uji kinerja taguchi gas sensor (tgs) untuk … · methane dari sampel hasil biogas dengan...
TRANSCRIPT
1
UJI KINERJA TAGUCHI GAS SENSOR (TGS) UNTUK MONITORING GAS METHANE PADA PORTABLE BIODIGESTER
(Faiz, Suyanto, ST, MT) Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya
Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp: +6231-5947188 Fax: +6231-5923626
e-mail: [email protected]
Abstrak Salah satu potensi sumber daya alam yang dapat dikembangkan menjadi sumber energi alternatif adalah energi biogas dari
hasil biodigester. Pada umunya plant biodigester yang ada saat ini masih belum dilengkapi dengan sistem monitoring kandungan gas methane pada biogas, dan dibutuhkan sensor gas yang tepat untuk diimplementasikan pada plant biodigester ini. Untuk itu dilakukan pengujian methane gas sensor untuk monitoring gas methane pada biodigester. Eksperimen awal dilakukan dengan menganalisa gas methane dari sampel hasil biogas dengan menggunakan Shimadzu GC-17A Gas Chromatography. Selanjutnya dilakukan perancangan hardware akuisisi data berbasis Atmega8535 dan perangkat lunak akuisisi data berbasis LabVIEW 8.6. Pengujian gas sensor dilakukan pada TGS2611 dan TGS2612 berupa uji perbandingan data pengukuran sensor dengan data kalibrasi dari Figaro Engineering Inc., uji sensitivitas terhadap gas Butane, uji sensitivitas terhadap gas Methane yang terkandung dalam Biogas, dan uji sensitivitas terhadap pengaruh temperature dan %RH. Pengujian kalibrasi sensor pada 10 sampel titik pengukuran didapatkan rata-rata error pengukuran (TGS2611=3.478, TGS2612=3.171) dan rata-rata %error (TGS2611=14.8%, TGS2612=8.477%). Pada pengujian sensor terhadap gas Butane sebanyak 5 sampel pertambahan gas Butane, sensor TGS2612 lebih konduktan dibandingkan sensor TGS2611. Pada pengujian sensitivitas sensor terhadap perubahan temperature dan %RH, terdapat perubahan nilai konduktansi sensor seiring dengan kenaikan temperature dan %RH, dan didapatkan sensor TGS2612 lebih stabil terhadap pengaruh perubahan temperature dan %RH dibandingkan sensor TGS2611.
Kata Kunci: Biodigester, TGS, methane, Biogas. I. PENDAHULUAN
Salah satu potensi sumber daya alam yang dapat dikembangkan menjadi sumber energi adalah energi biogas. Biogas adalah gas mudah terbakar yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob (bakteri yang hidup dalam kondisi kedap udara). Biogas sebagian besar mengandung gas methane (CH4) dan karbon dioksida (CO2), dan beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hydrogen sulfida (H2S) dan ammonia (NH3) serta hydrogen (H2), dan nitrogen yang kandungannya sangat kecil. Gas ini berasal dari berbagai macam limbah organik seperti sampah biomassa, kotoran manusia, kotoran hewan dapat dimanfaatkan menjadi energi melalui proses anaerobik digestion. Proses ini merupakan peluang besar untuk menghasilkan energi alternatif sehingga akan mengurangi dampak penggunaan bahan bakar. Bioreaktor yang ada selama ini pada umunya standalone (hanya bisa digunakan di satu tempat saja) dan sistem monitoring untuk biogas masih dalam bentuk indikator volume biogas, sehingga tidak terdapat tolak ukur yang pasti untuk mengetahui indikasi pertumbuhan bakteri pengurai yang terdapat dalam bioreaktor penghasil biogas. Untuk itu dibutuhkan suatu bioreaktor yang dilengkapi dengan sistem monitoring gas methane, dimana parameter pertumbuhan gas methane inilah yang nantinya akan digunakan untuk mengetahui pertumbuhan bakteri pengurai pada bioreaktor.
Perkembangan sensor yang semakin maju menghasilkan adanya suatu sensor yang memiliki kemampuan seperti indera penciuman pada manusia. Saat ini sensor gas yang banyak digunakan untuk mendeteksi suatu gas ataupun monitoring suatu gas adalah sensor gas model TGS (Taguchi Gas Sensor) yang diproduksi oleh Figaro Engineering Inc. Pada aplikasinya terdapat banyak jenis gas sensor model TGS sesuai dengan target gas yang akan diukur dan karakterisik respon dari sensor tersebut. Salah satu sensor gas model TGS yang bisa digunakan untuk mendeteksi dan monitoring gas methane adalah TGS2611, TGS2612 dan TGS6812. Dimana kedua sensor tersebut memiliki karakteristik respon yang berbeda dalam mendeteksi gas methane. Untuk itu diperlukan suatu uji kinerja dari kedua sensor tersebut untuk menentukan gas sensor mana yang tepat untuk aplikasi monitoring gas methane pada portable biodigester.
II. DASAR TEORI 1. Biogas
Pada prinsipnya teknologi biogas adalah teknologi yang memanfaatkan proses fermentasi (pembusukan) dari bahan organik secara anaerobik (tanpa udara/oksigen) oleh bakteri metanogenesis sehingga dihasilkan gas metana (CH4) yang mudah terbakar sehingga dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi. Bahan organik yang bisa digunakan sebagai bahan baku antara lain adalah sampah organik, limbah kotoran dan potongan–potongan sisa tanaman seperti jerami ditambah dengan air yang cukup banyak sebagai campurannya.
Reaksi fermentasi terbagi dua tipe dari segi kehadiran oksigen (O2). Semua material organik baik dari hewan maupun tumbuhan dapat didekomposisi dengan kedua jenis reaksi tersebut tetapi hasil akhirnya akan berbeda. Kedua jenis reaksi tersebut adalah : 1. Reaksi aerobik. Reaksi fermentasi terjadi dengan
kehadiran oksigen. Hasil akhirnya adalah karbon dioksida, amonia dan sejumlah kecil gas–gas. Reaksi ini menghasilkan energi panas yang cukup besar dan ampas sisa reaksi dapat dipakai sebagai pupuk.
2. Reaksi anaerobik. • Reaksi fermentasi terjadi tanpa kehadiran oksigen
sama sekali. Hasil akhirnya adalah gas methane, karbon dioksida, hidrogen dan sejumlah kecil gas–gas. Reaksi ini menghasilkan energi panas yang kecil dan ampas sisa reaksinya juga dapat dipakai sebagai pupuk dengan kandungan nitrogen yang lebih tinggi dibandingkan hasil reaksi aerobik. Pembuatan biogas memanfaatkan reaksi fermentasi anaerobik.
• Reaksi fermentasi anaerobik terjadi dalam beberapa tahap sesuai dengan jenis mikroba yang terlibat. Berdasarkan cara kerjanya, mikroba yang terlibat dapat dibedakan yaitu bakteri hidrolisis, bakteri penghasil asetat (acetogenic bacteria), bakteri penghasil asam (acidogenic bacteria) dan bakteri penghasil metana (methanogenic bacteria). Berdasarkan suhu kerjanya mikroba tersebut dibagi dua yaitu bakteri mesophilic bekerja optimal pada
2
suhu 35°C – 40°C dan bakteri thermophilic bekerja optimal pada suhu 55°C – 60°C.
• Pada tahap pertama bakteri hidrolisis akan membongkar molekul kompleks dari polimer organik tak larut semacam karbohidrat dari material bahan baku menjadi molekul yang lebih sederhana dan mudah diuraikan jenis bakteri yang lain. Kemudian acidogenic bacteria (bakteri asam) akan merubah molekul gula dan asam amino menjadi karbondioksida (CO2), hydrogen (H2), dan amonia (NH3). Setelah itu acetogenic bacteria (bakteri asetat) akan merubahnya menjadi asam asetat, amonia, hidrogen dan karbondioksida. Setelah bahan-bahan di atas terdapat dalam jumlah yang cukup, maka methanogenic bacteria (bakteri pembentuk methane) akan bekerja merubah bahan–bahan di atas menjadi gas methane (CH4) dan Karbon dioksida (CO2).
Daya kerja dari bakteri–bakteri tersebut di atas
sangat dipengaruhi oleh kondisi dan situasi lingkungan reaksi yang apabila tidak diatur dan distabilkan akan memperlambat atau bahkan menyetop reaksi fermentasi. Pengaturan dan pengendalian reaksi ini dilakukan di dalam sebuah alat yang disebut digester a. Sifat-Sifat Biogas
Sifat–sifat kimia dan fisika dari biogas berhubungan erat dengan sifat kimia dan fisika dari gas metana sebagai komponen mayoritas. Komposisi kimia dari biogas adalah sebagai berikut :
Tabel 1. Kompisisi Biogas
Komponen % Vol
a. Metana (CH4) 55 – 75
b. Karbon dioksida (CO2) 25 – 45
c. Nitrogen (N2) 0 – 0,3
d. Hidrogen (H2) 1 – 5
e. Hidrogen sulfida (H2S) 0 – 3
f. Oksigen (O2) 0,1 – 0,5
Sifat–sifat kimia dan fisika dari biogas antara lain : • Nilai kalori dari 1 m3 biogas adalah sekitar 6 kWh yang
setara dengan ½ liter minyak diesel. • Tidak seperti LPG yang bisa dicairkan dengan tekanan
tinggi pada suhu normal, biogas hanya dapat dicairkan pada suhu –178°C sehingga kemungkinan untuk menyimpannya dalam sebuah tangki yang praktis sangat sulit. Jalan yang paling baik adalah menyalurkan biogas yang dihasilkan untuk langsung dipakai baik sebagai bahan bakar untuk memasak, penerangan dan lain–lain.
