Sfa 2009 9 Nopember Fix

RANCANG BANGUN SISTEM INSTRUMEN PENGUKUR GAS AMMONIA Nasrudin Pengajar Fisika Madrasah Aliyah Negeri (MAN) Bangil – Pasuruan Jl. Balai Desa Glanggang 3A Beji – Bangil, Kabupaten Pasuruan e-mail: [email protected] Melania Suweni Muntini Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 e-mail: melania@ physics.its.ac.id Abstrak Pada penelitian ini telah dirancang dan dibuat suatu prototipe alat untuk mengukur konsentrasi gas ammonia (NH3). Sensor pada sistem instrumen yang dirancang perlu untuk dikalibrasi dengan kalibrator yang sudah memenuhi standar. Hasil rancang bangun sistem instrumen gas ammonia (NH3) menunjukkan karakteristik sensor yang dinyatakan dalam persamaan V = 0,039 Q (volt/ppm) + 0,432 (ppm). Koefisien determinasi fungsi karakteristik 97,2%. Hubungan antara rasio resistensi terhadap konsentrasi diperoleh fungsi transfer R= -0,009 S (1/ppm) + 0,937, dengan signifikansi pengaruh variabel rasio resistensi keluaran sensor sebesar 98,6%. Kata kunci: gas ammonia, kalibrasi, prototipe, sensor gas, sistem instrumen. Abstract This research design and makes a device prototype to measure concentration gas ammonia ( NH3). Sensor at instrument system designed require to be calibrated with calibrator which has fulfilled standard. Result of instrument system similar design of gas ammonia ( NH3) shows sensor characteristic which expressed in equation of continuity V = 0,039 Q ( volt/ppm) + 0,432 ( ppm). coefficient of determination of Characteristic function 97,2%. Relation between resistance ratio to concentration of obtained transfer function R= - 0,009 S ( 1/ppm) + 0,937, with signifikansi output resistance ratio variable influence of sensor equal to 98,6%. Keywords: gas ammonia, calibration, prototype, gas sensor, instrument system 1. Pendahuluan Pendeteksian dan pengukuran Gas ammo-nia (NH3) dapat dilakukan pada ruangan tertutup maupun terbuka. Pada penelitian ini telah dilakukan rancang bangun alat yang merupakan prototipe alat pengukur konsentrasi gas ammonia (NH3) yang dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi gas ammonia (NH3). Sistem instrumentasi yang dirancang dan dibuat dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi gas ammonia (NH3) dengan memasang sensor di udara. Sensor yang digunakan untuk mengukur konsentrasi gas ammonia (NH3) adalah sensor yang cara kerjanya didasarkan pada kenaikan ataupun penurunan kadar konsentrasi gas ammonia. Hasil pengukuran konsentrasi ini diharapkan dapat dimanfaatkan untuk memberikan informasi yang lebih detail tentang berbagai perubahan konsentrasi gas ammonia. 2. Kajian Pustaka 2.1 Ammonia (NH3)

