plagiat merupakan tindakan tidak terpuji - core.ac.uk file“ikhlas menerima kekurangan adalah awal...

i

PENGARUH GAS KARBONDIOKSIDA (CO2) TERHADAP AMPLITUDO

DAN FASE SINYAL FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR

FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO2

Skripsi

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Sains

Jurusan Fisika

Oleh :

Elisabeth Jeanny Oetama

NIM : 073214003

PROGRAM STUDI FISIKA

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2011

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJIPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

INFLUENCE OF CARBON DIOXIDE GAS (CO2) ON THE AMPLITUDE

AND PHASE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL IN CO2-LASER-BASED

PHOTOACOUSTIC DETECTOR

Skripsi

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain The Sarjana Sains Degree

in Physics Department

By :

Elisabeth Jeanny Oetama

NIM : 073214003

PHYSICS STUDY PROGRAM

PHYSICS DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2011


iii


iv


v

“Siapa mengindahkan didikan, menuju jalan kehidupan, tetapi siapa mengabaikan teguran, tersesat”.

(Amsal 10 : 17)

“Setiap orang yang mempunyai, kepadanya akan diberi, sehingga ia berkelimpahan. Tetapi siapa yang tidak mempunyai, apapum juga yang ada

padanya akan diambil dari padanya”. (Matius 25 : 29)

“Ikhlas menerima kekurangan adalah awal dari kelebihan”. (Mario Teguh)

“Saya tidak patah semangat, karena setiap usaha yang salah adalah satu

langkah maju”. (Thomas Alva Edison)

“Jenius adalah 1 % inspirasi dan 99 % keringat. Tidak ada yang dapat

menggantikan kerja keras. Keberuntungan adalah sesuatu yang terjadi ketika kesempatan bertemu dengan kesiapan”.

(Thomas Alfa Edison)

“Ujian bukanlah untuk mengukur kepandaian, tapi untuk mengenali kepatuhan kita kepada proses belajar. Karena, kecepatan untuk belajar adalah kemampuan

yang lebih penting daripada keahlian apa pun”. (Mario Teguh)

“Intan tidak akan memiliki kilauan yang indah jika dia tidak

memberikan diri untuk diasah dengan sudut yang terbaik”.


vi

Kupersembahkan Karya ini kepada :

Tuhan Yesus Kristus,

Bunda Maria,

Ayah Harrys,

Ibu Maria Magdalena Aguswati,

Saudara dan Kerabat,

Semua Pihak yang Telah Memberikan Bantuan,

Universitas Sanata Dharma Almamaterku.


vii


viii


ix

INTISARI

PENGARUH GAS KARBONDIOKSIDA (CO2) TERHADAP AMPLITUDO

DAN FASE SINYAL FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR

FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO2

Detektor fotoakustik berbasis laser CO2 merupakan alat ukur konsentrasi

gas. Pengukuran konsentrasi gas menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser

CO2 terkait dengan sinyal fotoakustik, daya laser, dan koefisien serapan gas.

Keberadaan gas karbondioksida dalam sampel gas yang mengandung gas etilen

mempengaruhi amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Hal tersebut disebabkan

oleh kinetic cooling.

Penyelidikan pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase

sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2 telah dilakukan

dalam penelitian ini. Penelitian tersebut dilakukan pada nilai konsentrasi etilen

dan konsentrasi uap air yang tetap. Hasil pengukuran menunjukkan peningkatan

nilai konsentrasi karbondioksida menyebabkan peningkatan nilai amplitudo tiap

satuan daya dan nilai fase sinyal fotoakustik.


x

ABSTRACT

INFLUENCE OF CARBON DIOXIDE GAS (CO2) ON THE AMPLITUDE

AND PHASE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL IN CO2-LASER-BASED

PHOTOACOUSTIC DETECTOR

The CO2-laser-based photoacoustic detector is an instrument for

measuring gas concentration. The measurement of gas concentration using CO2-

laser-based photoacoustic detector is related to photoacoustic signal, laser power,

and gas absorption coefficient. The presence of carbon dioxide gas in a sample

gas that contains ethylene gas influences the amplitude and phase of

photoacoustic signal. It is caused by kinetic cooling.

In this research, the influence of carbon dioxide gas on the amplitude and

phase of photoacoustic signal in CO2-laser-based photoacoustic detector has been

performed. The research has been performed with constant ethylene concentration

and constant water vapor concentration. The result of measurements indicates that

the increase of carbon dioxide concentration causes the increase of amplitude per

unit of power and phase of photoacoustic signal.


xi

KATA PENGANTAR

Puji Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat

dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi berjudul “PENGARUH GAS

KARBONDIOKSIDA (CO2) TERHADAP AMPLITUDO DAN FASE SINYAL

FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER

CO2”. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains pada Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi,

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Skripsi ini merupakan salah satu wujud

harapan dan cita-cita penulis untuk belajar tanpa batas.

Penyusunan skripsi ini tidak mungkin dapat terlaksana dengan baik tanpa

adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak yang terkait. Oleh karena itu,

penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada :

1. Universitas Sanata Dharma Yogyakarta khususnya Program Studi Fisika

yang telah memberikan kesempatan untuk menimba ilmu dan memberikan

beasiswa kepada penulis. Tanpa semuanya itu, skripsi ini tidak dapat

terwujud.

2. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T, selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma.

3. Bapak Dr.Ign.Edi Santosa, M.S., selaku Dosen Pembimbing Skripsi dan

selaku Kepala Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat Universitas Sanata

Dharma. Beliau dengan penuh kesabaran telah membimbing, membantu,

menyemangati dan meluangkan waktu selama proses perkuliahan,

penelitian, dan penulisan skripsi ini, serta telah memberikan kesempatan


xii

untuk melakukan penelitian di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat

Universitas Sanata Dharma.

4. Ibu Ir. Sri Agustini Sulandari, M.Si., selaku Ketua Jurusan Fisika Fakultas

Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

5. Bapak Dr. Drs. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si., selaku Dosen pembimbing

akademik.

6. Bapak A. Prasetyadi, M.Si., Ibu Dwi Nugraheni Rositawati, M.Si., dan

segenap Dosen di Universitas Sanata Dharma yang telah mendidik,

membimbing selama masa studi, dan membagikan ilmunya.

7. Mas A. Bima Windura, Mas Ngadiono, dan Bapak Sugito selaku laboran

yang telah banyak membantu penulis selama masa studi dan selama masa

penelitian.

8. Segenap karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata

Dharma yang telah membantu selama masa studi.

9. Ayah dan Ibu tercinta yang telah memberikan semua yang diperlukan dalam

menyelesaikan skripsi ini.

10. Saudara-saudara dan kerabat saya yang telah memberikan dukungan dalam

menyelesaikan skripsi ini.

11. Julianto, S.T. yang telah memberi dukungan dan memberikan saran selama

pengerjaan skripsi ini.

12. Rekan penelitian Fotoakustik : Bernadet Yati S. yang telah bekerjasama dan

membantu selama proses penelitian dan pengambilan data, serta

memberikan motivasi dan saran kepada penulis.


xiii

13. Niken Sawitri, Maria Fransiska Putriyani W., L. Jerniat Telaumbanua, dan

Bernadet Yati S. yang senantiasa mewarnai angkatan 2007, memberikan

motivasi dan saran kepada penulis.

14. Teman-teman mahasiswa angkatan 2002, 2004, 2005, dan 2008 Jurusan

Fisika Universitas Sanata Dharma yang senantiasa membantu serta

menguatkan penulis terutama dalam menyelesaikan skripsi ini.

15. Teman-teman kos yang selama ini telah memberikan doa dan dukungan

kepada penulis terutama dalam menyelesaikan skripsi ini.

16. Semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah

banyak membantu selama menyelesaikan skripsi dan selama masa studi.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna

karena keterbatasan pengetahuan yang dimiliki penulis. Oleh karena itu, penulis

mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis

berharap skripsi ini memberikan manfaat bagi para pembaca dan memberikan

sedikit sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan.

Yogyakarta, 30 Mei 2011

Penulis


xiv

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL .............................................................................. i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ..................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................ iv

HALAMAN MOTTO ............................................................................. v

HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................. vi

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ................................................. vii

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH ................................................................................... viii

INTISARI ............................................................................................... ix

ABSTRACT ............................................................................................ x

KATA PENGANTAR ............................................................................ xi

DAFTAR ISI ........................................................................................... xiv

DAFTAR GAMBAR .............................................................................. xvi

BAB I. PENDAHULUAN ...................................................................... 1

1.1. Latar Belakang ........................................................................... 1

1.2. Rumusan Masalah ...................................................................... 3

1.3. Batasan Masalah ........................................................................ 3

1.4. Tujuan Penelitian ....................................................................... 4

1.5. Manfaat Penelitian ..................................................................... 4

1.6. Sistematika Penulisan ................................................................ 4

BAB II. DASAR TEORI ........................................................................ 6


xv

2.1. Metode Spektroskopi Laser ....................................................... 6

2.2. Detektor Fotoakustik .................................................................. 7

2.3. Amplitudo dan Fase Sinyal Fotoakustik .................................... 10

BAB III. METODE PENELITIAN ........................................................ 17

3.1. Tempat Penelitian ...................................................................... 17

3.2. Alat dan Bahan ........................................................................... 17

3.2.1. Alat-Alat ........................................................................... 17

3.2.2. Bagian-Bagian Penting pada Penelitian ............................ 18

3.2.3. Bahan ................................................................................ 19

3.3. Prosedur Penelitian .................................................................... 20

3.3.1. Penentuan Garis Laser ...................................................... 20

3.3.2. Penyelidikan Pengaruh Gas

Karbondioksida ................................................................. 21

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................... 24

4.1. Hasil ........................................................................................... 24

4.1.1. Penentuan Garis Laser ...................................................... 24

4.1.2. Penyelidikan Pengaruh Gas

Karbondioksida ................................................................. 26

4.2. Pembahasan ................................................................................ 30

BAB V. PENUTUP ................................................................................ 36

5.1. Kesimpulan ................................................................................ 36

5.2. Saran .......................................................................................... 36

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................. 38


xvi

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Proses yang terjadi pada molekul yang

terkena radiasi laser ............................................................... 7

Gambar 2.2. Bagan proses pengukuran konsentrasi gas

pada detektor fotoakustik ...................................................... 10

Gambar 2.3. Sinyal fotoakustik dan Gelombang Laser ............................. 15

Gambar 2.4. Resultan amplitudo dan fasenya akibat serapan terhadap

daya laser oleh dua molekul gas pada sel fotoakustik .......... 16

Gambar 3.1. Rangkaian alat yang digunakan dalam penelitian ................. 17

Gambar 3.2. Rangkaian alat untuk scanning gas nitrogen ......................... 20

Gambar 3.3. Rangkaian alat untuk scanning gas etilen ............................. 21

Gambar 3.4. Rangkaian alat untuk pengisian cuvet

dengan karbondioksida ......................................................... 22

Gambar 4.1. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor

dari gas nitrogen .................................................................... 25

Gambar 4.2. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor

dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen ...................... 26

Gambar 4.3. Grafik hubungan amplitudo tiap satuan daya (R/P)

terhadap konsentrasi karbondioksida untuk

nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm .......................................... 28


xvii

Gambar 4.4. Grafik hubungan fase sinyal fotoakustik (θ)

terhadap konsentrasi karbondioksida

untuk nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm ................................ 29


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kendaraan bermotor telah menjadi alat transportasi yang penting bagi

masyarakat di Indonesia. Kendaraan bermotor merupakan kendaraan yang paling

banyak digunakan terutama di kota besar. Data dari Badan Pusat Statistik [Badan

Pusat Statistik Republik Indonesia, 2009], menunjukkan jumlah kendaraan

bermotor dari tahun 1987 sampai tahun 2008 cenderung terus meningkat.

Kendaraan bermotor merupakan sumber polutan terbesar [Juliantara, 2010]. Asap

hasil pembakaran bahan bakar dari kendaraan bermotor mengandung polutan (zat

pencemar). Hal tersebut merupakan salah satu penyebab semakin buruknya

kualitas udara terutama di kota besar, seperti Jakarta, Yogyakarta, dan Semarang.

Gas buang kendaraan bermotor mengandung beberapa jenis polutan,

seperti CH4, SO2, NO2, C2H4, CO, dan CO2. Gas-gas tersebut mendapat perhatian

yang cukup besar karena efek serius yang ditimbulkannya pada kesehatan

manusia, pertumbuhan tanaman, dan iklim seperti hujan asam, pemanasan global,

pembentukan lubang pada lapisan ozon, dan membangkitkan kabut fotokimia

[Gondal, 1997]. Pengetahuan tentang jumlah gas-gas tersebut di udara akan

membantu upaya penanggulangannya. Salah satu diantara gas-gas tersebut adalah

gas etilen (C2H4).


2

Konsentrasi etilen dari suatu sampel gas dapat diukur menggunakan alat

pendeteksi gas. Keberadaan gas etilen dalam suatu sampel gas dapat disertai

dengan keberadaan gas-gas yang lain. Gas buang kendaraan bermotor merupakan

salah satu contoh sampel gas yang mengandung beberapa jenis gas. Jumlah gas

etilen yang terdapat dalam suatu sampel gas dapat berubah-rubah setiap saat. Oleh

karena itu, untuk dapat mengetahui konsentrasi etilen diperlukan suatu alat yang

mampu mengukur lebih dari satu macam gas secara serempak, memiliki

selektivitas tinggi, sensitif, dan waktu tanggap yang cepat sehingga dapat

dilakukan pengukuran secara online.

Detektor fotoakustik berbasis laser CO2 merupakan alat ukur konsentrasi

gas yang berdasarkan prinsip dasar serapan cahaya. Pada detektor ini terjadi

konversi berkas cahaya laser menjadi sinyal fotoakustik. Alat ini mampu

mengukur lebih dari satu macam gas secara serempak. Detektor ini menjadi alat

ukur konsentrasi yang sangat sensitif dan waktu tanggapnya relatif cepat sehingga

dapat digunakan secara online [Santosa, 2008].

Detektor fotoakustik berbasis laser CO2 sangat peka untuk mengukur

konsentrasi etilen dengan batas deteksi pada orde ppt (part per trillion, 1:1012),

karena etilen mempunyai koefisien serapan yang sangat tinggi di daerah operasi

laser CO2 [Santosa, 2008]. Oleh karena itu, detektor tersebut digunakan untuk

mengukur konsentrasi etilen dari suatu sampel gas. Suatu sampel gas dapat

mengandung gas etilen dan gas karbondioksida (CO2). Keberadaan gas

karbondioksida (CO2) dalam sampel gas tersebut mempengaruhi hasil ukur


3

konsentrasi etilen. Selain gas etilen, gas karbondioksida (CO2) juga menyerap

radiasi laser CO2 dan menghasilkan sinyal fotoakustik.

Pengaruh gas karbondioksida (CO2) terhadap hasil ukur konsentrasi etilen

disebabkan oleh kinetic cooling. Kinetic Cooling disebabkan oleh kopling dari

tingkat energi tereksitasi molekul CO2 dan N2 [Rooth et al., 1990]. Kinetic cooling

menyebabkan proses pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama sehingga

terjadi perubahan pada amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Perubahan pada

amplitudo dan fase sinyal fotoakustik menyebabkan ketidakakuratan hasil ukur

konsentrasi etilen dari suatu sampel gas. Dengan mengetahui pengaruh yang

ditimbulkan oleh gas karbondioksida (CO2) terhadap amplitudo dan fase sinyal

fotoakustik, maka dapat diperoleh hasil ukur konsentrasi etilen yang optimal.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan uraian yang telah diuraikan dalam latar belakang, dapat

dirumuskan pokok permasalahan. Pokok permasalahan tersebut yaitu bagaimana

pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada

detektor fotoakustik berbasis laser CO2.

