ADAPTIF NEUROFUZZY INFERENCE SYSTEM UNTUK PENGUKURAN ph

Transkripsi

1 ADAPTIF EUROFUZZ IFERECE SSTEM UTUK PEGUKURA ph Totok R. Byanto Tknk Fska FTI, ITS Surabaya Kampus ITS Surabaya, Sukollo Surabaya Tlp: 597 Fax: 590 Emal: ABSTRAK: Srng dngan mnngkatnya kbutuhan prformans pngukuran dan pngndalan ph bak dalam skala laboratorum maupun ndustr maka prlu dbuat sstm pngukuran yang mampu mmbrkan prformans yang bak dngan akuras yang mmada dan tahan trhadap ganguan dan nos. Snsor yang dgunakan pada pngukuran ph adalah lktroda kombnas dngan output tgangan. Tgangan trsbut slan dpngruh olh khadran on hdrogn juga sangat dpngaruh olh tmpratur larutan, shngga akan trjad ksalahan yang brart bla ada prubahan tmpratur pada pross yang dukur. Untuk mngatas hal trsbut maka prlu dbuat alat ukur ph yang mampu mngukur ph tanpa trpngaruh olh prubahan tmpratur. Salah satu caranya adalah dngan mmanfaatkan AFIS (Adaptf urofuzzy Infrnc Systm) untuk mngndntfkas tgangan yang dhaslkan olh khadran on hdrogn dan tgangan yang dsbabkan olh prubahan tmprartur, shngga hasl pngukuran dapat rlatf stabl trhadap ganguan tmpratur. Dar hasl pngujan dprolh kprssan alat hasl prancangan sbsar.9% dan kakurasan sbsar 0.5%, dngan rang pngujan ph -. dan pada rang tmpratur 0 o C. Shngga pngukuran ph brbass AFIS mampu mngatas ksalahan pmbacaan ph akbat prubahan tmpratur. Kata kunc: pngukuran ph, kompnsas tmpratur, AFIS. ABSTRACT: Du to ncrasng of masurmnt prformanc ncssty and ph controllng on laboratory scal and ndustry, t nds to mak masurmnt systm that can gv th bst prformanc wth th hgh accuracy and robust wth th dsturbanc and nos. Snsor of ph masurmnt s combnaton lctrod wth voltag output. Ths s nfluncd by hydrogn on and lqud tmpratur. It wll lad rror f thr s tmpratur changng n th masurd procss. In ordr to solv ths problm, t nds ph masurmnt dvc that can masur ph wthout dsturbd by tmpratur changs. AFIS (Adaptv uro Fuzzy Infrnc Systm) can b usd for dntfyng th voltag du from hydrogn on and tmpratur changs. So, th ph masurmnt would b robust to tmpratur changs. Basd on ths rsult study, prcson and accuracy dvc ar.9% and 0.5% n th ph rang -. and tmpratur rang 0 o C. Ths gvs concluson that AFIS can dcras ph radng rror bcaus of tmpratur changs. Kywords: ph masurmnt, tmpratur compnsaton, AFIS PEDAHULUA Pngukuran ph banyak dgunakan d laboratorum dan d ndustr makanan, mnuman, pngolahan ar, dan lan lan. Bak tdaknya pngukuran n akan brpngaruh pada kualtas produk yang trbntuk. Olh sbab tu pngukuran yang akurat dprlukan untuk mnjamn kualtas produk yang ssua spsfkas [,7,]. Snsor pada pngukuran ph adalah lktroda kombnas yang trdr dar lktroda glas dan lktroda rfrns, yang mmpunya output tgangan yang dpngaruh olh khadran on hdrogn dan tmpratur. Shngga pada larutan buffr dngan ph ttap akan trjad ksalahan bla dukur pada konds tmpratur yang brbda []. Olh sbab tu dprlukan suatu sstm dntfkas yang bsa mmbdakan tgangan yang dsbabkan khadran on hdrogn dan tgangan yang dsbabkan olh prubahan tmpratur. Salah satu caranya adalah mnambahkan snsor tmpratur pada prangkat kras pngukuran ph [], srta mmanfaatkan kmampuan AFIS (Adaptf urofuzzy Infrnc Systm) yang mampu mngdntfkas sstm yang komplk dan nonlnr [,,5]. Prmasalahan pada pnltan n adalah bagamana sstm pngukuran ph brbass AFIS yang bsa mngatas pngaruh tmpratur dan bagamana prformans sstm pngukuran ph hasl rancangan. Sdangkan tujuannya adalah mrancang sstm pngukuran ph brbass AFIS yang mampu mngatas ksalahan akbat prubahan tmpratur dan mnganalsa prformans sstm pngukuran yang drancang. METODOLOGI Mtodolog dalam pnltan n adalah sbaga brkut:

