4

BAB II

DASAR TEORI

Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara

lain mengenai biogas, sensor gas TGS 2610, sensor suhu Termokopel tipe K, sensor

tekanan MPX 5500D, mikrokontroler AVR ATmega8535 dengan fasilitas yang

digunakan (ADC), dan penampil LCD karakter 20 × 4.

2.1 Biogas

Biogas adalah gas metana (CH4) dan campuran gas lain yang didapat dari

digester, termasuk limbah dan kotoran. Untuk memanfaatkan gas ini, digester dibangun

dan dikendalikan untuk mendukung produksi dan ekstrasi gas metana. Proses biogas

terjadi dalam keadaan anaerob yaitu kondisi tertutup tanpa ada oksigen dari lingkungan.

Hal ini penting karena keberadaan gas oksigen dapat membunuh bakteri anaerob yang

bertugas sebagai bakteri pengurai. Bakteri anaerob menghancurkan bahan karbohidrat,

nutrisi seperti senyawa nitrogen akan terlarut sehingga menghasilkan pupuk dan humus

yang sangat baik. [3]

Secara umum terdapat 3 pilihan rentang suhu yang mendukung jenis bakteri

tertentu untuk proses fermentasi yaitu:

1. Bakteri Psicrophilic yang hidup pada temperatur sekitar 200C. Waktu

penyimpanan dalam digester adalah lebih dari 60 hari.

2. Bakteri Mesophilic yang hidup pada temperatur sekitar 350C. Waktu

penyimpanan dalam digester adalah 30-60 hari.

3. Bakteri Thermophilic yang hidup pada temperatur sekitar 550C. Waktu

penyimpanan dalam digester adalah 10-16 hari.

Terdapat tiga kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan

biogas yaitu:

1. Kelompok bakteri fermentatif, yaitu: Steptococci, Bacteriodes, dan beberapa

jenis Enterobactericeae.

2. Kelompok bakteri asetogenik, yaitu Desulfovibrio.

3. Kelompok bakteri metana, yaitu Mathanobacterium, Mathanobacillus,

Methanosacaria, dan Methanococcus.

5

Gas yang dihasilkan merupakan campuran dari beberapa gas, yaitu CH4 (50%),

disertai gas pengotor CO2(45%) dan gas gas lainya sekitar 5% yaitu H2O, H2S serta H2.

Dari semua gas pengotor tersebut H2S merupakan gas yang sangat perlu diperhatikan

karena bersifat korosif sehingga dapat merusak sistem pipa - pipa serta mesin – mesin

yang menggunakan biogas ini sebagai bahan bakar. Oleh sebab itu proses pemurnian

gas perlu dilakukan. Cara yang paling sederhana untuk menghilangkan H2S adalah

dengan melewatkanya melalui air karena H2S akan terserap oleh air melalui reaksi

kimia yang kompleks sehingga biogas yang dihasilkan menjadi lebih bersih.[4]

Prinsip utama proses pembentukan biogas adalah pengumpulan bahan yaitu

eceng gondok yang sudah bersih dari kotoran dan lumpur, selanjutnya dimasukan ke

dalam mesin pencacah agar eceng gondok tercacah menjadi potongan–potongan kecil,

kemudian dimasukan ke dalam tangki fermentasi yang disebut tangki digester. Di dalam

tangki digester tersebut, eceng gondok akan dicerna dan difermentasi oleh bakteri–

bakteri seperti yang disebutkan diatas. Terjadinya penumpukan produksi gas akan

menimbulkan tekanan sehingga gas tersebut dapat disalurkan melalui pipa yang

dipergunakan untuk keperluan bahan bakar atau pembangkit listrik.

Secara umum digester terdiri dari beberapa bagian, yaitu:

1. Bak penampung bahan dengan pipa masukan (inlet).

2. Tabung digester (tabung fermentasi).

3. Bak penampung lumpur sisa fermentasi (slurry).

4. Bak penampung gas (gas holder).

5. Pipa biogas keluar

6. Penutup digester (tabung fermentasi) dengan penahan gas (gas sealed).

7. Lumpur aktif biogas.

8. Pipa keluaran slurry (outlet). [5]

Gambar 2.1 Skema digester biogas tipe fixed dome plant

6

Gambar 2.2 Digester Dar es Salaam, Tanzania (kiri) dan model yang sama dari BIOTECH

(kanan) [11]

Gambar 2.3 Desain digester Kementerian Negara Lingkungan Hidup, 2009 [12]

Tabel 2. Nilai kesetaraan biogas [12]

Aplikasi 1 m3 biogas setara dengan

Penerangan 6-100 watt lampu bohlam selama enam jam

Masak Tiga jenis makanan untuk keluarga (5 orang)

Pengganti bahan bakar 0,7 kg minyak tanah

Tenaga Menjalankan motor 1 tenaga kuda selama 2 jam

Pembangkit tenaga Menghasilkan 1,25 kWh listrik

Penentuan Volume Tabung Fermentasi [13]

1. Menurut Yoshy (1981), kebutuhan gas bio setiap keluarga petani peternak rata – rata

1,6 m3, sedangkan produksi gas bio rata – rata 0,18 m3 per satu meter kubik volume

tangki fermentasi. Atas dasar tersebut maka volume tangki fermentasi adalah 1,6 / 0,18

= 8,9 m3.