1.3. Batasan Masalah

Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik dari sampel gas

menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Sampel gas yang

digunakan dalam penelitian ini mengandung gas etilen dan gas karbondioksida.


4

1.4. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh gas karbondioksida

terhadap hasil ukur amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor

fotoakustik berbasis laser CO2.

1.5. Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat sebagai berikut :

1. Menambah kepustakaan tentang detektor fotoakustik.

2. Dapat menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya, khususnya yang

berkaitan dengan penggunaan detektor fotoakustik berbasis laser CO2

untuk pengukuran gas etilen dari sampel gas yang mengandung gas etilen

dan gas karbondioksida.

3. Memberikan informasi tentang pengaruh gas karbondioksida terhadap

amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis

laser CO2.

1.6. Sistematika Penulisan

Sebuah karya tulis memiliki sistematika penulisan. Karya ini memiliki

sistematika penulisan sebagai berikut :


5

BAB I PENDAHULUAN

Bab 1 berisi latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah,

tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.

BAB II DASAR TEORI

Bab 2 berisi dasar-dasar teori yang mendukung penelitian pengaruh

gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik

pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Dasar-dasar teori

tersebut adalah metode spektroskopi laser, detektor fotoakustik,

dan amplitudo dan fase sinyal fotoakustik.

BAB III METODE EKSPERIMEN

Bab 3 berisi tempat pelaksanaan, alat dan bahan yang digunakan

saat penelitian, dan prosedur penelitian.

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Bab 4 berisi hasil penelitian dan pembahasan hasil penelitian.

BAB V PENUTUP

Bab 5 berisi kesimpulan hasil penelitian dan saran.


6

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Metode Spektroskopi Laser

Sejak ditemukannya laser, terjadi perkembangan yang pesat dalam bidang

spektroskopi. Penggunaan laser sebagai sumber cahaya ini memunculkan teknik-

teknik baru dalam bidang spektroskopi. Pengembangan teknik-teknik baru

tersebut memanfaatkan kelebihan laser. Keunggulan laser itu diantaranya berdaya

tinggi, monokromatik, dan frekuensi yang dapat ditala. Dengan keunggulan-

keunggulan yang dimiliki laser, permasalahan yang tidak dapat diselesaikan oleh

spektroskopi klasik mampu diselesaikan oleh spektroskopi laser.

Perkembangan bidang spektroskopi laser erat kaitannya dengan kemajuan

bidang spektroskopi molekuler. Salah satu bidang aplikasi dalam spektroskopi

molekuler adalah pengamatan polusi udara [Wang dan Xia, 1991]. Hal ini

memungkinkan untuk memperoleh informasi komposisi molekul dan atom yang

terkandung dalam atmosfer. Selain itu, dengan menggunakan sumber radiasi laser,

dapat dipelajari eksitasi dan relaksasi dari atom dan molekul.

Salah satu spektroskopi laser adalah spektroskopi fotoakustik.

Spektroskopi ini sensitif dalam mendeteksi gas. Spektroskopi fotoakustik

merupakan spektroskopi yang menggunakan metode kalorimetrik. Pada

spektroskopi fotoakustik, radiasi laser yang diserap sampel dideteksi langsung

dari pemanasan yang terjadi pada sampel. Pemanasan tersebut memunculkan

gelombang akustik yang kemudian dideteksi oleh sensor [Zharov dan Letokhov,

1986].


7

2.2. Detektor Fotoakustik

Spektroskopi fotoakustik merupakan salah satu bidang spektroskopi yang

memanfaatkan kelebihan laser. Radiasi laser yang mengenai medium akan

menyebabkan molekul-molekul dalam medium yang terkena radiasi tersebut

mengalami eksitasi dari tingkat energi dasar (E1) ke tingkat energi tereksitasi (E2).

Eksitasi pada molekul tersebut akibat penyerapan foton dengan energi yang

dinyatakan oleh persamaan (2.1).

h ν = E2 – E1 (2.1)

dengan h adalah tetapan planck (6,63 x 10-34 J.s) dan ν adalah frekuensi radiasi

laser yang diserap molekul. Molekul dalam keadaan tereksitasi akan mengalami

proses relaksasi. Relaksasi tersebut dapat terjadi secara radiasi dan secara non-

radiasi. Proses tersebut ditunjukkan oleh Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Proses yang terjadi pada molekul yang terkena radiasi laser

Relaksasi secara radiasi

Tingkat energi tereksitasi (E2)

Tingkat energi dasar (E1)

Radiasi laser (hν)

Relaksasi secara non-radiasi

Pemanasan medium


8

Detektor fotoakustik merupakan alat ukur konsentrasi gas yang

menggunakan prinsip dasar serapan cahaya. Serapan terhadap daya laser dideteksi

secara langsung menggunakan metode kalorimetrik. Hal penting dalam metode

kalorimetrik terkait dengan waktu relaksasi. Relaksasi merupakan peristiwa

pelepasan energi suatu molekul dari tingkat energi tereksitasi ke tingkat energi

dasar. Peristiwa tersebut mengikuti proses interaksi laser dengan medium tertentu.

Waktu relaksasi meliputi waktu relaksasi secara radiasi dan waktu

relaksasi secara non-radiasi. Relaksasi secara non-radiasi terdiri dari relaksasi

homogen dan relaksasi heterogen. Relaksasi secara non-radiasi yang terjadi lewat

tumbukan dengan molekul lain dalam suatu volume tertentu merupakan relaksasi

homogen. Sedangkan, relaksasi secara non-radiasi yang terjadi lewat tumbukan

dengan dinding sel tempat molekul tersebut berada merupakan relaksasi

heterogen. Waktu relaksasi molekul dinyatakan oleh persamaan (2.2) [Zharov dan

Letokhov, 1986].

τ = {(τr -1) + (τhom

-1) + (τhet -1)}-1 (2.2)

dengan τ adalah waktu relaksasi molekul, τr adalah waktu relaksasi secara radiasi,

τhom adalah waktu relaksasi homogen, dan τhet adalah waktu relaksasi heterogen.

Laser merupakan sumber cahaya yang digunakan pada sistem fotoakustik.

Jenis laser yang digunakan akan menentukan wilayah kerja sistem fotoakustik.

Salah satu contoh laser yang digunakan pada sistem fotoakustik adalah laser CO2

yang bekerja di daerah panjang gelombang 9 - 11 μm [Santosa, 2008]. Detektor

fotoakustik berbasis laser CO2 bekerja pada wilayah panjang gelombang


9

inframerah. Pada daerah panjang gelombang tersebut, relaksasi homogen

merupakan relaksasi yang dominan dari keseluruhan proses relaksasi yang terjadi

pada molekul-molekul dalam medium. Hal tersebut mengakibatkan kenaikan

energi kinetik pada medium. Kenaikan energi kinetik menyebabkan kenaikan

suhu dan tekanan. Jika intensitas radiasi laser CO2 yang datang menuju medium

dimodulasi secara periodik, maka tekanan tersebut akan berubah secara periodik.

Hal ini menyebabkan munculnya bunyi. Pada detektor fotoakustik berbasis laser

CO2, proses pembangkitan bunyi tersebut terjadi di dalam sel fotoakustik.

Sel fotoakustik merupakan salah satu komponen penting pada detektor

fotoakustik. Bagian utama dari sel fotoakustik adalah resonator akustik dan

mikropon. Resonator akustik merupakan tempat terjadinya resonansi bunyi. Bunyi

yang berasal dari medium dalam resonator akustik akan dideteksi oleh mikropon.