• Daya rambat pembakaran biogas sangat lambat (± 430 mm per detik), namun biogas dengan udara (oksigen) dapat membentuk campuran yang mudah meledak apabila terkena nyala api. Konsentrasi 5% - 20% biogas di udara bebas sudah bisa terbakar.
• Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida apabila dibakar sehingga aman apabila dipakai untuk keperluan rumah tangga.
• Komponen metana dalam biogas bersifat narkotika pada manusia, apabila dihirup langsung dapat mengakibatkan kesulitan bernapas dan mengakibatkan kematian.
b. Reaktor Biogas Proses pembuatan biogas pada prinsipnya adalah
menciptakan suatu sistem kedap udara dengan bagian–bagian pokok terdiri dari tangki pencerna (digester tank), lubang
input bahan baku, lubang output lumpur sisa hasil pencernaan (slurry), dan lubang penyaluran biogas yang terbentuk. Digester mengandung bakteri methane yang akan mengolah limbah biologi atau biomassa menjadi biogas yang selanjutnya akan disalurkan sebagai bahan bakar.
Bentuk digester sangat bervariasi dari segi ukuran, konstruksi, bahan pembuatnya maupun teknologi yang digunakan. Namun bagaimanapun rancangan yang digunakan, baik desain sederhana untuk skala pedesaan ataupun desain yang kompleks untuk skala industri, digester harus mampu memenuhi fungsi-fungsi pokoknya yaitu : • Mampu menampung seluruh volume limbah bahan baku
biogas, air, biogas yang dihasilkan maupun slurry sisa proses pembuatan biogas sesuai dengan kapasitas produksi yang dirancang.
• Dapat menampung maupun menyimpan biogas hasil proses secara aman.
• Memiliki mekanisme untuk melakukan pengadukan campuran bahan baku dalam digester secara berkala.
• Dapat menampung kelebihan volume campuran bahan baku mampu menjaga kestabilan suhu reaksi.
• Menyediakan mekanisme pembuangan slurry atau lumpur sisa proses pembuatan biogas.
• Memiliki akses untuk pemeliharaan dan perbaikan. Dari segi konstruksi dasarnya digester terbagi menjadi dua tipe yaitu : • Tipe terapung (floating type).
Digester jenis ini banyak dikembangkan di India. Tipe ini terdiri dari sumur yang di atasnya diletakkan drum dari besi terbalik yang berfungsi menampung gas yang dihasilkan digester. Bagian sumur biasanya dibangun dengan bahan baku beton. Digester dengan konstruksi seperti berikut ini mampu menampung perubahan volume digester sehubungan dengan jumlah biogas yang ada. Tekanan biogas yang terkumpul akan mendorong naik floating drum, yang dirancang untuk dapat bergerak bebas sepanjang sisi dinding dalam digester. Apabila jumlah biogas di dalam digester menurun karena dikonsumsi, maka tekanan biogas akan turun dan floating drum akan turun juga. Apabila terjadi kasus di mana tekanan gas menjadi berlebihan (over pressure) maka floating drum akan tetap naik sampai melewati sisi dinding dalam yang paling atas dari digester sehingga kelebihan gas akan dilepaskan melalui celah tersebut sampai tekanan menjadi normal kembali. Hal ini merupakan kelebihan dari digester tipe terapung dari segi keselamatan. Kelemahan tipe ini adalah floating drum yang terbuat dari besi mudah berkarat akibat iklim korosif dari reaksi pembuatan biogas sehingga mengurangi usia pakai alat.
Gambar 2.1. Digester tipe terapung.
• Tipe kubah (Fixed Dome Type)
Digester tipe ini banyak dikembangkan di Cina. Tipe ini dibangun dengan menggali tanah kemudian membuat bangunan kubah kedap udara dari beton.
Gambar 2.2. Digester tipe kubah
3
2. Gas Sensor Model TGS Sudah bertahun-tahun di pasaran terdapat pengindera
gas yang beredar, dan salah satu pengindera gas semikonduktor yang sering digunakan adalah gas sensor model TGS merk FIGARO. Bahan detektor gas dari sensor ini adalah metal oksida, khususnya senyawa SnO2. Ketika kristal metal oksida (SnO2) dihangatkan pada temperatur tertentu, oksigen akan diserap pada permukaan kristal dan oksigen akan bermuatan negatif, proses penyerapan oksigen oleh sensor dapat dilihat dari persamaan kimia berikut ini.
( ) ( )xx SnOadOSnOO −−∗
− →+ 2222
1
………………… (2.1)
( ) ( )∗−−
− +→+ xx SnOCOSnOadOCO 222
…………… (2.2)
Hal ini disebabkan karena permukaan kristal mendonorkan elektron pada oksigen yang terdapat pada lapisan luar, sehingga oksigen akan bermuatan negatif dan muatan positif akan terbentuk pada permukaan luar kristal. Tegangan permukaan yang terbentuk akan menghambat laju aliran elektron seperti tampak pada ilustrasi Gambar dibawah ini.
(a) (b)
Gambar 2.2. (a) Kondisi tidak ada gas, (b) kondisi
terjadi kontak dengan gas. (Sumber : General Information for TGS Sensors by Figaro Engineering
Inc.) Hubungan antara resistansi sensor dan deoxidizing
konsentrasi gas dapat dinyatakan oleh persamaan berikut pada suatu rentang tertentu konsentrasi gas:
[ ] α−= CARs
……………………………………… (2.3) Rs = Resistansi sensor A = Konstanta [C] = Konsentrasi Gas α = Kemiringan kurva Rs Sensitivitas Gas
Ketika sensor gas SnO2 terdapat kontak dengan suatu gas, ada perubahan dalam konduktivitas semikonduktor. Apapun penyebab perubahan tersebut akan termonitor oleh sensor melalui perubahan resistansi, yang digunakan untuk menentukan sensitivitas sensor. Sensitivitas suatu gas sensor didefinisikan sebagai suatu resistansi atau konduktansi yang berubah ketika sensor terkena konsentrasi gas tertentu . [Sumber : Raül Díaz Delgado, 2002]
Gambar 2.3. Sensitivitas sensor TGS.
(Sumber : General Information for TGS Sensors by Figaro Engineering Inc.)
Sesuai dengan persamaan (2.3), hubungan antara Resistansi sensor dan konsetrasi gas adalah linear pada skala logaritmik dengan konsentrasi gas daari beberapa ppm sampai ribuan ppm. Gambar 2.3 diatas menunjukkan hubungan resistansi dan konsentrasi gas.
Respon sensor
Gambar 2.4 menunjukkan respon sensor pada kondisi terdapat gas dan tidak adanya gas. Resistansi sensor akan menurun ketika terdapat kontak dengan suatu gas, dan ketika tidak ada kontak dengan suatu gas maka resistansi sensor akan kembali ke keadaan awal.
Gambar 2.4. Respon sensor TGS.
(Sumber : General Information for TGS Sensors by Figaro Engineering Inc.)
Pengaruh temperature dan realative humidity
Sensitivitas sensor TGS juga dipengaruhi oleh perubahan temperature dan relative humidity. Dimana seiring dengan kenaikan temperature dan relative humidity, resistansi sensor akan semakin menurun .Gambar 2.5 menjelaskan bagaimana pengaruh temperature dan relative humidity terhadap resistasi sensor TGS.
Gambar 2.5. pengaruh temperature dan relative humidity pada sensor TGS. (Sumber: General
Information for TGS Sensors by Figaro Engineering Inc.)
3. Akuisisi Data dan Data Logger
Data logger merupakan sebuah alat elektronik yang mencatat beberapa parameter seperti suhu, kelembaban, kecepatan dan arah angin, intensitas cahaya, dan parameter lain dari waktu ke waktu. Biasanya data logger dilengkapi dengan mikroprosesor dengan saluran input dan penyimpanan data. Komponen penting yang terdapat dalam data logger adalah sebagai berikut :
4
a. Input Channels Spesifikasi papan perangkat keras akuisisi data meliputi
jumlah kanal, laju pencuplikan, resolusi, jangkauan, ketepatan (akurasi), derau dan ketidak-linearan, yang semuanya berpengaruh pada kualitas sinyal yang terdigitisasi (terakuisisi secara digital). Jumlah kanal masukan analog telah ditentukan, baik untuk masukan diferensial maupun ujung-tunggal (single-ended) pada papan akuisisi data yang memiliki kedua macam masukan tersebut. Masukan ujung-tunggal merupakan masukan dengan referensi titik pentanahan (ground) yang sama. Masukan-masukan ini digunakan untuk sinyal masukan yang memiliki aras tegangan yang cukup tinggi (lebih besar dari 1 volt), kabel penghubungnya juga cukup pendek (kurang dari 4,5 meter) dan semua sinyal masukan memiliki referensi ground yang sama. Jika sinya-sinyal masukan tersebut tidak memenuhi kriteria ini, maka digunakan masukan diferensial, dengan tipe masukan diferensial ini, masing-masing masukan memiliki referensi ground-nya sendiri-sendiri. Ralat derau, dalam hal ini, dapat dikurangi karena derau common-mode (karena menggunakan referensi ground yang sama pada masukan ujung-tunggal) pada kabel sudah tidak ada.
