BAB 3. METODE PENELITIAN

Transkripsi

1 BAB 3. METODE PENELITIAN Metode yang akan diterapkan dalam pelaksanaan penelitian diuraikan melalui pentahapan sebagai berikut: 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian Leuwikopo, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, Bogor. Waktu penelitian dimulai pada bulan September 2007 sampai dengan Mei Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam penelitian mencakup bangunan ISD dan peralatan untuk aplikasi sistem kendali pada ISD meliputi: Personal Computer, perangkat/unit kendali, 2 (dua) unit sensor SHT75, kipas aksial dengan penggerak motor listrik asinkron satu fase, AVOmeter, Software Visual Basic 6.0, dan Turbo C++. Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah jagung pipilan dengan kadar air sekitar 18% dan berat 1201,2kg untuk pengujian 1 serta 915kg untuk pengujian Metode Penelitian Metode yang akan digunakan dalam pelaksanaan penelitian diuraikan melalui tahapan seperti berikut: 1. Membuat modul (subprogram) sistem kendali, meliputi: penyusunan diagram alir pemrograman dan pembuatan modul. 2. Merancang bangun hardware sistem kendali meliputi: membuat skema sistem kendali dan perangkat/unit kendali pada ISD. 3. Mengkalibrasi dan menguji performansi sistem kendali pada ISD. 4. Pemodelan dan simulasi 5. Menganalisis kualitas jagung sebelum dan setelah pengeringan di ISD

2 Sistem Kendali pada ISD Menggunakan Personal Computer (PC) Skema ISD Pada penelitian ini ISD merupakan bangunan silo yang berbentuk silinder dengan kapasitas penyimpanan 7500kg jagung curah, dengan ukuran tinggi 3,5m dan diameter 2,5m. Seluruh dinding terbuat dari plat esser yang dilapisi galvanis dengan ketebalan 0,002m, yang diperkuat oleh rangka yang terbuat dari pipa-pipa besi. Dinding terdiri dari dua lapisan, yaitu bagian luar dan dalam. Di antara kedua lapisan dinding tersebut diisi dengan busa glasswool sebagai isolator agar pemanasan oleh radiasi matahari tidak mempengaruhi kondisi dalam bangunan ISD, sehingga dinding dalam kondisi adiabatis. Pada bagian atas bangunan ini terdapat lubang sebagai output udara dan juga untuk lubang loading bahan dengan diameter 0,6m. Bagian dalam ISD dilengkapi 13 batang pipa penyalur udara yang berfungsi untuk meratakan distribusi aliran udara di dalam ISD. Pipa-pipa tersebut terbuat dari plat esser berpori yang digalvanis dengan ketebalan 0,002m. Pipapipa tersebut terdiri atas pipa input dan pipa output. Pipa input berjumlah 9 batang berdiameter 0,15m dan pipa output berjumlah 4 batang berdiameter 0,2m dengan tinggi setiap pipa 2m. Pada ISD terdapat kipas aksial yang digerakkan oleh motor listrik asinkron satu fase, melalui pengukuran menggunakan anemometer diperoleh laju aliran udara sebesar 8,289m/s. Berdasarkan perhitungan didapat besar debit udara adalah 56,06 m 3 /menit, jika dengan massa jenis udara adalah 1,11 kg/m 3, maka laju massa udara yang masuk ke dalam ISD adalah sebesar 12,7 kg/menit m 2 (0,211kg/detik m 2 ) Skema sistem kendali dan pembuatan modul (subprogram) Gambar 7 memperlihatkan skema sistem kendali pada ISD. Pada penelitian ini diimplementasikan sistem kendali on-off pada ISD dengan bahasa program Turbo C++. Sistem kendali on-off merupakan sistem yang sederhana dan dalam merancang bangun tidak membutuhkan biaya yang besar dibandingkan dengan sistem kendali dengan logika fuzzy atau sistem kendali yang lainnya.

