unit
logika aritmatik) berfungsi melakukan proses
aritmatika (+,-,*,/) dan logika (And, Or, Not).
Random Access Memory (RAM, memori akses
acak) adalah berupa memori volatile (data tak
terhapus jika catudaya dimatikan) yang isinya dapat
dibaca dan dihapus, digunakan menyimpan variabel.
Flash Program Erasabel Read Only Memory (Flash
PEROM, memori hanya baca dapat dihapus dengan
program) merupakan memori hanya dapat dibaca,
digunakan untuk menyimpan program. Electrical
Erasable Proram Read Only Memory (EEPROM)
yaitu memori nonvolatile, dapat dibaca dan ditulis
(dengan kemampuan terbatas), digunakan
menyimpan konstanta, setting dan lain-lain. Register
adalah tempat untuk menyimpan data sementara.
Accumulator (akumulator) merupakan register
penampung proses aritmatik. Stack Pointer (SP)
adalah register penampung data dengan metode
LIFO (last in first out). Blok terakhir adalah
Input/Output port (I/O port, terminal
masukan/keluaran) yakni register sebagai sarana
komunikasi dengan periferal (peralatan di luar
mikrokontroler).
Gambar 6. Diagram Blok Mikrokontroller AVR ATM8-P
3. DESAIN DAN METODE
Desain sistem instrumentasi untuk
pengukuran derajat layu pada pengolahan teh hitam
terdiri dari blok sensor massa yang menggunakan
load cell tipe CZL601, blok catu daya (power
supply), blok penguat instrumentasi, blok
mikrokontroler dan peraga (display). load cell
dirancang untuk ditempatkan pada mesin palung
pelayuan. Load cell ditempatkan pada rangka
mekanis yang dibuat statis pada salah satu ujungnya,
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Load Cell dan keranjang pada rangka Statis

5. Pada ujung yang lain digantungkan sebuah
rangka besi segi empat sebagai keranjang tempat
menyimpan objek yang akan diukur massanya.
Untuk mendapatkan hubungan antara massa dengan
tegangan pada load cell dilakukan proses kalibrasi
menggunakan anak timbangan (timbal). Timbal ini
dibuat di bengkel logam Laboratorium Fisika Dasar
Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh
Nopember Surabaya.
Sinyal keluaran dari load cell dihubungkan
dengan rangkaian penguat instrumentasi yang
ditempatkan dalam sebuah casing box bersama
dengan rangkaian catu daya dan mikrokontroler.
Keseluruhan perangkat keras ditempatkan di atas
mesin palung pelayuan seperti ditunjukkan pada
Gambar 8.
Gambar 8. Perangkat keras akuisisi pada palung pelayuan
4. HASIL DAN DISKUSI
Sebelum diimplementasikan di industri
pengolahan teh hitam, terlebih dahulu load cell
harus dikalibrasi. Kalibrasi dilakukan dengan non-
zero calibration pada tegangan, di mana tegangan
keluaran tidak menunjukkan nol ketika belum diberi
anak timbangan sebagai pembeban (tanpa
pengaturan ofset nol). Timbal sebagai pembeban
dikalibrasi di Laboratorium Gaya dan Massa Balai
Pengamanan Fasilitas Kesehatan (BPFK) Surabaya
pada tanggal 7 April 2010. Anak timbangan
bersertifikat yaitu merk sartorius, model/tipe YCW
553-00, nomor seri 15929662, kelas F1 dengan
nominal 500 gram. Massa konvensional anak
timbangan standar adalah 499,9996 gram dengan
ketidakpastian 0,63 gram. Pada waktu dilakukan
kalibrasi, terdokumentasi densitas udara 7390
Kg/m3
. Timbangan yang digunakan untuk
mengkalibrasi timbal yaitu merk sartorius,
model/tipe CP12001S, nomor seri 161108413,
kapasitas 12,1 kilogram dengan resolusi 0,1 gram.