Ammonia (NH3) merupakan salah satu salah satu zat yang memiliki bau tajam.. Ammonia (NH3), yang ada dipasaran disebut anhydrous amoniak karena tidak adanya air dalam bahan. Karena itu NH 3 dalam bentuk cair harus disimpan pada suhu -33 ° C, di pada tekanan tinggi. Ammonia memiliki kerapatan 0,86 kg /m 3 pada tekanan 1,013 bar di titik didih -33,34 °C; 0,73 kg/m 3 pada tekanan 1,013 bar pada 15° C; dan dalam air memiliki kerapatan 89,9 gram/100 mL pada 0 °C. Amonia sangat larut dalam air sehingga beberapa diantaranya dapat dengan mudah masuk ke air dari udara. Nitrat dalam air minum diketahui menjadi masalah apabila lebih dari 10 ppm. 2.2. Sensor gas amonia Sensor gas merupakan suatu alat yang mampu mendeteksi perubahan kondisi lingkungan dan kemudian menghasilkan suatu sinyal listrik yang besarnya sebanding dengan konsentrasi suatu jenis gas. Menurut Timmer Björn (2005) sensor dengan bahan dasar SnO2 (metal-oxide) telah banyak diproduksi dalam jumlah yang besar. Cara kerja sensor gas ini adalah dengan menggunakan perubahan konduktivitas bahan ketika menyerap atau mendeteksi suatu gas. Ketika kristal metal oksida (SnO2) pada kondisi normal yaitu pada suhu kamar, permukaan bahan metal oksida (SnO2) berinteraksi dengan molekul-molekul oksigen yang ada di udara. Atom-atom oksigen akan teradsorpsi dan mengikat elektron bebas yang terdapat pada permukaan metal oksida (SnO2). Didalam sensor gas, arus listrik mengalir melewati daerah sambungan (grain boundary) dari kristal SnO2. Pada daerah sambungan, penyerapan oksigen mencegah muatan untuk bergerak bebas. Jika konsentrasi gas menurun, proses dioksidasi akan terjadi. Rapat permukaan dari muatan negatif oksigen akan berkurang dan akan mengakibatkan menurunnya ketinggian penghalang dari daerah sambungan. Dengan menurunnya penghalang maka resistansi sensor juga akan ikut menurun. Pada penelitian ini menggunakan sampel ammonia dalam bentuk cair. Untuk menjadi ammonia dalam bentuk gas, maka sampel diuapkan menurut persa-maan reaksi kimia seperti di bawah ini. CH4OH(aq) → NH3(g) + H2O(l) Setelah diperoleh ammonia dalam bentuk uap gas seperti reaksi di atas maka oleh sensor akan terdeteksi, sehingga persamaan reaksi kimianya berikut NH3(g) + ½O2¯ → NH3(g) + e Hubungan antara resistansi sensor dengan konsentrasi gas pada proses oksidasi dapat ditunjukkan dengan persamaan: R=A[C]-α ;

dimana : R = resistansi sensor A,α = konstanta [C] = konsentrasi gas

2.3. Sensor Amonia (NH3) Sensor gas ammonia yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan sensor gas yang memiliki beberapa struktur lapisan. Akuisisi data konsentrasi gas ammonia diperoleh data besaran tegangan. Voltage Vc dipasang menyilang dengan elemen yang peka terhadap gas dengan resistensi Rs diantara dua elektroda. Pada penerapannya sensor ini memerlukan 250 millidetik putaran panas yang dihubungkan dengan putaran lintasan tegangan 250 millidetik. Setiap putaran VH terdapat 4,8 V yang digunakan untuk putaran pertama 14 ms. Pada pulse 14 millidetik ini sensor mampu mendeteksi gas H2, H2S, etanol, NH3. m Untuk dapat mendeteksi ammonia sensor memerlukan suatu pemanas (heater), 2 millidetik pertama digunakan pemanas sampai pada keadaan optimal sehingga pada 5 millidetik berikutnya mampu untuk mendeteksi ammonia secara maksimal. Hal ini dikarenakan sensor terbuat dari bahan semikonduktor, ketika ada suatu proses pemanasan oksigen yang ada dipermukaan bahan sensor mendonorkan elektron sehingga konduktivitas menjadi naik. Ketika ada gas ammonia masuk ke sensor, oksigen yang ada dipermukaan bahan sensor tidak sebanyak ketika pada kondisi 2 millidetik sebelumnya sehingga konduktivitasnya menurun. Pada 243 millidetik lainnya pulse 0

volt, hal ini digunakan oleh sensor untuk membersihkan dari noise, sehingga pada proses pendeteksian gas selanjutnya sudah bersih dari noise. Untuk mendapatkan kepekaan maksimal sinyal sensor harus diukur setelah pertengahan poin dari 5 ms Vc pulse 5 V, sehingga diperlukan suatu mikrokontrol untuk mengatur pulse.

3.