3 Sistem Kendali pada ISD Menggunakan Personal Computer (PC) Skema ISD Pada penelitian ini ISD merupakan bangunan silo yang berbentuk silinder dengan kapasitas penyimpanan 7500kg jagung curah, dengan ukuran tinggi 3,5m dan diameter 2,5m. Seluruh dinding terbuat dari plat esser yang dilapisi galvanis dengan ketebalan 0,002m, yang diperkuat oleh rangka yang terbuat dari pipa-pipa besi. Dinding terdiri dari dua lapisan, yaitu bagian luar dan dalam. Di antara kedua lapisan dinding tersebut diisi dengan busa glasswool sebagai isolator agar pemanasan oleh radiasi matahari tidak mempengaruhi kondisi dalam bangunan ISD, sehingga dinding dalam kondisi adiabatis. Pada bagian atas bangunan ini terdapat lubang sebagai output udara dan juga untuk lubang loading bahan dengan diameter 0,6m. Bagian dalam ISD dilengkapi 13 batang pipa penyalur udara yang berfungsi untuk meratakan distribusi aliran udara di dalam ISD. Pipa-pipa tersebut terbuat dari plat esser berpori yang digalvanis dengan ketebalan 0,002m. Pipapipa tersebut terdiri atas pipa input dan pipa output. Pipa input berjumlah 9 batang berdiameter 0,15m dan pipa output berjumlah 4 batang berdiameter 0,2m dengan tinggi setiap pipa 2m. Pada ISD terdapat kipas aksial yang digerakkan oleh motor listrik asinkron satu fase, melalui pengukuran menggunakan anemometer diperoleh laju aliran udara sebesar 8,289m/s. Berdasarkan perhitungan didapat besar debit udara adalah 56,06 m 3 /menit, jika dengan massa jenis udara adalah 1,11 kg/m 3, maka laju massa udara yang masuk ke dalam ISD adalah sebesar 12,7 kg/menit m 2 (0,211kg/detik m 2 ) Skema sistem kendali dan pembuatan modul (subprogram) Gambar 7 memperlihatkan skema sistem kendali pada ISD. Pada penelitian ini diimplementasikan sistem kendali on-off pada ISD dengan bahasa program Turbo C++. Sistem kendali on-off merupakan sistem yang sederhana dan dalam merancang bangun tidak membutuhkan biaya yang besar dibandingkan dengan sistem kendali dengan logika fuzzy atau sistem kendali yang lainnya.

4 20 Pengendalian dengan sistem kendali on-off dilakukan dengan cara menyalakan dan mematikan kipas yang ada pada ISD berdasarkan nilai suhu dan RH lingkungan, nilai suhu dan RH pada ISD yang dibaca oleh 2 (dua) sensor SHT75 yang diletakkan di sekitar ISD dan di atas permukaan jagung. Untuk pembacaan data digunakan port paralel sebagai alat komunikasi antara sensor dan komputer. SHT75 ISD In Store Dryer (ISD) SHT75 Lingkungan Perangkat Kendali PC Kipas Aksial Udara alami Gambar 7 Skema sistem kendali pada ISD Dengan menggunakan persamaan (1), kadar air keseimbangan jagung dapat diduga dari suhu dan RH yang dibaca oleh sensor. Pada penelitian ini, kadar air diasumsikan berada dalam kondisi keseimbangan dengan suhu dan RH sehingga nilainya sama dengan kadar air keseimbangan. Kemudian nilai hasil pendugaan kadar air keseimbangan dibandingkan antara pembacaan sensor yang diletakkan di lingkungan dan sensor yang diletakkan di atas jagung dalam ISD untuk