Laju pencuplikan menentukan seberapa sering konversi data dilakukan. Laju pencuplikan yang cepat akan menghasilkan data yang lebih banyak dan akan menghasilkan penyajian-ulang sinyal asli yang lebih baik. Misal-nya, sinyal suara (audio) yang diubah ke sinyal listrik melalui mikrofon memiliki komponen frekuensi hingga mencapai 20 KHz. Untuk mendigitasi sinyal ini secara benar diguna-kan teorema Pencuplikan Nyquist yang mengatakan bahwa kita harus melakukan pencuplikan dengan laju atau frekuensi pencuplikan lebih besar dari dua kali komponen frekuensi maksimum yang ingin dideteksi (diakuisisi). Dengan demikian untuk sinyal audio tersebut diperlukan perangkat keras akuisisi data dengan frekuensi pencuplikan lebih dari 40 kHz (40.000 cuplikan tiap detik). b. A/D converter (Analog to Digital Converter)
Sinyal-sinyal yang dihasilkan oleh transduser suhu biasanya tidak membutuhkan laju pencuplikan yang tinggi karena suhu tidak akan berubah secara cepat (pada Konsep Akuisisi Data dan Konversi 3 kebanyakan aplikasi). Dengan demikian, perangkat keras akuisisi data dengan laju pencuplikan rendah sudah mencukupi untuk digunakan pada akuisisi data suhu/temperatur.
Pemultipleksan merupakan cara yang sering digunakan untuk menambah jumlah kanal masukan ke ADC (papan akuisisi data). ADC yang bersangkutan mencuplik sebuah kanal, kemudian berganti ke kanal berikutnya, kemudian mencuplik kanal tersebut, berganti lagi ke kanal berikutnya dan seterusnya. Karena menggunakan sebuah ADC untuk mencuplik beberapa kanal, maka laju efektif pencuplikan pada masing-masing kanal berbanding terbalik dengan jumlah kanal yang dicuplik. Misalnya sebuah papan akuisisi data mampu mencuplik dengan laju 100 Kcuplik/detik pada 10 kanal, maka masing-masing kanal secara efektif memiliki laju pencuplikan :
Dengan kata lain laju pencuplikan menurun seiring dengan ber-tambahnya kanal yang dimultipleks. c. Mikrokontroler
Mikrokontroler mini komputer yang didalam proses pengolahan data sama seperti personal komputer. Perbedaan yang utama adalah besarnya kapasitas memory RAM, serta adanya tempat penyimpanan data yang cukup besar seperti Harddisk. Didalam mikrokontroler terdapat CPU, bus-data, bus-addres, dan port I/O. Keempat elemen tersebut terdapat dalam personal komputer. Contoh
mikrokontroler yang sering digunakan untuk akusisi data yaitu IC Mikrokontroler ATMEGA 8535.
Penentuan fungsi pin perlu dilakukan untuk mengetahui input dan output pada IC sehingga ada pin-pin yang memiliki fungsi khusus (seperti ADC) dan pin komunikasi serial tidak terganggu. Input dan output yang dibutuhkan adalah rangkaian Sinyal konditioning, tombol-tombol, rangkaian driver Relay dan tampilan LCD. d. Data Output Port (PC Communication Port or RS-232 Port)
Sebagian besar data logger berkomunikasi dengan PC melalui port serial, yang memungkinkan data ditransmisikan secara serial (satu setelah yang lain). RS-232 interface telah menjadi standar sebagai antarmuka antara peralatan terminal data, seperti PC, dan peralatan komunikasi data serial menggunakan pertukaran data biner, seperti data logger atau modem. Data dapat dikirim dua arah, dan banyak logger menggunakan 9600 baud sebagai standar kecepatan komunikasi. e. Perangkat Lunak
Perangkat lunak (software) akuisisi data dibutuhkan untuk memprogram dan mendownload data secara serial dari data logger. Fungsi-fungsi data logging seperti kecepatan sensor dan scaling, interval log, protokol komunikasi dan format output (Excel, ASCII, alur, dll) diprogram menggunakan perangkat lunak yang terinstall di PC. Salah satu software akuisisi data yang biasa dipakai adalah LabVIEW.
LabVIEW bekerja berdasarkan prinsip data flow di mana informasi dalam program LabVIEW, disebut Virtual Instrument (VI), mengalir dari sumber data ke data sink dihubungkan dengan kabel (wires) .VI disini sangat kompleks karena dalam satu VI dapat berisi sejumlah internal VI banyak konfigurasi. Pengguna dapat membuat VI yang terdiri dari graphical user interface (GUI) yang disebut front panel dan block diagram. Front panel digunakan untuk membuat berbagai objek grafis mulai dari tombol sederhana sampai grafik kompleks, sedangkan block diagram pada LabVIEW berisi beberapa jenis logika program yang berfungsi untuk memodifikasi aliran data.
Gambar 2.7 Front panel dan block diagram pada LabVIEW.
Front panel control, indikator dan block diagram
tersedia pada palet yang terdapat pada jendela LabVIEW. Palet ini telah dipisahkan isinya ke dalam sub-kategori yang berisi kontrol, indikator, dan VI.
Gambar 2.8 Palet pada Front panel dan block diagram.
5
III. METODOLOGI PENELITIAN Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai metodologi
yang digunakan dalam penelitian ini. Berikut beberapa metode yang dilakukan untuk mencapai tujuan dari tugas akhir ini yaitu:
1) Eksperimen biodigester. 2) Perancangan sistem akuisisi data. 3) Pengujian Methane Gas Sensor. 4) Analisa data. 5) Perancangan gas holder. 6) Integrasi Methane Gas Detector pada Portable
Biodigester.
Langkah-langkah tersebut merupakan prosedur penelitian tugas akhir secara umum. Metodologi secara keseluruhan dijelaskan pada flowchart penelitian gambar 3.1 dan dijabarkan pada sub-bab selanjutnya.
Gambar 3.1 Flowchart penelitian.
1. Eksperimen Biodigester Pada tahap dilakukan eksperimen dengan membuat
biodigester yang masih konvensional (tanpa sistem monitoring) untuk mengetahui adanya gas methane dari biogas hasil eksperimen biodigester. Pengujian gas methane ini dilakukan dengan 2 metode, yaitu menguji dengan membakar biogas hasil eksperimen, dan cara kedua yaitu dengan menganalisa sampel biogas pada Shimadzu GC-17A Gas Chromatography untuk mengetahui adanya kandungan gas methane pada biogas. 2. Perancangan sistem akuisisi data a. Design minimum sistem Atmega8535 Perangkat akuisisi data yang digunakan pada pengujian ini menggunakan minimum sistem berbasis mikrokontroler Atmega8535. Perangkat lunak yang digunakan berbasis LabVIEW 8.6 untuk akuisisi data yang digambarkan pada gambar 3.3 diagram blok sistem akuisisi data.
Gambar 3.3 Diagram blok sistem akuisisi data b. Perancangan software Pada software akuisisi data berbasis LabVIEW 8.6 yang kami rancang terdiri dari 3 mode, yaitu mode real-time, mode offline, dan mode tampilan Plant Biodigester. Mode real-time digunakan untuk akuisisi data secara real-time menggunakan komunikasi serial dengan menggunakan
komponen VISA Serial pada LabVIEW 8.6 dan menyimpannya dalam bentuk log file (*.lvm).
Gambar 3.6 Front panel mode real-time pada LabVIEW 8.6
Tampilan front panel mode real-time dapat dilihat pada gambar 3.6. Pada mode rea-time ini terdiri dari 2 tampilan Grafik, dimana grafik kiri untuk menampilkan nilai konsentrasi gas methane yang terukur secara real-time. Sedangkan grafik kanan untuk menampilkan nilai tegangan keluaran sensor secara real-time. Tampilan front panel mode real-time dapat dilihat pada gambar 3.8. Pada tampilan front panel ini terdapat simulasi plant biodigester, simulasi bukaan valve dan monitoring level plant biodigester.
Gambar 3.8 Front panel tampilan Plant pada LabVIEW 8.6
Setelah melakukan design pada front panel LabVIEW 8.6, maka selanjutnya dilakukan design pada Block Diagram LabVIEW untuk dapat menjalankan program seperti pada front panel yang sudah dibuat. Pada block diagram dilakukan pendefinisian intputan sensor yang masih dalam bentuk tegangan menjadi besaran konsentrasi (dalam ppm) dengan metode interpolasi berdasarkan data hasil kalibrasi. Pada gambar 3.8 berikut ini merupakan design Block Diagram pada LabVIEW.