2 Byanto, Adaptf urofuzzy Infrnc Systm 7 Pmbuatan alat ukur ph yang trdr dar lktroda kombnas, snsor tmpratur, pngkondsan snyal dan ntrfacng. Pngamblan data output lktroda kombnas pada bbrapa larutan buffr dngan ph yang brbda-bda (ph,) dan pada tmpratur brbda pula ( 0 o C) scara brulang-ulang. Dar data tmpratur dan output tgangan snsor ph/lktroda kombnas djadkan nput AFIS dan data ph mnjad output atau targt dar pross tranng AFIS yang akan dlakukan. Pmblajaran untuk mmprolh rror yang dngnkan antara targt dan output AFIS Pngaplkasan AFIS pada sstm pngukuran ph dan mnguj prformansnya, dngan mnguj bbrapa larutan buffr yang brbda pada bbrapa tmpratur. Analsa hasl pngukuran. dar Prsamaan () d atas, trlhat bahwa tgangan output lktroda kombnas brbandng lurus dngan knakan tmpratur dan konsntras on H, sprt pada Gambar. AI S- AT S- TIJAUA PUSTAKA Harga Kasaman Larutan D dalam satu ltr ar murn (H O) trdapat on H + dan on H - masng masng sbsar -7 mol dan hasl kal kduanya dalam ar adalah konstan, yang dsbut ttapan ar (Kw). [H + ] = [H - ] = -7 M Kw = [H + ] [H - ] = - Jka kdalam ar dtambahkan dtambahkan on H + maka ar kan mnjad larutan asam bgtu juga bla dtambahkan on OH - maka larutan akan bsfat basa. Larutan ntral : [H + ] = -7 M Larutan asam : [H + ] > -7 M () Larutan basa : [H + ] < -7 M Prsamaan Sornsn mnyatakan p = -log [] shngga analog dngan hal trsbut maka, ph = - log [H + ], dmana [H + ] adalah konsntras H +. Prsamaan rst, mnjlaskan bahwa bda potnsal yang dhaslkan olh lktroda kombnas adalah sbaga brkut: E = -(RT/nF) ln[h + ] () d mana: R = Konstanta gas (Boyl Gay Lusac) F = Blangan Faraday T = Tmpratur n = Valns stlah harga-harga dsubttuskan dprolh prsamaan E = -(.9. T). log[h + ] =.9. T. ph () Output Elktroda (mv) E- Gambar. Sstm Pngukuran ph ph vs Tmpratur Tmpratur (C) Gambar. Output Elktroda Kombnas Trhadap Tmpratur AFIS (Adaptf urofuzzy Infrnc Systm) Struktur AFIS [] mrupakan mkansm pnalaran fuzzy Sugno atau arstktur jarngan syaraf fd-forward. Struktur AFIS trdr dar lma lapsan yang tap-tap lapsan mmpunya fungs-fungs trtntu. Smpul kotak yang ada pada Gambar mnyatakan smpul adaptf, yang yang paramtrnya dapat brubah dngan pmblajaran, sdangkan lngkaran mnyatakan smpul non adaptf yang nlanya ttap

3 JURAL IFORMATIKA VOL. 7, O., OVEMBER 00: - Paramtr prms A A A B B B LAER LAER LAER LAER Gambar. Struktur AFIS. Paramtr konskun LAER 5 Struktur AFIS datas dngan bntuk umum dua aturan fuzzy f-thn sprt yang dtunjukkan dngan prsamaan sbaga brkut: Lapsan. Smua smpul pada lapsan n adalah smpul adaptf (paramtr dapat brubah) dngan fungs smpul: O = ( ) untuk I =, atau () l, µ A x z n mnunjukkan banyaknya aturan yang dbntuk. Fungs prkalan yang dgunakan adalah ntrprtas kata hubung AD dngan mnggunakan oprator t- norm. Lapsan. Stap smpul pada lapsan n adalah smpul nonadaptf yang mnamplkan fungs normalsas kkuatan pngaruh (normalzd frng strngth) yatu raso kluaran smpul k- pada lapsan sblumnya trhadap sluruh kluaran lapsan sblumnya, dngan bntuk fungs smpul: w O, = w =, =, () w + w Apabla