5 21 menyalakan dan mematikan kipas. Jika kadar air keseimbangan dalam ISD lebih rendah daripada lingkungan maka kipas mati. Sebaliknya, jika kadar air keseimbangan pada ISD lebih tinggi maka kipas menyala. Selain itu, ketika kadar air dalam ISD telah berada di bawah 13%b.k. kondisi kipas mati. Sistem pengendalian dapat terus bekerja selama dibutuhkan pada proses penyimpanan untuk menjaga supaya kadar air keseimbangan tetap kurang dari 13%b.k. Modul (subprogram) yang digunakan pada sistem kendali pada ISD ini adalah pemrograman dengan bahasa C++ dan modul pada penelitian ini terdiri atas 3 (tiga) subprogram. Pertama adalah subprogram akuisisi data yaitu program yang digunakan untuk penulisan dan pembacaan sensor SHT75, subprogram kedua adalah subprogram untuk menghitung kadar air keseimbangan berdasarkan keluaran hasil pembacaan nilai suhu dan RH, dan subprogram ketiga adalah subprogram untuk pengendalian kipas ISD. Secara umum Subprogram pertama dan kedua disebut bagian akuisisi data sedangkan subprogram ketiga disebut bagian pengendalian. Keluaran dari ketiga subprogram tersebut di atas berupa data hasil pembacaan suhu dan RH lingkungan, suhu dan RH pada ISD, nilai hasil pendugaan kadar air, dan kondisi kipas. Sistem kendali pada ISD ini dilakukan pengujian langsung pada In-Store Dryer (ISD) yang merupakan bagian dari alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-Hybrid dan In-Store Dryer (ISD) terintegrasi. Pemrograman disusun menggunakan bahasa Turbo C++. Programme listing sistem kendali on-off pada ISD dapat dilihat pada Lampiran 2. Diagram alir pemrograman untuk pengendalian seperti diperlihatkan pada Gambar 8.

6 22 Mulai BAGIAN AKUISISI DATA Suhu lingk, RH lingk, Suhu ISD, RH ISD Hitung M e Me lingk <Me ISD? T Kipas OFF Y Me ISD <13%? T Kipas ON Y Kipas OFF Sistem Pengendalian diteruskan? Y T BAGIAN PENGENDALIAN Selesai Gambar 8 Diagram alir pengendalian Perancangan Hardware Sistem kendali yang dipergunakan pada ISD adalah sistem pengendalian dengan menggunakan komputer dapat melalui port paralel atau LPT1 (Budiharto, 2004). Dalam sistem ini yang dikendalikan adalah kipas aksial yang terdapat pada ISD. Skema diagram sistem pengendalian dengan menggunakan PC (komputer) melalui port paralel dapat dilihat pada Lampiran 3.

7 23 Rangkaian catu daya untuk sistem kendali menggunakan komputer (PC) dapat dilihat pada Lampiran 4a. Rangkaian ini terdiri atas trafo 500mA, dioda tipe IN4002, IC L7812, dan L7805 yang digunakan untuk menghasilkan tegangan searah 12V dan 15V. Sedangkan Lampiran 4b memperlihatkan rangkaian relay yang digunakan untuk menyalakan dan mematikan kipas aksial pada ISD. Rangkaian ini terdiri atas relay 12Vdc dan kontaktor tipe SK10. Rangkaian ini akan bekerja jika diberi tegangan oleh thyristor dan kemudian akan mengaktifkan kontaktor. Melalui kontaktor ini kipas aksial pada ISD akan dioperasikan. Pada sistem pengendalian menggunakan komputer digunakan port parallel sebagai antarmuka dengan sensor SHT75. Selanjutnya agar sensor dan komputer dapat berkomunikasi maka dibutuhkan IC74244 (buffer tiga kondisi). IC ini digunakan untuk mengamankan aliran data dari sensor ke komputer. Secara umum rangkaian antara port paralel dan IC74244 dapat dilihat pada Lampiran 4c Interfacing komputer Untuk mengkomunikasikan komputer dengan perangkat elektronik lainnya dibutuhkan penguasaan pemrograman dan pengetahuan tentang piranti elektronik penunjangnya. Pemrograman port (port programming) adalah suatu perintah program yang digunakan untuk membaca suatu register yang ditugaskan secara spesifik untuk membaca piranti elektronik tertentu yang dihubungkan ke personal komputer (PC). Pada penelitian ini port parallel adalah port pada komputer yang digunakan untuk mentransmisikan data. Port ini juga digunakan sebagai interfacing komputer dengan perangkat keras atau perangkat elektronik lainnya (kipas aksial). Pada pengendalian menggunakan PC melalui port paralel (DB25), printer control yang digunakan adalah PC0 (pin 1) dan PC1 (pin 14), sedangkan data port yang digunakan adalah DP0 (pin 2), DP1 (pin 3), dan DP2 (pin 4). Adapun printer status yang digunakan adalah PS4 (pin 13) dan PS5 (pin 12). PS4 dihubungkan dengan pin DP0 yaitu pin 4 (Data) pada sensor SHT75 untuk lingkungan. Sedangkan PS5 dihubungkan dengan DP1 yaitu pin 4 (Data) pada SHT75 untuk