2. Kebutuhan masak setiap hari rata – rata dua jam dan lampu 7 jam . menurut Hadi

(1981) kebutuhan kompor setiap jam 250 liter dan lampu 160 liter. Jadi gas bio yang

diperlukan setiap hari adalah (2 x 250liter + 7 x 160liter)= 1620 liter = 1,62 m3. [9]

http://menyelamatkandanaulimboto.files.wordpress.com/2011/03/010.jpg

7

Volume tabung yang di buat

Volume = ¼ 𝜋d2t = ¼ x 3,14 x (0,55m)2 x 1,2 = 0,28944 m3

Jadi dengan menggunakan cara kedua, apabila kebutuhan kompor rata – rata per jam

sebesar 250 liter (0,25m3), maka dengan volume tabung fermentasi 0,289 m3 sudah dapat di

gunakan untuk memasak selama kurang lebih satu jam.

2.2 Sensor Gas TGS 2610

Merupakan sensor gas yang digunakan untuk mendeteksi gas etanol, hidrogen,

metana, dan iso-butana/propana.

Gambar 2.4. Sensor gas TGS 2610 [6]

Sensor TGS 2610 membutuhkan 2 tegangan input yaitu tegangan pemanas dan

tegangan rangkaian. Tegangan pemanas diterapkan dengan pemanas terintegrasi untuk

mempertahankan sensor pada spesifik suhu yang optimal untuk pengindraan. Tegangan

rangkaian digunakan untuk memungkinkan pengukuran VRL (tegangan beban) diseluruh

resistor beban (RL) yang terhubung dalam seri dengan sensor. [6]

Gambar 2.5. Skema sensor gas [6]

8

2.3 Sensor Suhu Thermokopel

Termokopel adalah sensor termperatur yang paling banyak digunakan dalam

industri disebabkan kesederhanaan dan kehandalanya. Termokopel terdiri dari dua

konduktor atau termoelemen yang berbeda, dihubungkan menjadi satu rangkaian seperti

terlihat pada gambar berikut :

Gambar 2.6. Diagram skematik termokopel

Dua termoelemen A dan B dihubungkan ( junction ) dan jika temperatur antara

junction pertama (cold junction) dan kedua (hot junction) berbeda maka akan timbul

arus akibat gaya gerak listrik (EMF).

Gambar 2.7. Pengukuran EMF

Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan voltmeter dengan

impedansi yang tak terhingga (besar sekali), seperti yang terlihat pada Gambar 2.7,

maka akan terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan tersebut dikenal sebagai tegangan

Seebeck. Laju perubahan nilai tegangan akibat perubahan temperatur disebut dengan

koefisien Seebeck.

Jika termokopel digunakan untuk mengukur temperatur hot junction (Gambar

2.7) maka tegangan Seebeck pada cold junction, hot junction serta temperatur cold

junction harus diketahui terlebih dahulu. Karena cold junction juga menghasilkan

tegangan Seebeck maka untuk mempermudah pembacaan temperatur pada tabel

termokopel, cold junction ditempatkan pada ice point of water (titik cair es)

EMF, sebenarnya timbul karena gradien temperatur sepanjang kawat yang

menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan mengasumsikan kawat

termokopel homogen maka EMF didapat akibat perbedaan temperatur hot junction dan

cold junction.

9

Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan temperatur

adalah

𝐸𝐴𝐵 (𝑇) =𝑆𝐴𝐵 (𝑇) Δ𝑇 .................................................................. (2.1)

Di mana :

EAB (T) = tegangan Seebeck

S (T) = koefisien Seebeck,

ΔT = perbedaan temperatur antara hot junction dengan cold junction.

Perilaku termokopel ideal dapat dijelaskan dengan hukum termoelektrik berikut:

1. Law of Homogenous Metals

EMF tidak akan ada jika termoelemen A dan B merupakan konduktor dari bahan

yang sama.

2. Law of Intermediate metals

Jika ada penambahan material C pada rangkaian termokopel, maka tegangan

Seebecknya akan sama dengan nol jika material tersebut pada temperatur yang

seragam.

Gambar 2.8. Ilustrasi Hukum termoelektrik ke 2.

