BAB II DASAR TEORI Daya Hantar Listrik (Konduktivitas)

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara lain mengenai Elektrolit, Konduktivitas larutan, Derajat Keasaman / ph, Hubungan Suhu dengan kondukvitas dan ph, Mikrokontroler Arduino Mega 2560, LCD karakter 20x4, Keypad 4x4, IC Optocoupler PC817, IC ULN2803, Relay DC 12v, EC Probe, dan ph probe Elektrolit Elektrolit merupakan materi yang dapat menghantarkan arus listrik dengan jalan perpindahan ion-ionnya. Banyak nya arus listrik yang dihantarkan tergantung pada jenis zat nya, ada zat yang menghantarkan arus listrik dengan baik, ada yang kurang baik, dan bahkan ada yang tidak menghantarkan arus listrik sama sekali. Dengan demikian elektrolit dapat di klasifikasikan dalam tiga kategori, yaitu elektrolit kuat, elektrolit lemah, dan non elektrolit. Zat yang termasuk dalam elektrolit kuat yaitu garam, asam kuat dan basa kuat. Garam elektrolit kuat yang mudah larut dalam air misalnya NaCl dan KCl. Kemudian yang termasuk dalam elektrolit lemah adalah zat-zat yang bila dilarutkan ke dalam air terionisasi sebagian saja, termasuk pula asam lemah dan basa lemah [2] Daya Hantar Listrik (Konduktivitas) Daya Hantar listrik atau konduktivitas menunjukkan kemampuan dari sebuah larutan untuk menghantarkan arus listrik. Konduktivitas merupakan ukuran terhadap konsentrasi total elektrolit di dalam air. Kandungan elektrolit yang pada prinsipnya merupakan garam-garam yang terlarut dalam air, berkaitan dengan kemampuan air di dalam menghantarkan arus listrik. Semakin banyak garam-garam yang terlarut semakin besar daya hantar listrik air tersebut. Air suling tidak mengandung garam-garam terlarut, sehingga dengan demikian bukan merupakan penghantar listrik yang baik [3]. 4

2 Konduktivitas digunakan untuk pengukuran larutan / cairan elektrolit. Konsentrasi elektrolit sangat menentukan besarnya konduktivitas[4]. Ada kaitan yang jelas antara resistansi (elektrik), konduktivitas (elektrik), dan TDS air. Jika dilihat dari satuannya berturut-turut adalah ohm (Ω), mho (Ʊ), dan part per million (ppm). Satuan mho adalah seper-ohm atau siemen (S) [5]. Conductance (G) didefinisikan sebagai kebalikan dari hambatan listrik (R) di antara dua elektroda dalam sebuah larutan. G = 1/R (S) (2.1) Kemudian terdapat pula Cell Constant, yang merupakan rasio jarak antar elektroda dengan luas penampang elektroda yang masuk ke dalam larutan. K = d/a (cm -1 ) (2.2) Dimana, d = jarak antar kedua elektroda dalam cm, a = luas penampang elektroda yang kontak dengan media air dalam cm 2. Besarnya Cell Constant mempengaruhi jarak pengukuran konduktivitas optimal, Berikut adalah tabel yang menunjukkan jarak ukur konduktivitas optimal dari elektroda dari 3 nilai Cell Constant yang berbeda: Tabel 2.1. Jarak ukur konduktivitas optimal dari elektroda dari 3 nilai Cell Constant yang berbeda [6]. Cell Constant Jangkauan pengujian konduktivitas optimal (µs/cm) 0,1 0, , , Sehingga didapatkan persamaan untuk menghitung besarnya daya hantar listrik atau konduktivitas [ ] [6], = G. K (S/cm) (2.3) 5

3 = (S/cm) (2.4) Total Dissolved Solids atau TDS adalah ukuran total ion yang larut dalam larutan. Dalam larutan encer, TDS dan konduktivitas cukup sebanding. TDS sampel air berdasarkan nilai konduktivitas yang terukur dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut. [7]: TDS (ppm ) = 0,5 x 1000 x (ms/cm) (2.5) Hubungan antara konduktivitas dengan jumlah total garam terlarut secara tepat perlu diberi beberapa koreksi seperti temperatur pengukuran, mapupun tergantung juga dengan jenis garam yang terlarut, tetapi secara umum nilainya sedikit banyak dapat mewakili. Hubungan antara harga konduktivitas dan macam air seperti terlihat pada Tabel 2.1 Tabel 2.2. Klasifikasi air berdasarkan harga konduktivitas [8] konduktivitas (ms/cm pada 25 o C) Macam Air 0,055 Air murni 0,5 5,0 Air suling 5 30 Air hujan Air tanah Air laut Keasaman Air (ph) Keasaman air dinyatakan dengan ph, mempunyai besaran mulai dari Air yang mempunyai ph 7 adalah netral, sedangkan yang mempunyai ph lebih besar/kecil dari 7 disebut bersifat basa/asam. Jadi air yang mengandung garam Ca atau Mg karbonat, bersifat basa (ph 7,5-8), sedangkan yang mempunyai harga ph < 7 adalah bersifat asam, sangat mudah melarutkan Fe, sehingga air yang asam biasanya mempunyai kandungan besi (Fe) tinggi. Pengukuran ph air di lapangan dilakukan dengan ph meter, atau kertas lakmus [8]. 6