Keluaran dari mikropon tersebut akan diperkuat oleh lock-in amplifier. Keluaran

dari mikropon merupakan sinyal fotoakustik yang kemudian diolah komputer

bersama dengan daya laser yang terukur oleh powermeter. Dari data tersebut

dapat diperoleh nilai konsentrasi gas penyerapnya [Santosa, 2008]. Secara

sederhana, proses yang terjadi pada detektor fotoakustik dapat dijelaskan dengan

bagan pada Gambar 2.2.


10

Gambar 2.2. Bagan proses pengukuran konsentrasi gas pada detektor fotoakustik

2.3. Amplitudo dan Fase Sinyal Fotoakustik

Tiap gas yang terkandung dalam suatu sampel gas akan memberikan

sumbangan terhadap sinyal fotoakustik jika gas tersebut menyerap radiasi laser

CO2 pada detektor fotoakustik. Suatu sampel gas yang mengandung gas etilen

(C2H4) , uap air (H2O), dan karbondioksida (CO2) mengalir menuju detektor

Laser (sumber cahaya)

Penyerapan energi oleh molekul gas pada sel fotoakustik

Kenaikan energi kinetik

Kenaikan suhu dan tekanan pada sel fotoakustik

Laser dimodulasi

Tekanan berubah secara periodik

Sinyal fotoakustik (bunyi) dideteksi mikropon dan daya

diukur powermeter

Pengukuran konsentrasi molekul gas penyerap


11

fotoakustik. Pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2, radiasi laser dengan

panjang gelombang tertentu diarahkan ke sel fotoakustik yang berisi sampel gas.

Molekul-molekul gas H2O, C2H4, dan CO2 yang terdapat pada sampel gas akan

dieksitasi secara simultan seperti dinyatakan oleh persamaan di bawah ini.

C2H4 + hνx C2H4* (2.3)

H2O + hνx H2O* (2.4)

CO2 + hνx CO2* (2.5)

Persamaan (2.3), persamaan (2.4), dan persamaan (2.5) menunjukkan molekul gas

C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2 menyerap energi sebesar hνx

sehingga molekul-molekul gas tersebut berpindah dari keadaan dasar ke keadaan

tereksitasi ( C2H4*, H2O*, CO2

* ). Suatu molekul yang tereksitasi akan mengalami

relaksasi. Dalam proses relaksasi, energi foton yang diserap oleh molekul tersebut

akan dilepaskan. Relaksasi vibrasi suatu molekul secara non-radiasi

mengakibatkan kenaikan suhu.

Molekul gas H2O dan C2H4 yang tereksitasi ( H2O* dan C2H4* ) akan

mengalami relaksasi vibrasi dengan menyerahkan energinya saat menumbuk

molekul gas N2 dan O2 yang terkandung dalam sampel gas. Proses tersebut terjadi

dalam waktu yang singkat (seketika) pada kondisi atmosfer. Molekul gas CO2


12

yang tereksitasi oleh radiasi laser CO2 akan mengalami relaksasi vibrasi yang

dinyatakan oleh persamaan di bawah ini.

CO2* + N2 CO2 + N2

* (2.6)

Pada proses relaksasi yang ditunjukkan oleh persamaan (2.6), molekul gas CO2

tereksitasi ( CO2* ) menyerahkan energinya ke molekul gas N2 yang memiliki

tingkat energi vibrasi resonan. Sehingga, molekul gas N2 berada dalam keadaan

terkesitasi ( N2* ). Molekul gas N2 tereksitasi ( N2

* ) berelaksasi dengan

menyerahkan energinya saat menumbuk molekul gas N2 dan O2 yang terkandung

dalam sampel gas. Proses ini terjadi dalam waktu yang relatif lama. Hal tersebut

menyebabkan proses pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama. Proses

inilah yang disebut kinetic cooling [Rooth et al., 1990].

Pada detektor fotoakustik, pemanasan sampel gas yang mengandung gas

etilen, uap air, dan gas karbondioksida akibat serapan radiasi laser akan

membangkitkan sinyal fotoakustik. Sinyal fotoakustik tersebut dinyatakan oleh

persamaan (2.7) [Rooth et al., 1990].

( ) ( )tii

ixxxiAI

tp ωωτ

ωτβααα

ωexp

11

4

4332211

0

+

−++= (2.7)

dengan α1 adalah koefisien serapan molekul gas H2O, x1 adalah konsentrasi uap

air (H2O), α2 adalah koefisien serapan molekul gas etilen (C2H4), x2 adalah

konsentrasi molekul gas etilen (C2H4), α3 adalah koefisien serapan molekul gas


13

CO2, x3 adalah konsentrasi molekul gas CO2, ω adalah frekuensi modulasi,

I0 adalah intensitas radiasi laser, 4τ adalah waktu relaksasi vibrasional efektif dari

tingkat energi tereksitasi molekul gas nitrogen, β adalah koefisien, dan A adalah

konstanta sel fotoakustik.

Pada persamaan (2.7) terlihat sinyal fotoakustik terkait dengan koefisien

serapan dan konsentrasi gas. Sinyal fotoakustik tersebut sebanding dengan

penjumlahan linear dari hasil kali koefisien serapan dengan konsentrasi gas, tetapi

untuk molekul gas CO2 terdapat faktor

+

−4

4

11

ωτωτ

βi

i. Faktor

+

−4

4

11

ωτωτ

βi

i

menunjukkan adanya pengaruh kinetic cooling akibat relaksasi yang lama dari

molekul gas CO2. Hal tersebut ditunjukkan dengan faktor 4τ yang merupakan

waktu relaksasi dari molekul gas nitrogen tereksitasi. Energi eksitasi pada molekul

gas nitrogen tersebut akibat tumbukan dari molekul gas karbondioksida tereksitasi

yang memiliki tingkat energi vibrasi resonan dengan molekul gas nitrogen.

Sinyal fotoakustik memiliki amplitudo (R) dan fase (θ). Persamaan

amplitudo (R) dan fase (θ) diperoleh dari persamaan (2.7). Amplitudo (R) sinyal

fotoakustik dinyatakan oleh persamaan (2.8) dan fase (θ) sinyal fotoakustik

dinyatakan oleh persamaan (2.9) [Rooth et al., 1990].

( )( ) ( ) ( )

( )[ ]( )

2/1

24

24

24

2332211

23322110

11

+

+++−++= −

−

ωτωτωτααααβαα

ωxxxxxxAI

R (2.8)


14

( )

( ) ( )[ ]( ) 332

42

4332211

1433

1arctan

xxxxx

βαωτωταααωτβα

θ−+++

−= −

−

(2.9)

Peristiwa kinetic cooling mempengaruhi amplitudo dan fase sinyal fotoakustik.

Hal tersebut ditunjukkan oleh faktor 4τ pada persamaan (2.8) dan (2.9).

Jika pada sel fotoakustik terdapat sampel yang mengandung dua molekul

gas, maka sinyal fotoakustik yang dihasilkan merupakan perpaduan masing-

masing sinyal fotoakustik yang berasal dari masing-masing molekul gas tersebut.

Relaksasi molekul pertama terjadi dalam waktu yang singkat. Waktu relaksasi

yang singkat menunjukkan waktu datang sinyal fotoakustik seketika setelah

dikenai radiasi laser. Relaksasi molekul gas kedua terjadi dalam waktu yang lama.

Hal tersebut menunjukkan waktu datang sinyal fotoakustik lebih lambat daripada

saat dikenai radiasi laser. Waktu datang sinyal fotoakustik yang lebih lambat

daripada saat dikenai radiasi laser menyebabkan pergeseran fase sinyal

fotoakustik. Gambar 2.3 menunjukkan waktu munculnya kedua sinyal fotoakustik

tersebut.