Metode kerja mengacu ke OIML R111-1 Part-1 &
Part-2 Edition 2004 (E).
Hasil kalibrasi terhadap delapan timbal
ditunjukkan pada tabel 1. Kondisi ruang ketika
diambil pengukuran, suhu 23,2 ± 0,07 0
C,
kelembaban relatif 50,2 %RH, dan tekanan 1009,5
hPa.
Tabel 1. Data hasil kalibrasi timbal
Nilai
(g)
Nomor
Timbal
Massa
Konvensional
(g)
Ketidakpastian
Pengukuran
(g)
500 1
2
3
4
5
6
7
8
499,9982
499,9978
500,0015
499,9995
499,9940
499,9993
499,9983
499,9960
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
0,21
Timbal yang telah diketahui massa konvensionalnya
digunakan sebagai data kalibrasi load cell untuk
mendapatkan hubungan karakteristik antara massa,
m, dengan tegangan, V. Variasi massa diperoleh
dengan menambahkan timbal ke dalam keranjang,
Gambar 7, yang menyebabkan perubahan tegangan
yang diukur dengan multitester digital. Hasil
kalibrasi load cell dengan timbal ditunjukkan pada
tabel 2 yang berpadanan dengan grafik karakteristik
yang ditunjukkan pada Gambar 9. Pada kalibrasi
load cell ini dilakukan dengan cara menambahkan
timbal satu per satu sampai dengan beban total
sekitar 4 kilogram timbal yang selanjutnya respon
tegangannya dicatat (pengukuran naik).

6. Tabel 2. Kalibrasi Load cell dengan timbal
No. Massa Timbal
(g)
Tegangan
(V)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
-
499.9982
999.9960
1,499.9975
1,999.9970
2,499.9910
2,999.9903
3,499.9886
3,999.9846
0.2033
0.2541
0.3079
0.3607
0.4144
0.4682
0.5219
0.5757
0.6295
Kalibrasi load cell juga dilakukan dengan
cara pengukuran turun. Delapan timbal dengan berat
sekitar 4 kilogram dimasukkan ke dalam keranjang
pembeban. Timbal diambil satu persatu dan respon
tegangan yang keluar dari load cell dicatat. Hasil
yang diperoleh untuk pengukuran naik dan turun
memberikan respon tegangan yang sama. Grafik
karakteristik untuk pengukuran naik dan turun
seperti pada Gambar 9 di bawah ini:
Gambar 9. Grafik karakteristik kalibrasi load cell
Penempatan timbal dalam keranjang
diatur sedemikian sehinggga load cell tersebar
merata secara merata (setimbang). Dalam
karaktererisasi load cell, telah dilakukan
penempatan timbal pada masing-masing keempat
sudutnya. Selanjutnya dilakukan pengukuran naik
dan turun seperti semula dan respon tegangan
diukur. Hasil pengukuran dengan penempatan timbal
berkelompok di masing-masing sudutnya
memberikan respon tegangan yang sama dengan
respon tegangan ketika penempatan timbal
menyebar. Hal ini terjadi karena pembebanan
menekan salah satu ujung load cell pada satu titik.
Dari hasil karakterisasi pada load cell,
diperoleh persamaan karakteristik V = 0.0001m +
0.2014. Persamaan karakteristik ini menyatakan
hubungan antara tegangan dan massa yang
selanjutnya akan digunakan untuk antarmuka pada
LCD. Dari grafik karakteristik Gambar 9 juga
diketahui bahwa load cell telah berunjuk kerja
dengan linieritas tinggi dan error histeresis yang
sangat rendah. Karakteristik load cell ini dapat
digunakan untuk mengukur derajat layu pada
pengolahan teh hitam dengan memanfaatkan
kehilangan kadar air pada daun teh.