4 Hubungan Konduktivitas, Pergerakan Ion dan Temperatur Sesuai dengan percobaan yang dilakukan oleh Lanto Mohamad Kamil Amali, besarnya nilai konduktivitas dari air akan mempengaruhi nilai TDS air tersebut. Ini dikarenakan nilai TDS air yang semakin besar maka ion yang terlarut dalam air semakin tinggi. Karena nilai konduktivitas air dipengaruhi banyaknya pergerakan ion yang terlarut. Semakin banyak ion terlarut yang bergerak maka semakin tinggi nilai konduktivitasnya[9]. Selain dari pergerakan ion dalam air, nilai konduktivitas air dipengaruhi oleh perbedaan suhu. Sesuai dalam sebuah penelitan dari Departemen Teknik Gas dan Petrokimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia oleh Eva Fathul Karamah dan Adhi Septiyanto dengan jurnal berjudul Pengaruh Suhu dan Tingkat Keasaman (ph) pada Tahap Pralakuan Koagulasi (Koagulan Aluminum Sulfat) dalam Proses Pengolahan Air Menggunakan Membran Mikrofiltrasi Polipropilen Hollow Fibre, Peningkatan suhu akan meningkatkan kecepatan gerak partikel sehingga semakin banyak tumbukan antar partikel yang dapat terjadi yang akhirnya mempercepat terbentuknya flok. Dengan terbentuknya flok maka nilai konduktivitas air akan menurun. Namun, saat suhu optimum telah tercapai, peningkatan suhu tidak lagi memperbesar ukuran flok, karena kelarutan flok meningkat seiring dengan peningkatan suhu [10]. Pengukuran konduktivitas bergantung dengan suhu, sejauh mana suhu mempengaruhi konduktivitas bervariasi dari solusi ke solusi dan dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut[12]: (2.6) Dimana, G = konduktivitas pada sembarang temperatur T dalam o C, Gcal = konduktivitas pada suhu kamar 25 o C, α = koefisien temperatur dari larutan air sebesar 0,0214 pada temperatur 25 o C [5], Tcal = 25 o C. 7

5 Hubungan Keasaman Air dan Temperatur Besarnya derajat keasaman dalam sebuah air berhubungan dengan suhu yang terukur. Ketika suhu berubah, ph actual larutan akan terjadi perubahan. Akan tetapi perubahan ini bukan merupakan sebuah kesalahan yang disebabkan oleh perubahan suhu. Ini adalah besar ph sebenarnya dari larutan pada suhu yang baru. Karena ini bukan sebuah kesalahan, tidak perlu untuk memperbaiki atau mengkompensasi efek suhu ini. Hanya ada satu efek yang menyebabkan efek suhu larutan mempengaruhi pengukuran ph dan sekaligus menyebabkan kesalahan dalam pembacaan, yaitu perubahan respon atau sensitifitas elektroda ke ph yang dihasilkan dari perubahan suhu[11]. Besar nya temperature-error ini sangat dekat, hanya sebesar 0,003 ph/ o C/pH dari ph buffer ph7. Dalam elektroda ph yang masih dalam kondisi benar-benar baik atau sempurna, dengan melihat acuan tepat pada ph buffer ph7, tidak akan ada efek dalam perubahan suhu pada sensitivitas elektroda, seberapapun besarnya perubahan tersebut. Kebanyakan elektroda ph tidak sempurna, tetapi kesalahan dari perubahan suhu masih sangat dekat jika dilihat dari acuan ph7, lebih kurang 1pH, dan sehingga bisa diabaikan. Akan tetapi, bila larutan yang diukur jauh dari ph7, semakin besar perubahan suhu, semakin besar kesalahan pengukuran karena perubahan sensitivitas elektroda. Dalam hal ini akan diperlukan pengkompensasi suhu terhadap ph[11] Arduino Mega2560 Arduino Mega2560 adalah papan mikrokontroler berbasiskan ATmega2560. Arduino Mega2560 memiliki 54 pin digital input/output, dimana 15 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 16 pin sebagai input analog, dan 4 pin sebagai UART (port serial hardware), 16 MHz kristal osilator, koneksi USB, jack power, header ICSP, dan tombol reset. 8