15

Δt

Gambar 2.3. Sinyal fotoakustik dan gelombang laser

Gambar 2.3 menampilkan tiga buah gelombang yaitu dua sinyal fotoakustik dan

satu gelombang laser. Sinyal fotoakustik pertama muncul seketika setelah dikenai

radiasi laser. Sinyal fotoakustik kedua muncul setelah selang beberapa waktu dari

saat dikenai radiasi laser. Hal ini menyebabkan pergeseran fase terhadap saat

dikenai radiasi laser.

Masing-masing sinyal fotoakustik memiliki amplitudo dan fase. Molekul

gas pertama menghasilkan sinyal fotoakustik dengan amplitudo R1 dan fase

bernilai nol. Molekul gas kedua menghasilkan sinyal fotoakustik dengan

amplitudo R2 dan fase sebesar θ2. Perpaduan dua sinyal fotoakustik dari dua jenis

molekul gas tersebut akan menghasilkan resultan amplitudo (R) dan fasenya (θ).

t

Keterangan :

Gelombang laser

Sinyal fotoakustik yang

muncul seketika setelah

dikenai radiasi laser

t

t

Sinyal fotoakustik yang

memiliki pergeseran fase

terhadap saat dikenai

radiasi laser


16

Perpaduan tersebut dapat digambarkan dengan diagram fasor seperti pada Gambar

2.4 [Sutrisno, 1982].

Gambar 2.4. Resultan amplitudo dan fasenya akibat serapan terhadap

daya laser oleh dua molekul gas pada sel fotoakustik

Jika kedua molekul gas memiliki waktu relaksasi yang singkat, maka

resultan amplitudo dari kedua sinyal fotoakustik yang berinterferensi merupakan

penjumlahan dari amplitudo masing-masing sinyal fotoakustik tersebut. Jika salah

satu molekul gas memiliki waktu relaksasi yang lama maka muncul beda fase

yang disebabkan oleh molekul tersebut. Hal tersebut menyebabkan resultan

amplitudo dari kedua sinyal fotoakustik lebih kecil dari penjumlahan amplitudo

masing-masing sinyal fotoakustik.

R

θ

R1

θ2

R2


17

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat,

Kampus III Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3.2. Alat dan Bahan

3.2.1. Alat – Alat

Penelitian ini dilakukan menggunakan instrumen Detektor

Fotoakustik dengan sumber cahaya Laser CO2. Rangkaian alat yang

digunakan diperlihatkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Rangkaian alat yang digunakan dalam penelitian

Komputer 2

Komputer 1

Cuvet

flowcontroller

flowcontroller

flowcontroller

flowmeter

Cuvet dan Sensor H2O

Cuvet dan Sensor CO2

etilen

Detektor fotoakustik

nitrogen


18

Gambar 3.1. menunjukkan rangkaian alat yang digunakan untuk meneliti

pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal

fotoakustik. Pada penelitian ini, digunakan gas-gas yang berasal dari

tabung gas. Berikut adalah bagian-bagian penting pada penelitian.

3.2.2. Bagian-Bagian Penting pada Penelitian

Bagian-bagian penting dari alat-alat yang digunakan pada

penelitian adalah :

Flowcontroller

Flowcontroller digunakan sebagai pengatur kecepatan aliran gas pada

sistem fotoakustik. Rangkaian alat pada Gambar 3.1 menggunakan tiga

flowcontroller.

Cuvet

Cuvet merupakan tempat menampung gas karbondioksida.

Detektor Fotoakustik

Detektor fotoakustik berbasis laser CO2 digunakan untuk mengukur

amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Laser CO2 yang digunakan

sebagai sumber cahaya terdiri dari medium aktif, resonator optis, dan

power supply. Pada sel fotoakustik terjadi konversi berkas cahaya laser

menjadi sinyal fotoakustik yang akan ditangkap oleh mikropon. Sinyal

yang ditangkap mikropon akan diperkuat menggunakan lock-in

amplifier dan kemudian diolah komputer.


19

Komputer

Komputer digunakan sebagai pencatat data, penampil data, dan

pengolah data serta pengendali proses pengukuran.

Sensor CO2 dan Sensor H2O

Sensor CO2 digunakan untuk mengetahui konsentrasi karbondioksida

saat dilakukan pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik

menggunakan detektor fotoakustik. Sensor H2O digunakan untuk

mengetahui konsentrasi uap air. Data dari kedua sensor ini akan diolah

menggunakan komputer.

Flowmeter

Flowmeter digunakan untuk mengetahui kecepatan aliran gas pada

sistem fotoakustik. Besar kecepatan aliran gas ini ditunjukkan oleh

flowmeter dalam satuan ml/menit.

3.2.3. Bahan

Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah gas etilen, gas

karbondioksida, dan gas nitrogen. Penelitian ini menggunakan gas-gas

yang berasal dari tabung gas dimana campuran gas-gas tersebut diatur

komposisinya. Penggunaan gas-gas yang berasal dari tabung bertujuan

menjamin hasil ukur yang baik karena konsentrasi gas yang berada di

dalam tabung telah diketahui dengan pasti. Penelitian ini menggunakan

gas nitrogen sebagai gas pembawa dalam sistem fotoakustik.


20

3.3. Prosedur Penelitian

Tahap-tahap pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

3.3.1. Penentuan Garis Laser

Penentuan garis laser yang mempunyai serapan etilen dilakukan

dengan scanning terhadap gas nitrogen dan scanning terhadap gas etilen.

Scanning terhadap gas nitrogen dilakukan menggunakan rangkaian pada

Gambar 3.2. Pada Gambar 3.2 terlihat gas nitrogen dialirkan ke

flowcontroller untuk diatur kecepatan alirannya, kemudian menuju

detektor fotoakustik untuk scanning. Besar kecepatan aliran gas nitrogen

diukur menggunakan flowmeter. Scanning dilakukan pada nilai frekuensi

resonansi 1741 Hz.

Gambar 3.2. Rangkaian alat untuk scanning gas nitrogen

Setelah dilakukan scanning terhadap gas nitrogen, akan dilakukan

scanning terhadap gas etilen. Rangkaian alat yang digunakan yaitu

rangkaian pada Gambar 3.3. Konsentrasi etilen yang digunakan harus kecil

agar daya laser tidak habis diserap gas etilen. Konsentrasi etilen yang kecil

flowcontroller

Detektor fotoakustik

nitrogen

flowmeter


21

diperoleh melalui pengenceran. Pengenceran tersebut dilakukan dengan

cara mencampur gas etilen dengan gas nitrogen. Pencampuran tersebut

dilakukan dengan mengatur kecepatan aliran kedua gas dari masing-

masing tabung gas menggunakan flowcontroller.

Pada Gambar 3.3 terlihat gas nitrogen dialirkan ke flowcontroller.

Gas etilen juga dialirkan ke flowcontroller. Setelah mengalir melewati

flowcontroller, kedua gas dengan kecepatan aliran tertentu bercampur dan

menuju detektor fotoakustik untuk scanning. Selanjutnya, aliran campuran

gas ini akan diukur besar alirannya menggunakan flowmeter. Scanning

dilakukan pada nilai frekuensi resonansi 1741 Hz.

Gambar 3.3. Rangkaian alat untuk scanning gas etilen

3.3.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida

Penyelidikan pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan

fase sinyal fotoakustik dilakukan dengan cara memberikan variasi nilai

konsentrasi karbondioksida. Hal pertama yang dilakukan dalam

penyelidikan ini adalah mengisi cuvet dengan gas karbondioksida yang

etilen

flowcontroller Detektor fotoakustik

nitrogen

flowmeter

flowcontroller


22

nitrogen karbondioksida

Flow- controller

Cuvet dan Sensor CO2

Cuvet flowmeter

flowcontroller

memiliki konsentrasi 5000 ppm. Pengisian ini dilakukan menggunakan

rangkaian pada Gambar 3.4.