Gambar 3.8 Block Diagram software pada LabVIEW 8.6
6
c. Kalibrasi Pembacaan Tegangan Setelah melakukan perancangan hardware maupun
software akuisisi data, maka dilakukan kalibrasi terhadap pembacaan tegangan pada software akuisisi data. Pembacaan tegangan pada software akuisisi dibandingkan dengan pembacaan tegangan pada Digital Multimeter, dengan tujuan untuk melihat ketepatan dari pembacaan tegangan pada software akuisisi yang telah dirancang. 3. Pengujian Methane Gas Sensor a. Penentuan sensor Sensor yang digunakan adalah TGS2611 dan TGS2612 yang mempunyai sensitifitas tinggi untuk gas methane. Untuk sensor TGS2611 dikhususkan untuk mendeteksi gas methane, dan pada umunya diaplikasikan untuk gas detektor ataupun gas leak detektor. Tabel 3.2 brikut ini menunjukkan spesifikasi sensor TGS2611. Spesifikasi sensor di atas perlu kita perhatikan pada saat melakukan perancangan rangkaian sensor. Dari spesifikasi diatas diketahui bahwa dibutuhkan Vc dan VH sebesar 5.0V ± 0.2V DC/AC, dan IH 56 ± 5mA, sehingga pada rangkaian sensor dibutuhkan Power supply sebesar 5 V dan Current Regulator untuk mengkondisikan arus. Sedangkan untuk sensor TGS2612 pada umunya digunakan untuk mendeteksi gas methane, propane, dan butane pada aplikasi gas leak detektor. Berikut spesifikasi dari sensor TGS2612.
Gambar 3.9 struktur TGS2611, (b) struktur TGS2612 (Sumber : Technical Information for TGS2611 and TGS2612,
revised June 2005 by Figaro) b. Perbandingan Data Pengukuran terhadap Data Kalibrasi Figaro Engineering Inc Kalibrasi gas sensor ini dilakukan dengan menggunakan data kalibrasi dan grafik standard yang diperoleh dari Figaro Engineering Inc. Pada grafik terdapat hubungan Rs/Ro terhadap konsentrasi gas dalam ppm untuk methane dan clean air (udara bersih). Dari grafik tersebut dapat kita hitung nilai Ro yaitu nilai resistansi sensor pada 5000 ppm gas methane, sehingga kalibrasi gas sensor ini juga dapat dilakukan pada kondisi clean air. Berikut grafik dan tabel data kalibrasi dari Figaro Engineering Inc.
Gambar 3.10 grafik sensitivitas TGS2611
(Sumber : Figaro engineering, 11th May, 2010)
Tabel 3.4 Data kalibrasi TGS2611
(Sumber : Figaro engineering, 11th May, 2010)
Dari tabel data kalibrasi vendor dapat kita ketahui bahwa nilai Rs (misalkan pada 5000 ppm methane) adalah sebesar 2.15 kΩ dan rasio Rs/Ro sebesar 1. Sehingga Ro dapat dihitung sebagai berikut :
Ω==
=
kRR
R
R
MethaneppmPada
SO
O
S
15.2
)1.3(........................1
5000
Dari grafik standard dapat diketahui bahwa rasio Rs/Ro untuk clean air pada kondisi suhu 20ºC dan 65%RH adalah sebesar 9, sehingga Rs sensor yang terkalibrasi oleh vendor pada clean air diketahui sebesar 19.35 kΩ. Untuk itu gas sensor ini dikalibrasi dengan cara mengukur nilai Rs dari rangkaian pada kondisi clean air.
Gambar 3.11 rangkaian sensor TGS2611 dan TGS2612
(Sumber : Technical Information for TGS2611 and TGS2612, revised June 2005 by Figaro)
Pengukuran dilakukan pada beberapa titik pengukuran yang mendekati kondisi kalibrasi gas sensor oleh vendor. Disini kami melakukan pengukuran pada 10 titik pengukuran untuk kalibrasi gas sensor pada clean air serta pada temperature dan RH tertentu. Dari nilai VRL yang terukur dapat diperoleh nilai Rs dengan menggunakan persamaan berikut :
LRL
RLCS R
V
VVR ×
−= …………….. …..(3.2)
Berikut tabel 10 titik pengukuran pada temperature, humidity, dan kondisi lain yang mendekati kondisi data kalibrasi grafik standard, yaitu pada 20°C, 65%RH, VC=5 Volt, VH=5 Volt, dan RL=10kΩ. Selanjutnya nilai Rs dari hasil pengukuran akan dibandingkan dengan nilai Rs sensor pada grafik standard, sehingga bisa ditentukan faktor koreksi dari gas sensor tersebut. Untuk senor TGS2612 proses kalibrasi juga dilakukan seperti metode diatas dengan menggunakan grafik standard dan tabel data kalibrasi sebagai berikut :
7
Gambar 3.12 grafik sensitivitas TGS2612
(Sumber : Figaro engineering, 11th May, 2010)
Tabel 3.5 data kalibrasi TGS2612 (Sumber : Figaro engineering, 11th May, 2010)
Untuk tiap titik pengukuran dilakukan prosedur sebagai berikut : 1. Mempersiapkan peralatan. 2. Menghubungkan rangkaian sensor dengan
minimum sistem Atmega8535. 3. Menghubungkan minimum sistem Atmega8535
dengan PC melalui Port DB9. 4. Menyiapkan software akusisi data menggunakan
LabVIEW 8.6. 5. Menyiapkan Digital Termo-hygrometer 6. Mengukur Temperature dan %RH pada setiap titik
pengukuran. 7. Menjalankan program akuisisi data dan
menyalakan power supply agar data pengukuran sensor terbaca dari mulai start-up.
8. Melakukan pengukuran selama 2 menit (120 detik) sampai keluaran sensor stabil dan menyimpan hasil pengukuran dalam LabVIEW Measurement File (*.lvm).
9. Melakukan langkah 1 s/d 8 untuk titik pengukuran lainnya.
Menghitung faktor koreksi dari masing-masing sensor dengan membandingkannya terhadap data kalibrasi Figaro Engineering Inc. c. Uji Kinerja
Pada tahap uji kinerja sensor ini, akan diuji respon gas sensor pada saat kontak dengan gas dan pengaruh temperature dan %RH (Relative Humidity) terhadap respon gas sensor. Peralatan yang digunakan untuk melakukan uji kinerja gas sensor adalah sebagai berikut: 1. Current regulator, yang terdiri dari komponen berikut:
a. LM317 b. Resistor variable 1 kΩ. c. Kapasitor 0.1 µF
2. Rangkaian sensor, yang terdiri dari komponen berikut: a. Resistor variable 10 kΩ. b. TGS2611/TGS2612 gas sensor.
3. Minimum System Atmega8535. 4. DT830B Masda Digital multmeter. 5. Dekko 642 Digital Termo-Hygrometer. 6. Power supply (5 Volt, 1 Ampere). 7. Lighter (butane) Berikut skematik rangkaian dan gambar papan rangkaian yang digunakan untuk uji kinerja gas sensor TGS2611 dan TGS2612.
Gambar 3.13 skematik rangkaian sensor dan rangkaian
current regulator. Uji kinerja sensor ini dilakukan dengan beberapa bentuk pengujian, yaitu : • Uji respon gas
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui respon sensor pada saat kondisi udara bersih dan kondisi terjadi kontak dengan suatu gas. Disini gas yang digunakan adalah gas butane yang terdapat pada korek gas. Hal ini dikarenakan gas ini bisa diperoleh dengan mudah di pasaran, sedangkan untuk gas methane hanya diperoleh dari biogas hasil eksperimen biodigester dan digunakan untuk pengujian pada Gas Chromatography. Pada grafik berikut, untuk Rs/Ro = 2 jika ditarik garis lurus ke grafik methane dan butane, maka sensor dapat mendeteksi 1000 ppm methane atau 3600 ppm butane. Sehingga kemampuan sensor TGS2611 dalam mendeteksi 1 ppm methane setara dengan kemampuan mendeteksi 3.6 ppm butane.
Gambar 3.15 Sensitivitas sensor TGS2611 untuk
beberapa gas (Source : Technical Information for TGS2611 by
Figaro Engineering Inc.)
Sedangkan untuk grafik diatas, pada Rs/Ro = 0.7 jika ditarik garis lurus ke grafik methane dan butane, maka sensor dapat mendeteksi 10000 ppm methane atau 3600 ppm butane. Sehingga kemampuan sensor TGS2612 dalam mendeteksi 1 ppm methane setara dengan kemampuan mendeteksi 0.36 ppm butane.
8
Gambar 3.16 Sensitivitas sensor TGS2612 untuk beberapa
gas (Source : Technical Information for TGS2612 by Figaro
Engineering Inc.) • Uji sensitivitas terhadap pengaruh temperature dan humidity.
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui sensitivitas sensor terhadap perubahan temperature dan humidity. Untuk pengujian ini pengambilan data menggunakan digital multimeter dan digital termo-hygrometer.