Metodologi Penelitian 3.1 Pembuatan Sistem Instrumen gas Amonia Pembuatan sistem instrumen meliputi pembuatan sistem mekanik alat pengukur konsentrasi gas dan pembuatan rangkaian elektroniknya. Diagram sistem instrumendapat digambar seperti di bawah ini: Power Supply

Monito Monitor Monitor r

Sensor

Pengkondisi Pengkondisi Pengkondisi sinyal sinyal sinyal

Konsentrasi gas NH3

Gambar 3.1. Diagram sistem instrumen. Pada penelitian ini pengambilan data dilakukan pada suatu wadah yang sudah terpasang sensor. 3.2. Kalibrasi Sistem Instrumen Proses kalibrasi dengan cara membandingkan keluaran sensor dengan alat pengukur konsentrasi gas ammonia (NH3). Keluaran sensor berupa tegangan dan output alat ukur konsentrasi gas ammonia (NH3) adalah ppm gas. Kemudian dibuat grafik hubungan antara tegangan dan konsentrasi gas. Kalibrasi Sistem Instrumen terhadap konsentrasi amonia (NH3) merupakan kalibrasi hubungan antara sinyal keluaran dan masukan selanjutnya akan dilakukan karakterisasi gas amonia (NH3) dengan konsentrasi rendah (misal 20 ppm) dan sekaligus diukur pula suhu 24 °C, kelembaban 67%. 4. Hasil dan Analisis 4.1 Intepretasi data Tegangan keluaran terhadap Konsentrasi ammonia (NH3) Karakteristik statik sistem instrumen sensor gas ammonia (NH3) dapat disajikan grafik hubungan antara tegangan keluaran terhadap stimulus (konsentrasi) disajikan pada Gambar grafik 4.1.

Gambar 4.1 Grafik hubungan tegangan keluaran terhadap konsentrasi Dari hasil karakteristik sistem instrumen sensor gas ammonia (NH3) maka secara statik dapat diketahui bahwa zero offset pada sensor yang dirancang sebesar 0,432 Volt. Sensitivitas alat yang dirancang dilakukan dengan melihat perbandingan perubahan output (tegangan) terhadap perubahan input (konsentrasi ammonia), dari hasil analisis regresi diperoleh bahwa sensitivitas

sensor sebesar 0,039 V/ppm dengan koefisien detrminasi (r 2) = 0,972. Nilai tersebut menunjukkan sumbangan dari variabel independen (konsentrasi gas ammonia (NH3)) terhadap naiknya variabel dependen (tegangan keluaran sensor sistem instrumen gas ammonia) sebesar 97,2 % sedangkan sisanya 2,8 % merupakan sumbangan dari variabel lain yang tidak dapat dijelaskan dengan fungsi transfer yang diperoleh yaitu fungsi transfer orde ke-nol atau linier. Hubungan antara tegangan keluaran (V) terhadap stimulus (ppm) yang dihasilkan dari karakteristik sistem instrumen yang dirancang dapat dituliskan dalam persamaan: V=0,039(volt/ppm)Q(ppm)+0,432(volt) (4.1) Q= variabel kenaikan konsentrasi gas ammonia (V/ppm) Persamaan 4.1 diatas menunjukkan bahwa perubahan konsentrasi gas ammonia (NH3) sebanding dengan tegangan keluaran sistem instrumen sensor gas ammonia (NH3) pada konsentrasi rendah. Konsentrasi gas dapat dihitung dari keluaran tegangan, tegangan yang diukur dimasukkan kedalam persamaan inversi sehingga persamaannya menjadi:

ppm =

Y v−a

(4.2)

b

4.2 Intepretasi data Rasio Resistensi terhadap Konsentrasi ammonia (NH3) Data-data yang diperoleh pada proses akuisisi rasio resistensi sistem instrumen gas ammonia (NH3) terhadap pengukuran konsentrasi g gas ammonia di intepretasikan sebagai berikut:

Gambar 4.2 Grafik hubungan resistensi keluaran terhadap konsentrasi Nilai dari karakteristik statik sistem instrumen sensor gas ammonia (NH3) yang lainnya dapat disajikan dengan grafik hubungan antara rasio resistensi sistem instrumen sensor gas ammonia (NH3) terhadap stimulus (konsentrasi). Dari gambar grafik hubungan antara rasio resistensi sistem instrumen sensor gas ammonia (NH3) terhadap konsentrasi gans ammonia dapat diketahui karakteristik secara statiknya bahwa zero offset pada sensor yang dirancang sebesar 0,937 pada konsentrasi rendah. Sensitivitas alat yang dirancang juga dapat dilakukan dengan melihat perbandingan perubahan rasio resistensi sistem instrumen sensor gas ammonia terhadap perubahan input (konsentrasi), dari hasil analisis regresi diperoleh bahwa sensitivitas rasio resis-tensi sensor terhadap konsentrasi gas ammonia sebesar -0,009 Volt/ppm. Hubungan antara rasio resistensi terhadap stimulus (ppm) yang dihasilkan dari karakteristik sistem instrumen yang dirancang dapat dituliskan dalam persamaan fungsi transfer: R= -0,009 S (/ppm) + 0,937 S = variabel kenaikan rasio resistensi gas ammonia (1 /ppm)

(4.3)

Koefisien determinasi dari persamaan (4.3) adalah (r2) = 0,986. Hal ini berarti sumbangan dari variabel independen (konsentrasi gas ammonia (NH3)) terhadap naiknya variabel dependen (tegangan keluaran sensor sistem instrumen gas ammonia) sebesar 98,6% sedangkan sisanya 1,4 % meru-pakan sumbangan dari variabel lain yang tidak dapat dijelaskan dengan fungsi transfer yang diperoleh yaitu fungsi transfer orde ke-nol atau linier. 5.Kesimpulan Dari hasil kalibrasi sistem instrumen gas ammonia dapat disimpulkan bahwa pengambilan data dilakukan pada suhu kamar (23°C - 25°C) pada tekanan 760 mmHg diperoleh fungsi transfer hubungan antara tegangan terhadap konsentrasi adalah: V= 0,039 Q (volt/ppm) + 0,432 Volt, dengan koefisien determinasi 97,2% artinya sumbangan variabel konsentrasi terhadap naiknya tegangan keluaran sensor sebesar 97,015% dan sisanya 2,8 % merupakan sumbangan variabel lain yang tidak dimasukkan dalam model fungsi transfer yang diajukan. Fungsi transfer hubungan antara rasio resistensi terhadap konsentrasi adalah R= -0,009 S (/ppm) + 0,937, dengan koefisien determinasi 97,1% artinya sumbangan variabel konsentrasi terhadap turunnya rasio resistensi keluaran sensor sebesar 98,6% dan sisanya 1,4% merupakan sumbangan variabel lain yang tidak dimasukkan dalam model fungsi transfer yang diajukan Daftar Pustaka

1.

Atmono, Tri Mardji, dkk. 2000. Pengaruh Parameter Sputtering Terhadap Struktur Lapisan Tipis ZnO. Proseding dan Presentasi Ilmiah, buku I: 281-285 2. Barsan,N, D. Koziej, U. Weimar. 2007. Metal-oxide gas sensor reaserch: How to?. Sensor and actuator B 121 : 18-35 3. Bjorn ,Timmer, Wouter Olthuis, Albert van den Berg. 2005. Ammonia Sensor an their applications-a review. Sensor and actuator B 107 : 666-667 4. Fraden, Jacob, 2003, Handbook of Modern Sensor, Publishing: Jacob Fraden Advanced Monitors Corporation, San Diego USA.

5.

Nasrudin, Melania Suweni Muntini, Yanu-rita Dwi Hapsari. 2009. Perancangan Sistem Instrumen Untuk Mengukur Gas Ammonia. Proseding dan Presentasi Ilmiah UTY buku II: 64-66. 6. V.V. Petrov, T.N. Nazarova, A.N. Korolev, N.F. Korilova.2008. Thin-sol gel SnO2, SnOx, AgOy, film for low temperature ammonia gas sensor. Sensor and actuator B 133 : 291-295