Sebelum mengisi cuvet dengan gas karbondioksida, gas

karbondioksida dari tabung gas diencerkan terlebih dahulu. Pengenceran

ini dilakukan karena konsentrasi karbondioksida pada tabung gas terlalu

besar. Gas karbondioksida yang telah diencerkan tersebut dialirkan ke

dalam cuvet. Selanjutnya, gas ini akan mengalir ke cuvet yang berisi

sensor CO2 untuk diukur nilai konsentrasinya kemudian mengalir menuju

ke flowmeter untuk diukur kecepatan alirannya. Saat nilai konsentrasi

karbondioksida yang terukur oleh sensor mencapai 5000 ppm, maka aliran

campuran gas dihentikan. Cuvet yang berisi gas karbondioksida dengan

konsentrasi 5000 ppm tersebut digunakan untuk menyelidiki pengaruh gas

karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik.

Gambar 3.4. Rangkaian alat untuk pengisian cuvet dengan karbondioksida


23

Penyelidikan pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan

fase sinyal fotoakustik menggunakan rangkaian pada Gambar 3.1.

Penyelidikan tersebut dilakukan pada garis laser yang memiliki serapan

etilen. Posisi garis laser yang memiliki serapan etilen diketahui dari hasil

yang diperoleh pada tahap pertama penelitian yaitu penentuan garis laser.

Pada percobaan ini, konsentrasi karbondioksida divariasi.

Selanjutnya, dilakukan pengukuran nilai amplitudo dan fase sinyal

fotoakustik. Nilai amplitudo dan fase sinyal fotoakustik yang terukur

ditampilkan oleh lock-in amplifier. Nilai konsentrasi etilen dan nilai

konsentrasi uap air dibuat tetap selama pengukuran dan nilainya dibuat

kecil. Selama percobaan tersebut berlangsung, dilakukan pencatatan nilai

konsentrasi karbondioksida, pencatatan nilai konsentrasi uap air, dan

pencatatan nilai daya laser.


24

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil

Penelitian dilakukan mengikuti prosedur penelitian yaitu penentuan garis

laser dan penyelidikan pengaruh gas karbondioksida. Hasil penelitian tersebut

adalah :

4.1.1. Penentuan Garis Laser

Penentuan garis laser dilakukan dengan cara scanning terhadap gas

nitrogen dan scanning terhadap campuran gas etilen dengan gas nitrogen.

Scanning terhadap gas nitrogen dilakukan untuk posisi steppermotor 6200

sampai 7000. Pada scanning tersebut, gas nitrogen dari tabung gas

dialirkan menuju detektor fotoakustik dengan kecepatan aliran

30,1 ml/menit. Rangkaian alat yang digunakan untuk scanning gas

nitrogen tersebut adalah rangkaian pada Gambar 3.2.

Scanning terhadap campuran gas etilen dengan gas nitrogen

menggunakan rangkaian alat pada Gambar 3.3. Gas etilen dicampur

dengan gas nitrogen karena konsentrasi gas etilen pada tabung gas terlalu

besar yaitu 10 ppm. Gas etilen 10 ppm dengan kecepatan aliran

3,1 ml/menit dicampur dengan gas nitrogen yang memiliki kecepatan

aliran 27,2 ml/menit. Campuran tersebut menghasilkan gas etilen dengan

konsentrasi 0,99 ppm yang mengalir dengan kecepatan 30,3 ml/menit. Gas

etilen hasil pencampuran inilah yang mengalir ke detektor fotoakustik

untuk scanning dari posisi steppermotor 6200 sampai 7000.


25

Scanning menghasilkan data daya dan sinyal fotoakustik untuk setiap

posisi steppermotor. Nilai sinyal ternormalisir untuk tiap posisi

steppermotor dapat diperoleh dari data daya dan sinyal tersebut. Grafik

sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari gas nitrogen

ditunjukkan oleh Gambar 4.1. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi

steppermotor dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen ditunjukkan

oleh Gambar 4.2.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000

Siny

al T

erno

rmal

isir

(au)

Posisi Steppermotor

Gambar 4.1. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari gas nitrogen


26

0

0.5

1

1.5

2

2.5

6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000

Sin

yal T

erno

rmal

isir

(au)

Posisi Steppermotor

Gambar 4.2. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen

Pertambahan sinyal ternormalisir diketahui dengan cara

membandingkan Gambar 4.1 dengan Gambar 4.2. Pertambahan sinyal

ternormalisir yang terbesar terjadi pada posisi steppermotor 6542. Gambar

4.1 menunjukkan pada posisi tersebut dihasilkan nilai sinyal ternormalisir

yang sangat kecil. Gambar 4.2 menunjukkan terjadinya pertambahan

sinyal ternormalisir yang terbesar pada posisi tersebut. Posisi tersebut

merupakan posisi garis laser untuk etilen yaitu pada posisi steppermotor

6542.

4.1.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida

Hal pertama yang dilakukan dalam penyelidikan ini adalah

pengisian cuvet dengan gas karbondioksida yang memiliki konsentrasi

5000 ppm. Pengisian cuvet tersebut menggunakan rangkaian alat pada


27

Gambar 3.4. Setelah itu, dilakukan penyelidikan pengaruh perubahan

konsentrasi karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik

menggunakan rangkaian alat pada Gambar 3.1. Penyelidikan ini

menggunakan cuvet yang telah berisi gas karbondioksida dengan

konsentrasi 5000 ppm. Penyelidikan tersebut dilakukan pada garis laser

yang memiliki serapan terhadap etilen. Posisi garis laser tersebut dapat

diketahui dari hasil penentuan garis laser.

Aliran gas-gas yang digunakan pada penyelidikan ini dibuat tetap

selama pengukuran. Gas nitrogen dialirkan menuju cuvet yang berisi gas

karbondioksida dengan kecepatan aliran 19,9 ml/menit. Kemudian, gas

tersebut bercampur dengan campuran gas etilen 10 ppm yang memiliki

kecepatan aliran 3,0 ml/menit dan gas nitrogen yang memiliki kecepatan

aliran 7,3 ml/menit. Sehingga, diperoleh nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm

dengan kecepatan aliran 30,2 ml/menit serta nilai konsentrasi

karbondioksida yang berubah-ubah seiring bertambahnya waktu.

Sementara itu, tidak ada tambahan aliran dari uap air maka konsentrasi uap

air pada penyelidikan ini memiliki nilai yang tetap yaitu 53,07 %.

Selanjutnya, dilakukan pengukuran nilai amplitudo dan fase sinyal

fotoakustik. Saat pengukuran nilai amplitudo dan fase sinyal fotoakustik

tersebut dilakukan pencatatan nilai daya laser. Pengukuran tersebut

dilakukan pada nilai frekuensi resonansi 1741 Hz. Sehingga, diperoleh

data pada Tabel 4.1. Grafik amplitudo tiap satuan daya (R/P) ditunjukkan

Gambar 4.3. Grafik fase sinyal fotoakustik ditunjukkan Gambar 4.4.