Gambar 3.17 pengujian respon sensor terhadap temperature
dan humidity 4. Analisa Data
Setelah dilakukan beberapa pengujian dari sensor TGS2611 dan TGS2612, didapatkan data-data pengujian baik dalam bentuk tabel maupun grafik. Selanjutnya dari data-data pengujian tersebut dilakukan analisa data dengan menggunakan beberapa perhitungan matematis dan bantuan software OriginPro 8 yang dijelaskan lebih lengkap pada BAB IV. Dari hasil analisa data akan diperoleh beberapa kesimpulan untuk menentukan sensor manakah yang lebih baik untuk diimplementasikan pada plant biodigester ini. 5. Perancangan Gas Holder
Gas holder didesain dengan menggunakan 2 buah tabung, dimana tabung pertama digunakan untuk gas kolektor dan diisi dengan sebagian air, dimana tinggi air segaris dengan bagian bawah displacement tank(tabung kedua) dalam keadaan kosong. Sedangkan tabung kedua digunakan sebagai displacement tank jika nantinya terdapat biogas pada tabung pertama dan menekan air naik ke tabung kedua. Design gas holder dapat dilihat pada gambar 3.18 dengan kondisi masih belum ada gas pada tabung kolektor.
Gambar 3.18 Design Gas Holder
Untuk peletakan sensor gas methane ditempatkan
pada bagian atas tabung kolektor, dan untuk menghindari adanya kontak antara sensor dan air terdapat sekat berlubang antara bagian tabung kolektor yang terisi air dan tabung kolektor yang terisi gas. Gambar peletakan sensor gas methane dapat dilihat pada gambar 3.19
Gambar 3.19 Peletakan sensor pada Gas Holder
Jika pada tabung kolektor terdapat gas masuk,
maka gas akan menekan air naik ke tabung kedua seperti yang terlihat pada gambar 3.20.
Gambar 3.20 Gas holder pada saat terdapat gas.
6. Integrasi Methane Gas Detector pada Portable Biodigester
Setelah melakukan perancangan gas holder, selanjutnya dilakukan integrasi dari gas holder yang telah dirancang pada plant biodigester dengan menghubungkan pipa gas inlet dengan saluran keluaran gas pada tabung digester. Gambar integrasi gas holder pada plant biodigester dapat dilihat pada gambar 3.21
Gambar 3.21 Integrasi gas holder pada plant biodigester
IV. HASIL AN ANALISA 1. Prosedur Pengambilan Data Beberapa langkah yang dilakukan dalam pengambilan data untuk kalibrasi dan uji kinerja sensor TGS2611 dan TGS2612 adalah sebagai berikut :
Gambar 4.1 Langkah-langkah pengambilan data
9
2. Analisa Data dan Grafik a. Penentuan sensor
Pada tahap eksperimen biodigester dilakukan pengujian adanya gas methane dengan 2 metode, yaitu dengan pengujian membakar hasil gas, dan pengujian hasil gas dengan menggunakan Shimadzu GC-17A Gas Chromatography. Untuk pengujian pertama, biogas hasil eksperimen biodigester selama 27 hari dibakar dengan menggunakan korek api, pada pengujian dihasilkan nyala api biru seperti pada gambar 4.2, sehingga dapat disimpulkan bahwa pada biogas hasil eksperimen ini terdapat gas methane.
Gambar 4.2 Pengujian gas methane dengan cara dibakar
Sedangkan untuk pengujian kedua dilakukan dengan
menggunakan Shimadzu GC-17A Gas Chromatography untuk 5 buah sampel biogas dari hasil eksperimen. Pada grafik gambar 4.3 contoh hasil pengujian gas methane untuk sampel pertama, untuk data hasil pengujian sampel lain dapat dilihat pada Lampiran A .
Gambar 4.3 hasil tes chromatogram untuk methane standard
Data grafik diatas merupakan data methane standard
dengan asumsi Shimadzu GC-17A sudah terkalibrasi. Dari data grafik dan table pada gambar 4.3 dapat diketahui area methane standard sebesar 1803128 dengan kandungan 100% methane pada konsentrasi 1000 ppm. Data methane standard ini digunakan sebagai pembanding untuk menentukan besarnya konsentrasi untuk 5 sampel biogas yang diuji dengan asumsi pada pengujian methane standard terdapat 100% gas methane. Sehingga untuk pengujian setiap sampel pertama dapat diketahui dengan perhitungan perbandingan sebagai berikut :
ppmsampelareanilai
sampelppmikonsentras 10001803128
)( ∗=
Data grafik untuk sampel pertama dapat dilihat pada gambar 4.4 berikut ini :
Gambar 4.4 hasil tes chromatogram untuk sampel pertama
Tabel 4.1 Data hasil pengujian gas methane
Sampel Area Konsentrasi (ppm)
1 27671 15.346
2 27656 15.337
3 27642 15.330
4 27245 15.109
5 26849 14.890 b. Kalibrasi Pembacaan Tegangan Pengujian dilakukan dengan membandingkan pembacaan tegangan pada software akuisisi LabVIEW 8.6 dengan pembacaan tegangan pada Digital Multimeter, dengan tujuan untuk melihat ketepatan dari pembacaan tegangan pada software akuisisi yang telah dirancang. Dari pengujian pembacaan tegangan pada software akuisisi data LabVIEW 8.6, diperoleh data sebagai berikut :
Gambar 4.5 Kalibrasi pembacaan tegangan
Tabel 4.2 Data kalibrasi pembacaan tegangan
Sampel 5 Volt 0 Volt
1 4.96278 0.02933
2 4.9609 0.0005
3 4.9623 0.01843
4 4.96036 0.02818
5 4.96375 0.05164
6 4.96188 0.01924
10
c. Perbandingan Pengukuran Sensor TGS2611 dan TGS2612 terhadap Data Kalibrasi Figaro Engineering Inc
Sebelum melakukan uji kinerja terhadap sensor TGS2611 dan TGS2612, dilakukan kalibrasi gas sensor dengan menggunakan grafik standard yang diperoleh dari data hasil kalibrasi Figaro Engineering. Kalibrasi dilakukan pada 10 sampel titik pengukuran untuk masing-masing sensor yang mendekati kondisi kalibrasi sensor dari Figaro Engineering, yaitu pada kondisi Temperature 20±5 °C dan 65±5 %RH. Pengambilan data pengukuran untuk tiap sampel dilakukan per-detik selama 2 menit (120 data pengukuran tiap sampel) dengan menggunakan akusisi data dan Labview 8.6. Berikut contoh pengambilan data pada sampel titik pengukuran 1 (pada T = 28.1°C dan 58%RH) untuk sensor TGS2611 pada LabVIEW 8.6 secara real-time pada gambar 4.6 dibawah ini. Untuk data grafik titik pengukuran selanjutnya (titik pengukuran 2 s/d titik pengukuran 10) dapat dilihat pada Lampiran B .
Gambar 4.6 Grafik Tegangan TGS2611 untuk titik
pengukuran 1 pada tampilan Labview 8.6 secara real-time.
Setelah dilakukan pengambilan data secara real-time pada LabVIEW 8.6, secara otomatis data pengukuran tersimpan dalam Measurement File LabVIEW (*.lvm) untuk selanjutnya dilakukan analisa grafik dengan bantuan software OriginPro 8 dengan membuka log file yang telah tersimpan dari pengambilan data secara real-time. Tampilan analisa grafik pada OriginPro 8 dapat dilihat pada gambar 4.7.
0 20 40 60 80 100 1200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0 Voltage
Vol
tage
(V
olt)
Time (s)
Titik pengukuran 1 pada T=28.1°C dan 58 %RH
Gambar 4.7 Grafik Tegangan TGS2611 untuk titik
pengukuran 1 pada tampilan OriginPro 8.
Pada grafik gambar 4.7 terlihat tren grafik yang naik dari nilai tegangan 0 kemudian stabil pada nilai tegangan tertentu. Hal tersebut dikarenakan pengambilan data untuk tiap sampel dilakukan mulai kondisi start-up (rangkaian sensor baru dinyalakan). Pada grafik juga terlihat bahwa keluaran tegangan sensor mulai stabil setelah ±20 detik dari total 120 detik/2 menit pengambilan data.
Dari analisa grafik dapat diketahui nilai rata-rata tegangan keluaran sensor (mean voltage) dan standard deviasi dari pengambilan data untuk setiap sampel titik pengukuran. Data untuk tiap sampel titik pengukuran sensor TGS2611 dapat dilihat pada tabel 4.3. Nilai mean voltage tiap sampel merupakan nilai dari rata-rata tegangan keluaran untuk 120 data pengukuran yang diambil secara real-time dengan
bantuan LabVIEW 8.6. Pada tabel 4.3 juga dihitung nilai standard deviasi atau besarnya penyimpangan nilai pengukuran tiap sampel, dan didapatkan nilai rata-rata penyimpangan untuk 10 sampel sebesar 0.33442.