6 Gambar 2.1. Konfigurasi pin mikrokontroler Arduino Mega2560[13]. Gambar 2.1 adalah konfigurasi pin dari mikrokontroler Arduino Mega2560 dengan penjelasan fungsi-fungsinya sebagai berikut [13]: 1. VCC adalah untuk masukan digital voltage supply. 2. GND adalah pin ground. 3. ADC Port (PF0 - PF7, PK0 - PK7) digunakan untuk input ADC (Analog to Digital Converter). Terdapat total 16 pin ADC yang dapat digunakan. 4. Digital Port (PA0-PA7, PB0-PB7, PC0-PC7, PD0-PD3, PE0, PE1, PE3- PE5, PG0-PG2, PG5, PH0, PH1, PH3-PH6, PJ0-PJ1, PL0-PL7, ) Masingmasing dari 54 digital pin pada Arduino Mega dapat digunakan sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinmode(), digitalwrite(), dan digitalread(). Arduino Mega beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima arus maksimum 40 ma dan memiliki 9

7 resistor pull-up internal (yang terputus secara default) sebesar kohms. Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus, antara lain: a. Serial : 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1 : 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2 : 17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3 : 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pins 0 dan 1 juga terhubung ke pin chip ATmega16U2 Serial USB-to-TTL. b. Eksternal Interupsi : Pin 2 (interrupt 0), pin 3 (interrupt 1), pin 18 (interrupt 5), pin 19 (interrupt 4), pin 20 (interrupt 3), dan pin 21 (interrupt 2). Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah interupsi pada nilai yang rendah, meningkat atau menurun, atau perubah nilai. c. SPI : Pin 50 (MISO), pin 51 (MOSI), pin 52 (SCK), pin 53 (SS). Pin ini mendukung komunikasi SPI menggunakan perpustakaan SPI. Pin SPI juga terhubung dengan header ICSP, yang secara fisik kompatibel dengan Arduino Uno, Arduino Duemilanove dan Arduino Diecimila. d. LED : Pin 13. Tersedia secara built-in pada papan Arduino ATmega2560. LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin diset bernilai HIGH, maka LED menyala (ON), dan ketika pin diset bernilai LOW, maka LED padam (OFF). e. TWI : Pin 20 (SDA) dan pin 21 (SCL). Yang mendukung komunikasi TWI menggunakan perpustakaan Wire. Pin ini tidak di lokasi yang sama dengan pin TWI pada Arduino Duemilanove atau Arduino Diecimila. 5. RESET. Jalur LOW ini digunakan untuk me-reset (menghidupkan ulang) mikrokontroler. Jalur ini biasanya digunakan untuk menambahkan tombol reset pada shield yang menghalangi papan utama Arduino. 6. XTAL1 dan XTAL2 berfungsi sebagai pin external clock. 7. AVCC adalah pin tegangan supply untuk ADC. 8. AREF. Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan fungsi analogreference(). 10

8 2.3. Sensor Suhu IC (Integrated Circuit) LM35 Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian mikrokontroler. Pada gambar 2.2 menunjukkan konfigurasi pin IC LM35: Gambar 2.2. Konfigurasi pin Sensor Suhu IC LM35[14] Gambar 2.2 adalah konfigurasi pin dari Sensor Suhu IC LM35 yang memiliki fungsi masing-masing adalah pada pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja atau +Vs dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 volt sampai dengan 1,5 volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan antara 4 volt sampai 30 volt. Keluaran dari sensor ini akan naik sebesar 10mV setiap derajat celcius sehingga secara prinsip sensor akan melakukan penginderaan pada setiap perubahan suhu 1 o C akan ditunjukkan tegangan naik sebesar 10mV [14] IC (Integrated Circuit) PC817 IC PC817 atau Optocoupler merupakan merupakan komponen penggandeng (coupling) antara rangkaian input dengan rangkaian output yang menggunakan media cahaya (opto) sebagai penghubung. Optocoupler sendiri terdiri dari 2 bagian, yaitu pengirim (transmitter) dan penerima (receiver). Gambar 2.3 menunjukkan konfigurasi pin dari IC PC817: 11