dbntuk lbh dar dua aturan, fungs dapat dprluas dngan mmbag w dngan jumlah total w untuk smua aturan. Lapsan. Stap smpul pada lapsan n adalah smpul adaptf dngan fungs smpul: Ol, = µ B ( y) untuk I =, (5) O, = wf = w (px + q y + r ) (9) dngan x dan y adalah masukan pada smpul, A (atau B - ) yang mrupakan varabl lngustc (sprt _ dngan w adalah drajat prngaktfan trnormalsas bsar atau kcl ). Dngan kata lan O, adalah dar lapsan dan paramtr { p fungs kanggotaan masng-masng dar sbuah st, q, r } mnyatakan fuzzy (A dan B) dngan drajat kanggotaan yang paramtr yang adaptf Paramtr lapsan n dtntukan olh nput x dan y. Smpul O, brfungs dnamakan paramtr konskun. untuk mnyatakan drajat kanggotaan tap masukan trhadap hmpunan fuzzy A dan B. Bntuk fungs Lapsan 5. Pada lapsan n hanya ada satu smpul kanggotaan pada layr atau lapsan prtama dapat ttap yang fungsnya untuk mnjumlahkan smua brbntuk msalnya fungs kanggotaan gauss, yang masukan. Fungs smpul: dapat dtunjukkan dalam bntuk : w f O 5, = w. f = () x a w (,, ) = b gaussan x a b () () PERACAGA ALAT dmana { a, b } adalah paramtr yang dapat dubahubah (paramtr adaptf). Slama harga dar paramtr sprt Gambar d mana snsor tmpratur mng- Prangkat kras pralatan yang drancang adalah n brubah-ubah, fungs kanggotaan bll akan gunakan LM5 dan snsor ph mnggunakan brvaras brgantung pada paramtr yang brubah, lktorda kombnas buatan Hanna Instrumnt typ HI shngga fungs kanggotaan untuk st fuzzy (A dan B dngan rang pngukuran ph 0 sampa dan B) akan brvaras. Paramtr-paramtr pada lapsan rang opras pngukuran tmpratur 0 o C. n dsbut sbaga paramtr prms. Lapsan. Smua smpul pada lapsan n adalah non adaptf (paramtr ttap). Fungs smpul n adalah mngalkan stap snyal masukan yang datang. O, = w = µ A (x) µ B (y), =, (7) Tap kluaran smpul mnyatakan kkuatan pngaruh (frng strngth) tap aturan fuzzy. Fungs n dapat dprluas apabla bagan prms mmlk lbh dar dua hmpunan fuzzy. Banyaknya smpul pada lapsan Snsor suhu Snsor ph Pngkonds snyal suhu Pngkonds snyal ph I n t r f a c Paramtr prms A A A B B B LAER AFIS LAER LAER LAER Paramtr konskun Gambar. Sstm Pngukuran ph Hasl Rancangan LAER 5 ph

4 Byanto, Adaptf urofuzzy Infrnc Systm 9 Karaktrstk snsor ph HI B mmpunya kofsn korlas antara ph dan tgangan output sbsar r = 0.95, sdangkan snsor tmpratur LM5 mmpunya kofsn korlas antara tmpratur dan tgangan output sbsar r = dua rangkaan pnguat nstrumn AD5 untuk ph dan tmpratur mmpunya korlas nput dan output sbsar r = ADC 00 sbaga convrtr dar snya analog k dgtal mmpunya kofsn korlas sbsar r = Modl AFIS akan sap untuk daplkaskan bla mmpuya prformans yang bak, yang dtunjukkan scara kunttatf dngan nla Root Man Squar Error (RMSE). Scara matmatk RMSE dapat djlaskan sbaga brkut: ( y ŷ ) = RMSE= () Dar plathan dprolh modl AFIS mampu mngdntfkas sstm pngukuran ph yang nonlnr dngan bak, dtunjukkan dngan RMSE sbsar.9x - PEGUJIA ALAT DA AALISA Tahap pngujan alat adalah untuk mngtahu sbrapa akurat alat hasl rancangan, dngan cara mmbrkan nput brupa larutan yang dktahu kasaman dan tmpraturnya, srta mncatat hasl pngukuran alat yang drancang shgga dprolh data sprt Tabl atau Gambar 5. Prformans dar alat hasl prancangan dtunjukkan dngan prss dan akuras sstm pngukuran ph n yatu brturut-turut sbsar.9% dan 0.5%. Darah pngukuran yang palng robust adalah pada sktar suhu kamar 5-0 o C