Tabel 4.3 Data pengukuran TGS2611 pada Udara Bersih
TP
Kondisi pengukuran Mean
Voltage (Volt)
Standard Deviation
tiap sampel T (ºC) %RH
1 28.1 58 1.35981 0.37930
2 27.9 56 1.43463 0.32311
3 28.6 59 1.55926 0.29448
4 28.9 60 1.5603 0.33321
5 29.3 62 1.52546 0.33854
6 28.9 65 1.58596 0.34328
7 28.7 67 1.55824 0.34570
8 29.4 63 1.55963 0.33616
9 29.2 64 1.58313 0.33002
10 28.6 65 1.61413 0.32037
Rata-rata 0.33442 Dari data pengukuran pada tabel 4.3, dengan menggunakan persamaan (3.2) maka didapatkan nilai resistansi sensor (Rs) TGS2611 untuk tiap sampel pengukuran pada pada kondisi udara bersih (clean air). Selanjutnya nilai resistansi sensor TGS2611 dari hasil pengukuran dibandingkan dengan nilai resistansi sensor TGS2611 yang telah terkalibrasi oleh Figaro Engineering untuk kondisi yang sama pada udara bersih. Sehingga didapatkan nilai error dan %error dari setiap sampel pengukuran seperti yang ditampilkan pada tabel 4.4. Dari data tabel 4.4 dapat ditentukan nilai rata-rata error dan standatd deviasi dari total 10 sampel pengukuran dengan bantuan OriginPro 8. Tampilan hasil perhitungan rata-rata error dan standard deviasi dapat dilihat seperti pada gambar 4.8.
Tabel 4.4 Hasil perbandingan pengukuran TGS2611
TP Rs pengukuran
(kΩ)
Rs Figaro Engineering
(kΩ) Error
1 26.97 19.35 7.62
2 25.01 19.35 5.66
3 22.21 19.35 2.86
4 22.19 19.35 2.84
5 22.93 19.35 3.58
6 21.67 19.35 2.32
7 22.24 19.35 2.89
8 22.21 19.35 2.86
9 21.73 19.35 2.38
10 21.12 19.35 1.77
Gambar 4.8 Hasil pengolahan data sensor TGS2611 pada
OriginPro 8. Dari hasil pengolahan data pada OriginPro 8 dapat ditentukan bahwa untuk kalibrasi sensor TGS 2611 pada kondisi udara bersih pada total 10 sampel pengukuran mempunyai nilai standard deviasi (standard ketidakpastian) 1.79221, rata-rata error 3.478, nilai minimum error 1.77,dan nilai maximum error 7.62.
11
Selanjutnya dilakukan prosedur yang sama untuk pengambilan data setiap sampel titik pengukuran pada sensor TG2612. Berikut contoh pengambilan data pada sampel titik pengukuran 1 (pada T = 28°C dan 60%RH) untuk sensor TGS2612 pada LabVIEW 8.6 secara real-time pada gambar 4.9.
Gambar 4.9 Grafik Tegangan TGS2612 untuk titik
pengukuran 1 pada tampilan Labview 8.6 secara real-time Pengambilan data secara real-time pada LabVIEW 8.6 secara otomatis tersimpan dalam Measurement File LabVIEW (*.lvm) untuk selanjutnya dilakukan analisa grafik dan pengolahan data pada OriginPro 8 dengan membuka log file yang telah tersimpan. Tampilan grafik pada OriginPro 8 dapat dilihat pada gambar 4.10.
0 20 40 60 80 100 1200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Voltage
Vol
tage
(V
olt)
Time (s)
Titik pengukuran 1 pada T=28ºC dan 60%RH
Gambar 4.10 Grafik Tegangan TGS2612 untuk titik
pengukuran 1 pada tampilan OriginPro 8.
Tabel 4.5 Data pengukuran TGS2612 pada udara bersih
TP
Kondisi pengukuran
Mean Voltage (Volt)
Standard Deviation T (ºC) %RH
1 28 60 1.05466 0.25939
2 29.3 58 0.90196 0.23732
3 29.2 64 1.13029 0.27871
4 29.1 61 1.15958 0.24440
5 29.1 64 1.04065 0.23814
6 29.1 65 1.05657 0.25520
7 28.1 55 1.05885 0.26840
8 29.8 71 1.04924 0.26167
9 29.5 68 1.06765 0.29913
10 29.1 66 1.05592 0.25644
Rata-rata 0.25988
Dari grafik pengukuran real-time dapat diketahui nilai rata-rata tegangan keluaran sensor (mean voltage) dan standard deviasi dari pengambilan data untuk setiap sampel titik pengukuran seperti pada tabel 4.5. Nilai mean voltage tiap sampel merupakan nilai dari rata-rata tegangan keluaran untuk 120 data pengukuran yang diambil secara real-time dengan LabVIEW 8.6. Pada tabel 4.5 juga dihitung nilai standard deviasi atau besarnya penyimpangan nilai
pengukuran tiap sampel, dan didapatkan nilai rata-rata penyimpangan untuk 10 sampel sebesar 0.25988. Selanjutnya dengan menggunakan persamaan (3.2) maka didapatkan nilai resistansi sensor (Rs) untuk tiap sampel pengukuran pada pada kondisi udara bersih (clean air). Nilai Rs TGS2612 dari hasil pengukuran dibandingkan dengan nilai Rs TGS2612 yang telah terkalibrasi oleh Figaro Engineering untuk kondisi yang sama pada udara bersih. Sehingga didapatkan nilai error dan %error dari setiap sampel pengukuran seperti yang ditampilkan pada tabel 4.6.
Tabel 4.6 Hasil perbandingan pengukuran TGS2612
TP Rs
pengukuran (kΩ)
Rs Figaro Engineering
(kΩ) Error
1 37.62 33.21 4.41
2 33.24 33.21 0.03
3 34.43 33.21 1.22
4 33.31 33.21 0.10
5 37.79 33.21 4.58
6 37.53 33.21 4.32
7 37.43 33.21 4.22
8 37.86 33.21 4.65
9 37.04 33.21 3.83
10 37.56 33.21 4.35
Dari data tabel 4.6 dapat ditentukan nilai rata-rata error dan standatd deviasi dari total 10 sampel pengukuran dengan OriginPro 8. Tampilan hasil perhitungan rata-rata error dan standard deviasi dapat dilihat seperti pada gambar 4.11.
Gambar 4.11 Hasil pengolahan data sensor TGS2612 pada OriginPro 8.
Dari hasil gambar 4.11 dapat ditentukan bahwa untuk kalibrasi sensor TGS 2612 pada kondisi udara bersih pada total 10 sampel pengukuran mempunyai nilai standard deviasi (standard ketidakpastian) 1.91648, rata-rata error 3.171, nilai minimum error 0.03,dan nilai maximum error 4.65. d. Uji Respon Sensor terhadap Gas Butane Dilakukan dengan menguji respon masing-masing sensor terhadap adanya kontak dengan gas. Gas yang digunakan untuk pengujian adalah Butane, karena kedua sensor tersebut juga dapat mendeteksi gas Butane. Hubungan Butane dan Methane dalam hal kemampuan masing-masing sensor dalam mendeteksi gas adlah sebagai berikut. LEL butane = 1.8% LEL = 18000 ppm 1% LEL butane = 0.018% = 180 ppm ...........................(4.1) LEL methane = 5% LEL = 50000 ppm 1% LEL methane = 0.05% = 500 ppm ..........................(4.2) Untuk sensor TGS2612, pada rasio resistansi terntentu menyatakan %LEL yang sama untuk butane dan methane (akan tetapi mempunyai nilai ppm yang berbeda) seperti pada gambar 3.16, karena sensor ini dapat mendeteksi 1 s/d 25%LEL untuk masing-masing gas baik butane maupun methane [DP]. Sehingga untuk sensor TGS2612 penyetaraannya dapat menggunakan hubungan konversi diatas. Maka dapat dinyatakan kemampuan sensor TGS2612
12
dalam mendeteksi setiap 1 ppm gas methane sama dengan 0.36 ppm butane. Sedangkan untuk sensor TGS2611, pada rasio resistansi terntentu tidak menyatakan %LEL yang sama untuk butane dan methane, sehingga penyetaraannya tidak bisa menggunakan hubungan konversi diatas. Penyetaraan untuk sensor TGS2611 terhadap butane dalam mendeteksi methane dapat dilakukan dengan pendekatan grafik seperti pada gambar 3.15. Sehingga kemampuan senssor TGS2611 dalam mendeteksi setiap 1 ppm gas methane dapat dinyatakan setara dengan 3.6 ppm butane. Pengujian terhadap gas butane dilakukan sebanyak 5 sampel untuk masing-masing sensor. Sampel diambil dengan menguji respon sensor dengan 1, 2, 3, 4 dan 5 kali semprotan gas butane yang berasal dari lighter/korek gas. Contoh pengambilan data respon TGS2611 dan TGS2612 terhadap gas Butane untuk 1 kali semprotan Lighter / korek gas pada LabVIEW 8.6 secara real-time dapat dilihat pada gambar 4.12 dan gambar 4.13. Untuk data selanjutnya (sampel 2 s/d sampel 5) dapat dilihat pada Lampiran C .