28

Tabel 4.1. Amplitudo tiap satuan daya (R/P) dan fase (θ) sinyal fotoakustik

Posisi Steppermotor : 6542

Konsentrasi Uap Air : 53,07 %

Frekuensi Resonansi : 1741 Hz

Konsentrasi Etilen : 0,99 ppm

Konsentrasi CO2

(ppm)

Fase/θ

(0)

R/P

(au)

0 14,85 89,7

237,86 15,02 90,2

335,73 15,04 91,3

584,89 15,11 94,67

2466,28 58,22 136,25

2927,45 58,64 151,25

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Am

plitu

do T

iap

Satu

an D

aya

(au)

Konsentrasi Karbondioksida (ppm)

Gambar 4.3. Grafik hubungan amplitudo tiap satuan daya (R/P) terhadap

konsentrasi karbondioksida untuk nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm


29

0

10

20

30

40

50

60

70

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Fase

/ θ

(0)

Konsentrasi Karbondioksida (ppm)

Gambar 4.4. Grafik hubungan fase sinyal fotoakustik (θ) terhadap konsentrasi

karbondioksida untuk nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm

Data pada Tabel 4.1 menunjukkan nilai amplitudo tiap satuan daya

berbeda saat nilai konsentrasi karbondioksida berbeda walaupun nilai

konsentrasi etilen tetap yaitu 0,99 ppm dan nilai konsentrasi uap air tetap

yaitu 53,07 %. Gambar 4.3 menunjukkan grafik hubungan amplitudo tiap

satuan daya (R/P) terhadap konsentrasi karbondioksida. Grafik tersebut

menunjukkan peningkatan nilai R/P saat terjadi peningkatan nilai

konsentrasi karbondioksida. Gambar 4.4 menunjukkan adanya nilai fase

sinyal fotoakustik berbeda saat nilai konsentrasi karbondioksida berbeda

walaupun nilai konsentrasi etilen tetap yaitu 0,99 ppm dan nilai

konsentrasi uap air tetap yaitu 53,07 %. Pada grafik tersebut, fase sinyal

fotoakustik meningkat seiring meningkatnya konsentrasi karbondioksida.


30

4.2. Pembahasan

Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik untuk nilai

konsentrasi karbondioksida yang berbeda-beda telah dilakukan dalam penelitian

ini. Pengukuran tersebut dilakukan pada nilai konsentrasi etilen yang tetap dan

nilai konsentrasi uap air yang tetap. Pengukuran dilakukan menggunakan detektor

fotoakustik berbasis laser CO2. Penelitian ini dilakukan pada garis laser yang

memiliki serapan terhadap etilen. Oleh karena itu, sebelum pengukuran

dilaksanakan perlu dilakukan penentuan garis laser.

Penentuan garis laser dilakukan dengan cara scanning. Scanning

dilakukan untuk gas nitrogen dan untuk campuran gas etilen dengan gas nitrogen.

Pencampuran gas etilen dengan gas nitrogen bertujuan menghindari habisnya daya

laser terserap oleh molekul gas etilen. Dalam hal ini, konsentrasi etilen

mempengaruhi serapan terhadap daya laser. Saat proses eksitasi, molekul gas

yang terdapat di dalam sel fotoakustik menyerap daya laser untuk berpindah dari

keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Jika konsentrasi etilen terlalu besar maka

serapannya terhadap daya laser juga besar. Hal tersebut memungkinkan daya laser

habis terserap oleh molekul gas tersebut. Oleh karena itu, konsentrasi gas etilen

yang digunakan harus kecil dan perlu dilakukan pengenceran.

Posisi garis laser yang memiliki serapan terbesar ditunjukkan oleh posisi

steppermotor yang memiliki pertambahan sinyal ternormalisir terbesar.

Pertambahan sinyal ternormalisir disebabkan adanya serapan etilen terhadap daya

laser pada posisi tersebut. Dari hasil perbandingan kedua grafik sinyal

ternormalisir, diperoleh posisi garis laser yang memiliki serapan etilen terbesar


31

yaitu 6542. Posisi garis laser tersebut merupakan posisi garis laser yang sensitif

untuk mengukur gas etilen. Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik

dilakukan pada posisi tersebut.

Pada penelitian ini, amplitudo tiap satuan daya (R/P) dan fase (θ) sinyal

fotoakustik berbeda-beda untuk nilai konsentrasi karbondioksida yang berbeda-

beda walaupun nilai konsentrasi etilen tetap dan nilai konsentrasi uap air tetap.

Grafik hubungan amplitudo tiap satuan daya (R/P) terhadap konsentrasi

karbondioksida ditunjukkan oleh Gambar 4.3. Pada grafik tersebut, saat nilai

konsentrasi karbondioksida meningkat terjadi peningkatan nilai amplitudo tiap

satuan daya. Gambar 4.4 menunjukkan peningkatan nilai fase sinyal fotoakustik

saat terjadi peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida.

Hasil pengukuran yang diperoleh pada penelitian ini menunjukkan

terbentuknya resultan amplitudo dan fasenya yang berasal dari molekul gas C2H4

(etilen), molekul gas H2O (uap air), dan molekul gas CO2 (karbondioksida).

Peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida saat konsentrasi etilen dan

konsentrasi uap air bernilai tetap menyebabkan peningkatan nilai amplitudo sinyal

fotoakustik tiap satuan daya. Hal ini memenuhi persamaan (2.8). Di samping itu,

peningkatan konsentrasi karbondioksida saat konsentrasi etilen dan konsentrasi

uap air bernilai tetap menyebabkan peningkatan fase sinyal fotoakustik. Hal ini

memenuhi persamaan (2.9).

Persamaan (2.8) dan (2.9) menunjukkan keterkaitan amplitudo dan fase

sinyal fotoakustik terhadap konsentrasi gas. Persamaan (2.8) menunjukkan jika

terjadi peningkatan nilai konsentrasi salah satu gas sementara konsentrasi gas lain


32

bernilai tetap maka akan terjadi peningkatan nilai amplitudo sinyal fotoakustik.

Persamaan (2.9) menunjukkan nilai fase sinyal fotoakustik akan meningkat bila

terjadi peningkatan nilai konsentrasi gas karbondioksida ketika konsentrasi gas

lain bernilai tetap. Hasil pengukuran yang diperoleh dalam penelitian ini

memenuhi kedua persamaan tersebut.

Sinyal fotoakustik terkait dengan daya laser, koefisien serapan, dan

konsentrasi gas. Faktor lain yang terkait dengan sinyal fotoakustik adalah waktu

relaksasi molekul. Pada metode spektroskopi laser, salah satu fenomena fisika

yang terjadi pada interaksi laser dengan medium tertentu adalah relaksasi dari

molekul-molekul yang terdapat dalam medium tersebut [Zharov dan Letokhov,

1986]. Waktu relaksasi mempengaruhi nilai fase sinyal fotoakustik. Jika terdapat

lebih dari satu jenis molekul gas pada sel fotoakustik, maka cepat atau lambatnya

waktu relaksasi molekul tergantung dari interaksi molekul-molekul gas tersebut.

Interaksi molekul-molekul gas ditentukan dari jenis gas dan sifatnya.

Dalam penelitian ini, gas nitrogen digunakan sebagai gas pembawa. Gas pembawa

ini tidak menyerap radiasi laser CO2 sehingga keberadaannya tidak mempengaruhi

hasil pengukuran. Gas pembawa tersebut akan membawa sampel gas yang

mengandung molekul gas C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2 ke sel

fotoakustik. Radiasi laser yang mengenai sampel gas pada sel fotoakustik

menyebabkan molekul gas C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2

mengalami eksitasi dari keadaan dasar ke keadaaan tereksitasi ( C2H4*, H2O*, dan

CO2* ). Molekul-molekul gas tersebut akan mengalami relaksasi. Molekul gas

karbondioksida memiliki waktu relaksasi yang lebih lama dibandingkan molekul


33

gas C2H4 (etilen) dan molekul gas H2O (uap air). Hal tersebut menyebabkan

pergeseran fase sinyal fotoakustik.

Penggabungan sinyal fotoakustik dari molekul gas C2H4, molekul gas

H2O, dan molekul gas CO2 menghasilkan resultan amplitudo dan fase dengan nilai

tertentu. Saat nilai konsentrasi karbondioksida meningkat, nilai amplitudo tiap

satuan daya dan nilai fase sinyal fotoakustik yang diperoleh dalam penelitian ini

juga meningkat. Hal tersebut menandakan terjadinya peristiwa kinetic cooling

yang mengakibatkan pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama. Kinetic

cooling disebabkan waktu relaksasi molekul gas karbondioksida (CO2) yang lebih

lama dibandingkan molekul gas etilen (C2H4) dan molekul gas H2O (uap air).