3. Law of Successive or Intermediate temperaturs

EMF yang timbul dari termokopel di mana kedua junctionnya pada T1 dan T3

adalah sama dengan EMF junction pada T1 dan T2 ditambah EMF junction pada

T2 dan T3 (Gambar 2.9).

Gambar 2.9. Ilustrasi hukum termoelektrik ke 3

10

Konsekuensi dari hukum termoelektrik adalah penyolderan dan pengelasan

junction tidak akan mempengaruhi tegangan output, serta penambahan 2 kawat tembaga

homogen yang menghubungkan termokopel dengan voltmeter akan mempengaruhi

tegangan output sehingga tegangan output adalah akumulasi tegangan yang timbul

akibat sambungan kawat tembaga dengan dan hot junction.

Gambar 2.10 Bak es sebagai reference junction

Termokopel adalah tranduser yang mengubah besaran fisis ke besaran elektrik.

Output yang dihasilkan adalah tegangan dc. Output dapat diukur menggunakan

voltmeter dan potensiometer, tetapi mengharuskan penggunaan eksternal kompensator

untuk cold junction di mana hal ini tidak efisien karena harus menyediakan media

isotermal untuk reference junction dan memerlukan penggunaan tabel untuk

mengkonversi tegangan menjadi besaran temperatur. Saat ini output termokopel

dihubungkan ke thermometer readout selain tidak memerlukan media isotermal,

kelebihan lain adalah keluaran termokopel langsung terbaca dalam besaran temperatur.

Thermometer readout telah menyediakan kompensator cold junction (CJC) yang

tertanam didalamnya.

Thermowell

Termokopel yang digunakan untuk mengukur temperatur, biasanya diberi

pelindung atau yang biasa disebut thermowell. Thermowell pada umumnya terdiri dari

pelindung logam dan isolator adalah keramik. Thermowell digunakan untuk melindungi

kawat termokopel dari gangguan mekanik, elektrik serta kontaminan. Penggunaan

thermowell dapat mengubah waktu tanggap dari termokopel, di mana salah satu

kelebihan termokopel adalah waktu tanggap yang cepat. Hot junction termokopel pada

umumnya dibagi menjadi tiga, yaitu:

1. Exposed junction

Kawat termokopel tidak terproteksi tetapi memiliki waktu tanggap yang cepat.

11

2. Ungrounded junction

Kawat terproteksi dengan baik tetapi memiliki waktu tanggap yang lebih lambat.

3. Grounded junction

Kawat terproteksi dan waktu tanggap cepat.

Gambar 2.11. Jenis junction termokopel

Selain itu ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan

thermowell, yaitu:

1. Pada temperatur tinggi termokopel dapat terkontaminasi akibat migrasi atom

Chromium ke termoelemen sehingga material tidak homogen lagi.

2. Kemampuan insulator keramik (magnesium oxide) sebagai pelindung dari

gangguan elektrik akan menurunkan akibat umur dan penyerapan uap air.

3. Perbedaan koefisien ekspansi termal antara antara kawat termokopel dan

pelindung logam tidak boleh terlalu besar karena akan menyebabkan ekstra

regangan pada kawat termokopel ketika dilakukan proses annealing pada

termokopel.

4. Penggunaan thermowell menyebabkan penambahan kawat penyambung sebagai

cold junction-nya

Jenis-Jenis Termokopel

1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)): Termokopel untuk

tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu −200°C hingga

+1200°C.

2. Tipe E (Chromel/Constantan (Cu-Ni alloy)): Tipe E memiliki output yang besar

(68μV/°C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah. Properti

lainnya tipe E adalah tipe non magnetik.

3. Tipe J (Iron/Constantan): Rentangnya terbatas (−40 hingga +750°C)

membuatnya kurang populer dibanding tipe K. Tipe J memiliki sensitivitas

sekitar ~52μV/°C.

12

4. Tipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy)/Nisil (Ni-Si alloy)): Stabil dan tahanan yang

tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang

tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200°C. Sensitifitasnya

sekitar 39μV/°C pada 900°C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan

perbaikan dari tipe K.

5. Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh): Cocok mengukur suhu di atas 1800°C.

Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0°C hingga 42°C sehingga tidak

dapat dipakai di bawah suhu 50°C.

6. Type R (Platinum/Platinum, 7% Rhodium): Cocok mengukur suhu di atas

1600°C. Sensitivitas rendah (10μV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak

cocok dipakai untuk tujuan umum.

7. Type S (Platinum/Platinum, 10% Rhodium): Cocok mengukur suhu di atas

1600°C. Sensitivitas rendah (10μV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak

cocok dipakai untuk tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S

digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064,43°C).

8. Type T (Copper / Constantan): Cocok untuk pengukuran antara −200 to 350 °C.

Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari

constantan. Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian

kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 μV/°C. [7]

Pada perancangan ini menggunakan termokopel type K baut (Chromel (Ni-Cr

alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)) dengan rentang suhu 0 ℃ hingga +400 ℃ karena mudah

ditemukan dipasaran dan harganya relatif murah.