Gambar 4.12 Grafik Uji respon sensor TGS2611 dengan 1
kali semprotan gas Butane pada tampilan real-time di LabVIEW 8.6.
Gambar 4.13 Grafik Uji respon sensor TGS2612 dengan 1
kali semprotan gas Butane pada tampilan real-time di LabVIEW 8.6.
Dari analisa grafik dapat diketahui nilai maksimal
tegangan keluaran dari sensor saat pengambilan data yang menyatakan maksimal ppm (part per milion) gas Butane yang dideteksi pada saat diberi semprotan. Berikut tabel data pengukuran untuk kalibrasi TGS2611.
0 50 100 150 200 250 300 3500.0
0.5
1.0
1.5
2.0 Uji respon TGS2611 terhadap gas Butane
Voltage
Vo
ltage
(V
olt)
Time (s)
1x semprotan
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Voltage
Vol
tage
(V
olt)
Time (s)
Uji respon TGS2612 terhadap gas Butane(1x semprotan)
(a) (b)
Gambar 4.14 Grafik Uji respon sensor dengan 1 kali semprotan gas Butane pada OriginPro 8 (a) TGS2611
(b) TGS2612. .
Tabel 4.7 Data pengukuran uji respon sensor terhadap gas Butane
Jumlah sempro
tan
Tegangan keluaran TGS2611
Tegangan keluaran TGS2612
Udara bersih (Volt)
Gas Butane (Volt)
Rs (kΩ)
Udara bersih (Volt)
Gas Butane (Volt)
Rs (kΩ)
1 1.55914 1.65689 20.31 0.93842 1.47116 24.14
2 1.5738 1.70577 19.44 1.05572 1.72043 19.19
3 1.56403 1.73998 18.87 1.12903 2.10655 13.85
4 1.54936 1.74976 18.70 1.04106 2.2043 12.79
5 1.56892 1.77908 18.23 1.02151 2.60997 9.25
Dari data pengukuran pada tabel 4.7, dapat diketahui
perubahan tegangan keluaran sensor setiap penambahan jumlah semprotan gas butane. Untuk sensor TGS2611 kenaikan tegangan keluaran setiap kenaikan jumlah semprotan butane lebih kecil dibandingkan kenaikan tegangan keluaran pada TGS2612. Sehingga dapat dikatakan resolusi pengukuran untuk TGS2612 lebih besar dibandingkan pada TGS2611.
Dari data uji respon sensor terhadap gas Butane pada bahasan sebelumnya, maka dapat kita dapatkan nilai ppm Butane yang dapat terbaca oleh sensor. Dengan melihat tabel data kalibrasi TGS2611 dan TGS2612 oleh Figaro Engineering, maka dapat kita ketahui ppm methane yang dapat terbaca oleh sensor. Karena pada saat percobaan kita menggunakan gas Butane, maka kita setarakan kemampuan sensor dalam pembacaan methane dengan kemapuan sensor dalam pembacaan Butane dengan suatu faktor pengali.
Untuk sensor TGS2611 , pada grafik Rs/Ro terhadap konsentrasi gas dapat diketahui bahwa pada saat Rs/Ro =2 sensor dapat mendeteksi 1000 ppm methane atau 3600 ppm Butane. Sehingga 1 ppm methane yang terdeteksi oleh sensor setara dengan 3.6 ppm Butane.
Sedangkan untuk TGS2612, sensor ini dapat mendeteksi 1-25% LEL untuk gas Methane, Propane , dan Butane. Sehingga 1%LEL Methane yang terbaca oleh sensor TGS2612 setara dengan 1%LEL Butane yang terbaca oleh sensor TGS2612.
Tabel 4.8 Hasil uji respon TGS2611 terhadap gas Butane Jumlah
semprotan Rs/Ro Methane Butane Conductance
(mS)
1 9.44993 < 1ppm < 3.6 ppm 0.04922
2 9.04615 < 1ppm < 3.6 ppm 0.05142
3 8.77701 < 1ppm < 3.6 ppm 0.05299
4 8.70203 < 1ppm < 3.6 ppm 0.05345
5 8.48208 < 1ppm < 3.6 ppm 0.05484
Tabel 4.9 Hasil uji respon TGS2612 terhadap gas Butane Jumlah
semprotan Rs/Ro
Methane (ppm)
Butane (ppm)
Conductance (mS)
1 11.22896 13.65448 4.91561 0.04142
2 8.92949 26.76816 9.63654 0.05209
3 6.44193 58.50499 21.0618 0.0722
4 5.95042 70.91646 25.52992 0.07817
5 4.30405 139.8728 50.35421 0.10806 Dari kedua data tabel diatas dapat kita lihat bahwa sensor TGS2612 memiliki kenaikan konduktasi yang lebih besar dibandingkan TGS2611, seiring dengan kenaikan ppm butane yang disemprotkan. Sehingga sensor TGS2612 lebih konduktan dibandingkan TGS2611, atau dengan kata lain sensor TGS2612 lebih sensitif dalam mendeteksi gas
13
methane dibandingkan sensor TGS2611. Jika dibandingkan dalam bentuk grafik akan tampak seperti gambar 4.15.
1 2 3 4 5
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
G /
Con
duct
ance
(m
S)
Semprotan
TGS2611 TGS2612
Perbandingan kenaikan konduktansi sensor terhadap kenaikan ppm Butane
Gambar 4.15 Grafik perbandingan kenaikan konduktansi
sensor terhadap kenaikan ppm Butane Dari grafik 4.15 juga dapat dilihat kenaikan konduktasi dari sensor TGS2612 lebih besar dibandingkan sensor TGS2611, sehingga dapat disimpulkan bahwa TGS2612 lebih sensitif dan memiliki resolusi yang lebih besar dibandingkan TGS2611 dalam mendeteksi gas methane.
0 10 20 30 40 50
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
G /
Con
duct
ance
(m
S)
Butane (ppm)
G / Conductance
Conductance vs Butane Concentration (ppm)
Gambar 4.16 Grafik konduktasi terhadap konsentrasi gas
Butane pada TGS2612
e. Uji Respon Sensor terhadap pengaruh Temperature dan Relative humidity
Pengujian dilakukan untuk mengetahui sensitivitas sensor TGS2611 dan TGS2612 terhadap perubahan temperature dan relative humidity (%RH). Temperature dan %RH merupakan 2 parameter kondisi lingkungan yang sangat mempengaruhi terhadap pembacaan pada sensor TGS2611 dan TGS2612. Untuk parameter temperature diambil data pengukuran pada range temperature 27°C~29°C dalam setiap kenaikan 0.1°C. Sedangkan untuk parameter %RH diambil data pengukuran pada range 52%RH~69%RH pada setiap kenaikan 1%RH. Berikut tabel data perubahan Rs (resistansi sensor) terhadap perubahan temperature. Data perubahan Rs (resistansi sensor) terhadap perubahan temperature dan %RH dapat dilihat pada pada tabel 4.10 dan tabel 4.12.
Tabel 4.10 Data perubahan Rs (resistansi sensor) terhadap perubahan temperature dan humidity
T (°C)
TGS2611 TGS2612
Voltage (Volt) Rs (kΩ)
Voltage (Volt) Rs (kΩ)
27 52 1.49 23.71087 0.97 41.77196
27.1 53 1.49 23.71087 0.97 41.77196
27.2 54 1.5 23.48627 0.98 41.24388
27.3 55 1.5 23.48627 0.99 40.72646
27.4 56 1.51 23.26464 0.99 40.72646
27.5 56 1.51 23.26464 1.01 39.72238
27.6 57 1.53 22.83007 1.03 38.75728
27.7 58 1.52 23.04592 1.04 38.28865
27.8 58 1.54 22.61701 1.05 37.82895
27.9 59 1.56 22.1991 1.06 37.37792
28 60 1.58 21.79177 1.07 36.93533
28.1 61 1.6 21.39462 1.06 37.37792
28.2 61 1.6 21.39462 1.07 36.93533
28.3 62 1.62 21.00728 1.07 36.93533
28.4 63 1.64 20.62939 1.06 37.37792
28.5 63 1.64 20.62939 1.07 36.93533
28.6 64 1.66 20.2606 1.08 36.50093
28.7 65 1.67 20.07952 1.08 36.50093
28.8 67 1.69 19.72379 1.08 36.50093
28.9 68 1.71 19.37637 1.09 36.0745
29 69 1.71 19.37637 1.09 36.0745 Dari data tabel 4.10 dapat diketahui bahwa
besarnya tegangan keluaran berbanding lurus dengan kenaikan temperature, dan berbanding terbalik terhadap resistansi sensor. Sensitivitas suatu gas sensor didefinisikan sebagai suatu resistansi atau konduktansi yang berubah ketika sensor terkena konsentrasi gas tertentu . [Sumber : Raül Díaz Delgado, 2002]. Sehingga untuk mengetahui pengaruh temperature terhadap sensitivitas sensor TGS2611 dan TGS2612 data pengukuran pada table 4.10 dinyatakan dalam nilai konduktansi dengan persamaan sebagai berikut :
Untuk mengetahui sensor yang lebih stabil atau lebih tidak sensitif terhadap pengaruh perubahan temperature dan %RH dari kedua sensor tersebut, maka data perubahan konduktansi sensor ditampilkan dalam perbandingan trend grafik dari kedua sensor. Dari grafik pada Gambar 4.17 dapat diketahui bahwa sensor TGS2612 (warna Merah) lebih tidak sensitif terhadap perubahan temperature dibandingkan dengan sensor TGS2611 (warna Hitam), sehingga dapat disimpulkan bahwa sensor TGS2612 lebih stabil terhadap pengaruh perubahan temperature dibandingkan sensor TGS2611.