9 Gambar 2.3. Konfigurasi pin IC PC817 [15] Pada bagian pengirim (pin 1 dan pin 2) dibangun dari sebuah LED infra merah. Jika dibandingkan dengan menggunakan LED biasa, LED infra merah memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap sinyal tampak. Cahaya yang dipancarkan oleh LED infra merah tidak terlihat oleh mata telanjang. Kemudian pada bagian penerima (pin 3 dan pin 4) dibangun dengan dasar komponen fotodioda. Fotodioda merupakan suatu transistor yang peka terhadap cahaya. Suatu sumber cahaya menghasilkan energi panas, begitu pula dengan spektrum infra merah, Karena spektrum infra mempunyai efek panas yang lebi besar dari cahaya tampak,maka fotodioda lebih peka untuk menangkap radiasi dari sinar infra merah. Ditinjau dari kegunaan fisik optocoupler dapat berbentuk bermacam-macam. Bila hanya digunakan untuk mengisolasi level tegangan atau data pada sisi transmitter dan sisi reseiver, maka optocoupler ini bisasanya dibuat dalam bentuk solid (tidak ada ruang antara LED dan fotodioda). Sehingga sinyal listrik yang ada pada input dan output akan terisolasi. Dengan kata lain optocoupler ini di gunakan sebagai optosilator jenis IC IC (Integrated Circuit) ULN2803 IC ULN 2803A merupakan driver yang didalamnya berisi rangkaian transistor darlington 8 pasang yang dapat digunakan untuk mendriver sebuah beban yang terkontrol dan dapat mengalirkan arus sebesar 500 ma. Aplikasi IC ULN2803 sebagai driver adalah untuk mendriver relay, lampu DC atau LED, dan untuk sistem pensaklaran yang lain. Pada skripsi ini penulis menggunakan IC ULN2803 sebagai driver untuk mengaktifkan relay. Gambar 2.4 menunjukkan konfigurasi pin ULN2803 beserta susunan transistor darlington yang terdapat didalamnya: 12

10 Gambar 2.4. Konfigurasi IC ULN2803[16] Relay Relay adalah saklar elektronik yang dapat membuka atau menutup rangkaian dengan menggunakan kontrol dari rangkaian elektronik lain. Sebuah relay tersusun atas kumparan, pegas, saklar (terhubung pada pegas) dan 2 kontak elektronik (normally close dan normally open). a. Normally close (NC) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay tidak aktif atau dapat dikatakan saklar dalam kondisi tertutup. b. Normally open (NO) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay aktif atau dapat dikatakan saklar dalam kondisi terbuka. Berdasarkan pada prinsip dasar cara kerjanya, relay dapat bekerja karena adanya medan magnet yang digunakan untuk menggerakkan saklar. Saat kumparan diberikan tegangan sebesar tegangan kerja relay maka akan timbul medan magnet pada kumparan karena adanya arus yang mengalir pada lilitan kawat. Kumparan yang bersifat sebagai elektromagnet ini kemudian akan menarik saklar dari kontak NC ke kontak NO atau sebaliknya. Jika tegangan pada kumparan dimatikan maka medan magnet pada kumparan akan hilang sehingga pegas akan menarik saklar ke kontak ke posisi semula[17]. Gambar 2.5 menunjukkan mekanis dan simbol dari relay. 13

11 Gambar 2.5. Bentuk dan simbol relay[17] LCD (Liquid Crystal Display) Karakter 20x4 Pada skripsi ini menggunakan LCD karakter 20x4 sebagai penampil dan antarmuka antara sistem dan pengguna. LCD ini memiliki 20 karakter per baris dan memiliki 4 baris tampilan. Konfigurasi pin LCD 20x4 ditunjukkan pada Tabel 2.3. Tabel 2.3. Konfigurasi pin LCD karakter 20x4. No.Pin Nama Pin Keterangan 1 Vss Ground, 0V 2 Vdd Positive power pin, +5v 3 VO Kontras 4 RS Register Select 5 R/W Read/Write 6 E Enable input pin 7 DB0 Data bit 0 8 DB1 Data bit 1 9 DB2 Data bit 2 10 DB3 Data bit 3 14

12 11 DB4 Data bit 4 12 DB5 Data bit 5 13 DB6 Data bit 6 14 DB7 Data bit 7 15 LED + Catu daya positif LED 16 LED - Catu daya negatif LED 2.8. Scanning Keypad 4x4 Scanning keypad digunakan sebagai media antarmuka sistem dengan pengguna. Scanning keypad dibuat dengan 16 buah tombol yang disusun secara matrix, sehingga didapatkan delapan pin yang akan dihubungkan dengan mikrokontroler, yaitu empat pin baris dan empat pin kolom. Gambar 2.6 menunjukkan skema scanning keypad. Gambar 2.6. Scanning Keypad 4x4. 15