Peristiwa kinetic cooling ditandai dengan adanya faktor 4τ pada

persamaan (2.7), persamaan (2.8), dan persamaan (2.9). 4τ merupakan waktu

relaksasi vibrasional efektif dari molekul gas nitrogen tereksitasi. Molekul gas

nitrogen tersebut mengalami eksitasi karena tumbukan dari molekul gas CO2

tereksitasi yang memiliki tingkat energi vibrasi yang resonan dengan molekul

tersebut. Relaksasi vibrasional efektif dari molekul gas nitrogen tereksitasi

melibatkan proses transfer energi dari energi eksitasi molekul tersebut ke energi

translasi melalui tumbukan dengan molekul gas lain.

Relaksasi dari molekul gas C2H4 dan H2O tereksitasi ( C2H4* dan

H2O* ) terjadi dalam waktu yang singkat dan jika tidak terdapat molekul gas

karbondioksida maka tidak terjadi kinetic cooling. Jika tidak terjadi kinetic

cooling, maka nilai sinyal fotoakustik akan sebanding dengan penjumlahan linear

dari hasil kali koefisien serapan dengan konsentrasi masing-masing gas. Namun,


34

saat terjadi relaksasi dalam waktu yang lama akibat keberadaan molekul gas

karbondioksida, maka terjadilah kinetic cooling. Hal tersebut menyebabkan

munculnya faktor

+

−4

4

11

ωτωτ

βi

i pada hasil kali koefisien serapan dan

konsentrasi gas karbondioksida pada persamaan (2.7).

Sinyal fotoakustik yang dihasilkan terkait dengan kosentrasi molekul gas

yang berada dalam sel fotoakustik. Sinyal fotoakustik memiliki amplitudo dan

fase. Jika relaksasi molekul-molekul gas terjadi dalam waktu yang singkat maka

resultan amplitudo sinyal fotoakustik merupakan penjumlahan amplitudo masing-

masing sinyal fotoakustik. Sehingga, dapat diperoleh hasil ukur konsentrasi gas

yang tepat menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Penggabungan

sinyal fotoakustik dari molekul-molekul gas yang memiliki waktu relaksasi

berbeda menyebabkan resultan amplitudonya lebih kecil daripada penjumlahan

amplitudo sinyal fotoakustik dari masing-masing gas. Perpaduan amplitudo dan

fase tersebut dapat digambarkan dengan diagram fasor seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 2.4. Hal ini menyebabkan ketidakakuratan hasil ukur konsentrasi

gas.

Pada penelitian ini, perubahan kosentrasi karbondioksida mengakibatkan

perubahan amplitudo tiap satuan daya dan perubahan fase sinyal fotoakustik pada

nilai konsentrasi etilen dan nilai konsentrasi uap air yang tetap. Pengukuran

konsentrasi etilen menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 erat

kaitannya dengan sinyal fotoakustik yang diperoleh dari pengukuran tersebut.

Maka, perubahan amplitudo dan fase sinyal fotoakustik akibat keberadaan gas


35

karbondioksida tersebut akan menyebabkan hasil ukur konsentrasi etilen

menggunakan detektor fotoakustik menjadi tidak akurat. Oleh karena itu,

pengukuran konsentrasi etilen tanpa memperhitungkan adanya molekul gas

karbondioksida dalam sampel gas yang diukur akan menyebabkan kesalahan pada

hasil ukur konsentrasi etilen tersebut.

Keberadaan gas karbondioksida dalam suatu sampel gas menyebabkan

hasil ukur konsentrasi etilen yang kurang tepat. Contoh sampel gas yang

mengandung gas etilen dan gas karbondioksida adalah gas buang kendaraan

bermotor. Oleh karena itu, pengukuran konsentrasi gas etilen dari sampel gas

tersebut menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 harus

memperhatikan keberadaan gas karbondioksida. Gas karbondioksida yang

terkandung dalam sampel gas tersebut harus ditapis. Penapisan gas

karbondioksida dapat dilakukan menggunakan kalium hidroksida / KOH

[Altuazar, 2003].


36

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Pada penelitian ini telah dilakukan pengukuran amplitudo dan fase sinyal

fotoakustik untuk konsentrasi karbondioksida yang berbeda-beda menggunakan

detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Pengukuran ini dilakukan pada nilai

konsentrasi etilen dan persentase uap air yang tetap. Hasil pengukuran yang

ditunjukkan oleh Gambar 4.3 dan Gambar 4.4. Berdasarkan hasil pengukuran

tersebut, dapat disimpulkan bahwa :

1. Peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida menyebabkan peningkatan

nilai amplitudo sinyal fotoakustik tiap satuan daya (R/P) dan peningkatan

nilai fase sinyal fotoakustik (θ).

2. Keberadaan gas karbondioksida dalam suatu sampel gas menyebabkan

ketidakakuratan hasil ukur konsentrasi etilen dari sampel gas tersebut.

5.2. Saran

Jika dilakukan penelitian pada bidang sejenis dengan penelitian ini atau

dilakukan pengembangan dalam penelitian ini maka penulis menyarankan untuk

memperhatikan hal-hal berikut ini :


37

1. Pengukuran konsentrasi etilen dari suatu sampel menggunakan detektor

fotoakustik berbasis laser CO2 harus memperhatikan keberadaan gas

karbondioksida.

2. Pengukuran konsentrasi etilen dari sampel yang mengandung gas

karbondioksida pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2 dilakukan

dengan menapis gas karbondioksida menggunakan KOH.


38

DAFTAR PUSTAKA

Altuzar, V., Tomás, S. A., Zelaya-Angel, O., Sánchez-Sinencio, F., dan Arriaga, J. L..2003.”Atmospheric Pollution Profile in Mexico City in Two Different Seasons.”Review of Scientific Instruments.74(1) : 500 – 502.

Badan Pusat Statistik Republik Indonesia.2009. “Perkembangan Jumlah

Kendaraan Bermotor Menurut Jenis tahun 1987-2008.”http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?tabel=1&daftar=1&id_subyek=17&notab=12.diakses tanggal : 21 Oktober 2010.

Gondal, M. A..1997.”Laser Photoacoustic Spectrometer for Remote Monitoring

of Atmospheric Pollutants.”Applied Optics.36(15) : 3195 - 3201.

Juliantara, Ketut. “Polutan Pencemaran Udara (Pb).”

http://kesehatan.kompasiana.com/group/medis/2010/04/11/polutan-pencemaran-udara-pb/.diakses tanggal : 21 Oktober 2010.

Rooth, R. A., Verhage, A. J. L., dan Wouters, L. W..1990.”Photoacoustic Measurement of Ammonia in The Atmosphere : Influence of Water Vapor and Carbon Dioxide.”Applied Optics.29(25) : 3643 – 3653.

Santosa, Ign. Edi. 2008. Spektroskopi Fotoakustik.Yogyakarta : Laboratorium

Analisa Kimia dan Fisika Pusat Universitas Sanata Dharma.

Sutrisno. 1982. Fisika Dasar : Gelombang dan Optik. Bandung : ITB.

Wang, Zu-Geng dan Xia, Hui-Rong.1991.Molecular and Laser Spectroscopy.

Berlin : Springer-Verlag.

Zharov, V. P. dan Letokhov, V. S..1986.Laser Optoacoustic Spectroscopy. Berlin

: Springer-Verlag.


http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?tabel=1&daftar=1&id_subyek=17&notab=12.diakses�

http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?tabel=1&daftar=1&id_subyek=17&notab=12.diakses�

plagiat merupakan tindakan tidak terpuji - core.ac.uk file“ikhlas menerima kekurangan adalah awal...

Documents