26.5 27.0 27.5 28.0 28.5 29.00.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Perbandingan sensitivitas sensor TGS2611 dan TGS2612 terhadap perubahan Temperature
G /
Con
duct
ance
(m
S)
T (Celcius)
TGS2611 TGS2612
Gambar 4.17 Perbandingan perubahan konduktansi sensor
terhadap perubahan temperature.
Sedangkan untuk perbandingan perubahan konduktansi sensor TGS2611 dan TGS2612 terhadap perubahan %RH dapat dilihat pada grafik Gambar 4.18. Dari grafik dapat diketahui bahwa sensor TGS2612 (warna Merah) lebih tidak sensitif terhadap perubahan %RH dibandingkan dengan sensor TGS2611 (warna Hitam)
14
50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 700.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Perbandingan sensitivitas sensor TGS2611 dan TGS2612 terhadap perubahan %RH
G /
Con
duct
ance
(m
S)
% RH
TGS2611 TGS2612
Gambar 4.18 Perbandingan perubahan konduktansi sensor terhadap
perubahan %RH. f. Pengujian untuk Biogas pada Gas Holder dengan
TGS2612
Pengujian dilakukan pada gas holder untuk mengukur konsentrasi gas methane yang terkandung pada Biogas yang dihasilkan oleh salah satu plant bioreaktor di Sidoarjo. Sensor yang digunakan untuk pengujian adalah tipe TGS2612 karena setelah tahap uji kinerja sensor didapatkan TGS2612 mempunyai kinerja lebih baik dibandingkan TGS2611. Pengujian dilakukan untuk biogas dengan skala penambahan volume udara 200 ml, 400ml, 600ml, 800ml, dan 1000ml pada gas holder. Selanjutnya pada setiap penambahan volume biogas pada gas holder dihitung konsentrasi gas methane yang terkandung dalam ppm (part per million) yang kemudian dikonversi kedalam %LEL dan %Volume. Salah satu contoh hasil pengambilan data pada saat pengujian dapat dilihat pada Gambar 4.19, untuk gambar hasil pengujian pada volume lainnya dapat dilihat pada Lampiran D.
Gambar 4.19 Pengujian terhadap biogas pada volume 400ml
pada TGS2612
Pada Gambar 4.19 dapat dilihat bahwa untuk 1 menit pertama menunjukkan kondisi pada saat gas holder belum diberi biogas, kemudian 2 menit selanjutnya menunjukkan gas holder diberi biogas sampai pada volume 400 ml. Selanjutnya nilai konsentrasi dalam ppm juga akan ditampilkan pada LabVIEW dan disimpan dalam file *.lvm. Selain dalam satuan ppm, konsentrasi methane juga dapat ditampilkan dalam %LEL dan %Vol dengan menggunakan konversi sebagai berikut.
• Konversi ppm ke %LEL :
500%
ppmdalamiKonsentrasLEL =
• Konversi ppm ke %Vol :
20
%%
10000%
LELdalamikonsentrasVol
ppmdalamikonsentrasVol
=
=
Gambar 4.20 Grafik konsentrasi methane pada volume
400ml biogas pada TGS2612 Pada grafik Gambar 4.20 dapat kita lihat bahwa waktu
yang dibutuhkan sensor dari kondisi pertama kali sensor mendeteksi methane sampai sensor melakukan pembacaan nilai konsentrasi methane sebenarnya membutuhkan waktu selama sekitar 30 detik, kemudian pembacaan sensor konstan selama sekitar 60 detik, akan tetapi setelah itu pada grafik terlihat terjadi penurunan nilai konsentrasi pada pembacaan sensor setelah detik ke 160, hal ini disebabkan pada saat pengujian masih terdapat sedikit kebocoran gas pada bagian inlet gas pada gas holder. Dari grafik dapat diperoleh besarnya konstanta waktu (time constant) τ = 20 detik.
V. KESIMPULAN a. Kesimpulan
Dari hasil pengujian dan analisa data yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
• Dari hasil pengujian dengan menggunakan Shimadzu GC-17A Gas Chromatography, untuk 5 sampel biogas diperoleh rata-rata area = 27412.6 dan rata-rata konsentrasi gas methane untuk tiap sampel= 15.20 ppm, dimana area methane standard = 1803128 dengan konsentrasi 1000 ppm. Dari hasil pengujian didapatkan bahwa biogas yang dihasilkan portable biodigester mengandung gas methane.
• Pada pengujian perbandingan pengukuran pada udara bersih pada 10 sampel titik pengukuran (pada kondisi 27°C~29°C dan 52%RH~69%RH) terhadap data pengukuran Figaro Engineering Inc. pada udara bersih (pada kondisi 20°C dan 65%RH), untuk sensor TGS2611 didapatkan rata-rata error pengukuran = 3.478 dan rata-rata %error = 14.8%. Sedangkan untuk TGS2612 didapatkan rata-rata error pengukuran= 3.171 dan rata-rata %error = 8.477%. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pembacaan sensor TGS2612 lebih mendekati nilai sebenarnya dibandingkan pada TGS2611.
• Pada pengujian sensor terhadap gas butane sebanyak 5 sampel pertambahan gas butane, sensor TGS2612 lebih konduktan dibandingkan sensor TGS2611 seiring pertambahan jumlah semprotan butane. Sehingga dapat disimpulkan bahwa resolusi sensor TGS2612 lebih besar dibandingkan sensor TGS2611.
• Pada pengujian sensitivitas sensor terhadap perubahan temperature, dapat disimpulkan bahwa sensor TGS2612 lebih tidak sensitif atau lebih stabil terhadap pengaruh perubahan temperature dibandingkan sensor TGS2611.
• Pada pengujian sensitivitas sensor terhadap perubahan %RH, dapat disimpulkan bahwa sensor TGS2612 lebih tidak sensitif atau lebih stabil terhadap pengaruh perubahan %RH dibandingkan sensor TGS2611.
• Dari semua hasil pengujian didapatkan kesimpulan bahwa sensor TGS2612 lebih tepat untuk diimplementasikan pada plant Portable Biodigester dibandingkan sensor TGS2611. Dengan konstanta waktu (time constant) untuk respon sensor TGS2612 sebesar τ = 20 detik .
15
b. Saran Setelah dilakukan tugas akhir dengan judul Uji Kinerja
Taguchi Gas Sensor (TGS) untuk monitoring gas Methane Portable biodigester, ada beberapa saran : • Perlu dilakukan kalibrasi sensor dengan menggunakan
kalibrator gas methane standard seperti GC (Gas Chromatography).
• Perlu dilakukan uji kinerja untuk parameter-parameter lain selain temperature dan %RH.
VI. DAFTAR PUSTAKA
1. Frederic Sarry, Martine Lumbreras. 1999. Gas composition determination in an air conditioned system using a sensor array: characterization of three different TGS sensors. France: Universite de Metz.
2. Pascale Massok, Muriel Loesch, Daniel Bertrand. 1995. Comparison between two Figaro sensors (TGS 813 and TGS 842) for the detection of methane, in terms of selectivity and long-term stability. France.
3. Claude Delpha , Maryam Siadat , Martine Lumbreras. 1999. Humidity dependence of a TGS gas sensor array in an air-conditioned atmosphere. France.
4. G. Gaggiotti, A. Galdikas, S. Kaciulis, G. Mattogno, A. Setkus. 1995. Temperature dependencies of sensitivity and surface chemical composition of SnOx gas sensors. Lithuania: Semiconductor Physics Institute.
5. Raül Díaz Delgado. 2002. Tin Oxide Gas Sensors:An Electrochemical Approach. Barcelona: Universitat de Barcelona.
6. Technical Information for TGS2611, revised June 2005 by Figaro Engineering Inc.
7. Technical Information for TGS2612, revised June 2005 by Figaro Engineering Inc.
8. General Information for TGS Sensors, revised June 2003 by Figaro Engineering Inc.
9. TGS2611 Gas sensitivity characteristics, 11th May, 2010 Figaro Engineering Inc.
10. TGS2612 Gas sensitivity characteristics, 11th May, 2010 Figaro Engineering Inc.
RIWAYAT HIDUP
Nama : Faiz TTL : Sumenep, 10 Agustus 1988 Alamat : Keputih gg 2c/16A Pendidikan: a. SDN Lenteng Timur 1 Sumenep (1994-2000) b. SMP Negeri 1 Lenteng Sumenep (2000-2003) c. SMA Negeri 1 Sumenep (2003-2006) d. S-1 Teknik Fisika ITS (2006- sekarang)