8 24 ISD. Secara lengkap pin dan nama register pada DB25 yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 4 di bawah ini. Tabel 4 Pin dan nama register pada DB25 yang digunakan untuk sistem kendali Pin DB25 Nama Register Digunakan untuk Keterangan 1 PC0 Pin 1 (SCK) SHT75 ISD 14 PC1 Pin 1 (SCK) SHT75 Lingkungan 2 DP0 Pin 4 (Data) SHT75 Lingkungan 3 DP1 Pin 4 (Data) SHT75 ISD 4 DP2 Triger/pemicu on-off pada relay 13 PS4 dihubungkan dengan DP0 12 PS5 dihubungkan dengan DP1 24 GND Kalibrasi output SHT75 dan kadar air Untuk mengkonversi dan kalibrasi nilai output sensor SHT75 ke nilai RH menggunakan persamaan: C2SORH C3SORH RH = C +...(5) dimana: C 1 = -4 C 2 = 0,0405 C 3 = -2,8 x 10-6 SO RH = keluaran sensor untuk RH (dalam desimal) Sedangkan persamaan yang digunakan untuk mengkonversi dan kalibrasi nilai keluaran sensor SHT75 menjadi nilai suhu adalah Suhu = d + 1 d 2SO...(6) T dimana: d 1 = -40 o C d 2 = 0,01 o C SO T = keluaran sensor untuk suhu (dalam desimal) Selanjutnya untuk menentukan nilai kadar air keseimbangan digunakan persamaan (1) yaitu persamaan EMC Henderson (Thompson 1967) dalam Brooker et al. (1992).

9 Sensor suhu dan kelembaban Pada penelitian ini digunakan sensor suhu dan kelembaban relatif tipe SHT75 memiliki 4 (empat) pin yang terdiri atas pin 1 untuk serial clock input (SCK), pin 2 dihubung dengan tegangan 5V, pin 3 dihubungkan dengan ground dan pin 4 untuk serial data bidirectional (DATA). Sensor suhu dan RH tipe SHT75 merupakan komponen dengan keluaran digital. SCK pada pin 1 digunakan untuk sinkronisasi pada komunikasi antara komputer dan sensor SHT75. Sedangkan DATA pada pin 4 digunakan untuk mentranfer data masukan dan keluaran dari sensor SHT75. Untuk mendapatkan nilai suhu dan RH, keluaran digital dari sensor dikonversi menjadi nilai desimal yang kemudian dimasukan ke persamaan (5) dan (6) untuk memperoleh nilai suhu dan RH. Pengiriman data nilai suhu dan RH ke komputer dilakukan melalui port paralel yang dilengkapi IC74244 sebagai buffer Validasi metode pendugaan kadar air Proses validasi metode pendugaan kadar air dilakukan dengan cara meletakkan sensor SHT75 ke dalam tabung berisi jagung yang dihembus udara lingkungan menggunakan kipas sentrifugal. Gambar 9 memperlihatkan skema validasi metode pendugaan kadar air. Kadar air pendugaan merupakan nilai perhitungan (persamaan 1) dari pembacaan oleh sensor suhu dan RH. Nilai ini merupakan rata-rata dari 15 menit pendugaan. Pada saat ini juga sampel diambil untuk penentuan kadar air dengan menggunakan metode oven. Untuk memperoleh kadar air yang berbeda, biji jagung dikeringkan menggunakan udara panas (suhu udara 50 o C) selama 30 menit dan kemudian didinginkan selama 10 menit. Setelah itu, udara lingkungan kembali dihembuskan melalui tumpukan jagung selama 30 menit dan pendugaan kadar air dilakukan menggunakan rata-rata dari 15 menit pengukuran terakhir. Cara ini diulangi sampai pada kadar air 13%b.k. Kemudian kadar air pendugaan dan kadar air hasil pengukuran diplot pada grafik dan ditentukan nilai R 2 nya.