dan ph ntral, dmana ksalahan pngukuran lbh kcl. Hal n dsbabkan pngaruh tmpratur pada pngukuran ph d darah n mmang palng tdak snstf trhadap on-on larutan, slan tu juga jumlah on-on palng kcl d darah ph ntral. Sdangkan pada darah pngukuran yang lan mnunjukkan ksalahan yang lbh bsar. Ksalahan n dsbabkan bukan karna kmampuan AFIS dalam mngdntfkas hubungan antara nput dan output AFIS, dmana nput brupa tgangan dar lktoda kombnas dan snsor tmpratur sdangkan output brupa harga kasaman (ph) (karna RMSE AFIS cukup bak), ttap trutama karna pasangan data (output lktroda kombnas, tmpratur larutan dan buffr ph) yang dlathkan dalam mmodlkan AFIS kurang akurat, shngga untuk mnngkatkan akuras pralatan n bsa dlakukan dngan mnggant snsor yang lbh bak, data rkonslas atau pmrossan data lbh lanjut. Tabl. Pngujan ph pada Bbrapa Tmpratur Tmpratur ph buffr o C ph 0 Pngukuran ph pada bbrapa tmpratur Tmpratur (C) Gambar 5. Pngujan ph pada Bbrapa Tmpratur KESIMPULA Dar pnltan n dapat dsmpulkan bahwa: Dngan mmasukkan faktor tmpratur sbaga kompnsas dalam pngukuran ph maka ksalahan akbat prubahan tmpratur dapat datas. AFIS mampu mngdntfkas sstm pngukuran ph yang nonlnr dngan bak, dtunjukkan dngan RMSE sbsar.9x - Prformans sstm pngukuran dtunjukkan dalam prss dan akuras dar alat hasl prancangan, dngan harga brturut-turut sbsar.9% dan 0.5% untuk rang ph -. dan rang tmpratur -0 o C. DAFTAR OTASI R F T n = Konstanta gas (Boyl Gay Lusac) = Blangan Faraday = Tmpratur = Valns

5 JURAL IFORMATIKA VOL. 7, O., OVEMBER 00: - ph = Kadar kasaman [H + ] = Konsntras H +. µ = Fungs kanggotaan θ = Paramtr stmas = Error vktor u = Vktor masukan modl a j = Ttk pusat fungs kanggotaan b j = Lbar fungs kanggotan µ j = Fungs kanggotaan x j = nput E = Error kuadratk y = Data nput y = Data targt p = Jumlah data w = Paramtr konskun K = Kofsn larnng rat untuk paramtr konskun η a a = Larnng rat untuk j b = Larnng rat untuk j η b Qualty Estmaton and Opratng Condton Montorng for Effcnt Opraton of Industral Ethyln Fractonator, IFAC, 00.. Ruz J.P, Zumoffn D, Basualdo M, Jmnz E., A, onlnar soft snsor for Qualty Estmaton and Optmal Control Appld n a Trnary Batch Dstllaton Column, Europan Symposum on Computr Add Procss Engnrng, Lsbon, Portugal, May -9, 00. DAFTAR PUSTAKA. Byanto, TR. Pngukuran ph dngan Kompnsas Tmpratur, Laporan pnltan Tknk Fska FTI ITS, Surabaya, 99.. Byanto, TR., Dsgn of on Lnr soft snsor for Prdct Composton (mol-fracton) dstllat and Bottom Product n Sngl Mthanol-watr Bnary Dstllaton Column, Intrnatonal Confrnc on Instrumntaton, Communcaton and Informaton Tchnology (ICICI) 005 Proc., Bandung, Byanto, TR., Controllng of bnary dstllaton column usng uro-fuzzy Intrnal Modl Control (F-IMC), atonal Confrnc on Soft Computng, Intllgnt Systms & Informaton Tchnology 005 (SIIT005), Krstn Ptra Unvrsty, Surabaya, July th 005. Byanto, TR., Hndarwanto, D, Intrnal Modl Control Basd uro-fuzzy (F-IMC) for Controllng Ractor Tmpratur, atonal Smnar II FTI - ITS 005, Surabaya, 9th- March 0th Byanto, TR., urofuzzy PID-IMC Gan Schdullng, Chmcal Tchnology for Indonsan atural Rsourcs Procss Smnar, ogyakarta UP Vtran Unvrsty, ogyakarta, Fbruary 7th 00. Jang, Jantzn, ural and urofuzzy Control. Tch. rport no 99-H 99 (nfcon), Kamohara, H, Taknam, MT, Takda, M, Kano, M, Hasb, S, Hashmoto,I, Intgraton of Product