Secara keseluruhan sistem instrumentasi,
blok-blok rangkaian elektronis yang terdiri dari blok
sensor, power supply, penguat instrumentasi,
mikrokontroler dan display telah menunjukkan
performa yang baik. Rangkaian catu daya didesain
untuk menghasilkan tegangan +5V, +10 V, -10 V
dan ground. Penguat instrumentasi klasik dengan
menempatkan R1, R2, R3 dan R4 = 10 k , Rg = 1
k , R5 dan R6 = 100 k , mengkonfigurasi besarnya
penguatan sekitar 40 kali. Rangkaian mikrokontroler
yang mengaplikasikan ATMega8 digunakan untuk
mengubah tegangan analog ke digital dan antarmuka
pada LCD dan personal komputer.
5. KESIMPULAN
Dari hasil karakteristik dan kalibrasi
terhadap sensor massa, load cell tipe CZL601, dapat
disimpulkan bahwa:
1. Rangka mekanis dari bahan logam dibuat khas
untuk dapat ditempatkan di atas palung
pelayuan, pada mana salah satu ujung load cell
dibuat dibuat statis dan ujung lainnya
digantungkan sebuah keranjang sebagai
pembeban.
2. Delapan anak timbangan (timbel), sebagai
pembeban kalibrator untuk load cell, dengan
V = 0.0001m + 0.2014
R² = 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 2000 4000 6000
Tegangan(volt)
Massa (gram)

7. berat nominal masing-masing sekitar 500 gram
telah dikalibrasi di Laboratorium Massa dan
Gaya BPFK Depkes Surabaya untuk
mengetahui nilai benarnya di mana kalibrator
timbangan dan anak timbangan bersertifikat
dan tertelusur.
3. Load cell sebagai sensor massa, penguat
instrumentasi, dan perangkat akuisisi bekerja
sebagai sebuah sistem instrumentasi
pengukuran derajat layu pada pengolahan teh
hitam.
4. Load cell dengan desain untuk digunakan
sebagai pengukur derajat layu pengolahan teh
hitam menunjukkan persamaan karakteristik V
= 0.0001m + 0.2014. Unjuk kerja dari load cell
sangat baik yang ditandai oleh linieritas yang
sangat tinggi dan error histeresis yang sangat
rendah.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Saudara Moch. Adi
Wardhana yang telah membantu dalam menyiapkan
kelengkapan instrumen dan kepada Ibu Betty
Rahayu dan Ibu Rikyan di BPFK Surabaya yang
menyediakan fasilitas kalibrasi
DAFTAR PUSTAKA
Fraden, Jacob. 2003. Handbook Of Modern
Sensors: Physics, Designs, and
Applications. AIP Press. San Diego.
J.G. Rocha, C. Couto, J.H. Correia. 2000. Smart
load cells: an industrial application. Sensor
and Actuator, ScienceDirect Journal,
Elsevier.
Jacek Piskorowski, Tomasz Barcinski. 2008.
Dynamic compensation of load cell
response: A time-varying approach.
Mechanical Systems and Signal Processing.
ScienceDirect Journal, Elsevier.
Kurniawan, Dayat. 2009. ATMega 8 dan
Aplikasinya. PT Elex Media Komputindo.
Jakarta.
Santoso, Joko., Suprihatini, Rohayati., Abas
Tadjudin., Rohdiana, Dadan., Shabri. 2008.
Petunjuk Teknis Pengolahan Teh. Pusat
Penelitian Teh dan Kina (PPTK) Gambung.
Bandung.
Sascha Mäuselein, Oliver Mack, Roman Schwartz.
2009. Investigations into the use of single-
crystalline silicon as mechanical spring in
load cells. Measurement, ScienceDirect
Journal, Elsevier.
Terrel, David L. 1996. Op-Amps: Design,
Application, and Troubleshooting. Elsevier
Science and Technology. Oxford UK.
Tompkins, W.J., Webster, J.G. 1988. Interfacing
Sensor To The IBM PC. Printice Hall.
Englewood Cliffs USA.