2.4 Sensor Tekanan MPX 5500D

MPX 5500D adalah sensor tekanan udara yang dapat mengukur tekanan antara 0

sampai 500 kPa dan mempunyai tegangan keluaran antara 0.2 sampai 4.7 V. Sensor ini

mempunyai nilai eror naksimal 2.5% pada suhu antara 0 sampai 85 0C [8]. Sensor MPX

5500D adalah tipe differential yaitu mengukur perbedaan tekanan udara pada setiap

sisinya. Grafik perbandingan antara tegangan keluaran sensor (V) dengan tekanan

(kPa)terlihat pada Grafik 2.1

13

Grafik 2.1 Tegangan keluaran dengan tekanan

Gambar 2.12 Sensor tekanan MPX 5500D case 867-08[8]

2.5 Mikrokontroler AVR ATmega 8535

Mikrokontroler ATmega 8535 adalah mikrokontroler keluarga AVR (Alf and

Vegard’s Risc Processor). Mikrokontroler Atmega 8535 ini dibuat oleh Atmel

Corporation. Berdasarkan arsitekturnya, AVR merupakan mikrokontroler yang

menggunakan teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing) yang

dikembangkan setelah mikrokontroler keluarga MCS-51 .Atmega 8535 memiliki, 512

Kilobytes internal EEPROM, 512 Kilobytes internal SRAM, ADC, timer/counter,

USART, interupsi internal/external, 32 pin input/output (PORTA, PORTB, PORTC,

PORTD) .

Gambar 2.13. Konfigurasi pin mikrokontroler Atmega8535 [9]

14

Gambar 2.13 adalah konfigurasi pin dari mikrokontroler ATmega 8535 dengan

penjelasan fungsi-fungsinya sebagai berikut:

1. VCC adalah untuk masukan digital voltage supply.

2. GND adalah pin ground.

3. PORT A (PA0 – PA7) digunakan untuk input ADC (Analog to Digital

Converter). Port A ini juga berfungsi sebagai input/output dan mempunyai

resistor pull-up internal yang bisa ditambahkan.

4. PORT B (PB0 – PB7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor

pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port B juga mempunyai fungsi

khusus, yaitu komunikasi SPI, input analog comparator, input external

interrupt, timer/counter output compare match output, timer/counter external

counter input, dan USART external clock input/output.

5. PORTC (PC0 – PC7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor

pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port C juga mempunyai fungsi

khusus, yaitu pin timer oscillator, JTAG, komunikasi I2C.

6. PORTD (PD0 – PD7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor

pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port D juga mempunyai fungsi

khusus, yaitu komunikasi USART, external interrupt, timer/counter output

compare match output, pin timer/counter input capture.

7. RESET berfungsi untuk mereset mikrokontroler apabila diberi input low.

8. XTAL1 dan XTAL2 berfungsi sebagai pin external clock.

9. AVCC adalah pin tegangan supply untuk ADC.

10. AREF adalah pin input tegangan referensi untuk ADC.

2.6 LCD Karakter 20 x 4

Dalam skripsi ini digunakan penampil LCD (Liquid Crystal Display) karakter

sebagai antarmuka sistem dengan pengguna. LCD ini memiliki 20 karakter per baris dan

memiliki 4 baris tampilan. Gambar 2.14 menunjukkan penampil LCD 20x4 dan

konfigurasi pin LCD 20x4 dan fungsinya ditunjukkan pada Tabel 2.1

15

Tabel 2.1. Konfigurasi pin LCD 20x4.

Pin Nama Pin Fungsi

1 Vss Ground

2 Vdd Catu daya LCD 5V.

3 VO Kontras karakter

4 RS Register Select

5 R/W Read/Write

6 E Enable

7 DB0 Data bit 0

8 DB1 Data bit 1

9 DB2 Data bit 2

10 DB3 Data bit 3

11 DB4 Data bit 4

12 DB5 Data bit 5

13 DB6 Data bit 6

14 DB7 Data bit 7

15 LED + Catu daya positif LED

16 LED - Catu daya negatif LED

Gambar 2.14. LCD 20x4 karakter

Penampil LCD ini diakses dengan cara paralel, pengiriman data dilakukan

melalui DB7-DB0 yang dikirimkan ke LCD sehingga LCD menampilkan karakter. LCD

ini dapat diakses menggunakan mode 8 bit maupun mode 4 bit. Dalam mode 8 bit, data

akan dikirim secara paralel menggunakan 8 bit (D7-D0), sedangkan dalam mode 4 bit,

data dikirim secara paralel menggunakan 4 bit saja (D3-D0). Dalam perancangan skripsi

ini digunakan mode 4 bit.