10 26 SHT75 Komputer Jagung Udara lingkungan Centrifugal fan Gambar 9 Skema validasi metode pendugaan kadar air 3.5 Pengujian Sistem Kendali Setelah tahap penyusunan program logika pengendalian selesai, maka SHT75 (sensor suhu dan kelembaban), perangkat catu daya, relay, kipas, serta unit komputer diintegrasikan. Pengujian kinerja sistem kendali yang telah terintegrasi dengan pengering ERK-hybrid dan ISD dilakukan dimana parameter-parameter yang terkait dengan kinerja pengendalian dianalisis, yang mencakup: perubahan suhu, RH, kadar air, dan waktu pengeringan. Hubungan-hubungan antara variabelvariabel di atas dianalisis secara grafik. Sedangkan pengujian mutu hasil pengeringan dan penyimpanan dalam ISD meliputi kandungan aflatoksin dalam jagung. Pengujian sistem kendali ini bertujuan untuk mengetahui apakah sistem pengendalian kadar air jagung pada ISD menggunakan komputer melalui port paralel telah bekerja sesuai dengan diagram alir pemrograman seperti pada Gambar 8, yaitu jika nilai pendugaan kadar air keseimbangan telah tercapai yaitu kurang dari 13%b.k. maka kipas pada ISD dalam kondisi off, jika tidak/belum tercapai maka on. Di samping itu, hasil pengujian akan dianalisis dan diamati perubahan suhu, RH, dan kadar air berdasarkan data yang diperoleh selama pengujian. Pada pengujian sistem kendali ini dilakukan 2 (dua) kali, untuk melihat kinerja ISD pada kondisi lingkungan yang berbeda. Pengujian pertama dan kedua dilakukan dengan cara mengoperasikan sistem kendali hingga kadar air jagung

11 27 dalam ISD mencapai kadar air kurang dari 13%b.k. Pada kedua pengujian ini dilakukan pengambilan dan penyimpanan data yang terdiri atas suhu dan RH lingkungan, suhu dan RH pada ISD, kadar air keseimbangan lingkungan, kadar air keseimbangan pada ISD, dan kondisi pengendalian kipas pada ISD. Sampling data dilakukan tiap jam, namun data yang terekam melalui sistem kendali adalah per menit. 3.6 Konsumsi Energi Listrik Untuk menghitung besarnya konsumsi energi spesifik (KES) pada pengeringan jagung menggunakan ISD, digunakan data daya, tegangan dan arus motor listrik sebagai penggerak kipas. Konsumsi energi spesifik merupakan besarnya energi yang dibutuhkan untuk menguapkan per kilogram air yang diuapkan. Energi yang dibutuhkan pada pengeringan ini adalah energi listrik. Motor listrik yang digunakan untuk menggerakkan kipas adalah motor asinkron satu fase dengan catu tegangan 220V dan hasil pengukuran arus diperoleh nilai rata-rata sebesar 4,5A. Kemudian dilakukan perhitungan besarnya konsumsi energi spesifik pada pengujian 1 dan pengujian Analisis Kualitas Jagung Hasil Pengeringan Berdasarkan SNI Jagung bahan baku pakan ternak adalah jagung pipilan hasil tanaman jagung (Zea mays L) berupa biji kering yang telah dilepaskan dan dibersihkan dari tongkolnya. Untuk menganalisis kualitas jagung hasil pengeringan digunakan persyaratan mutu standar jagung bahan baku pakan sesuai SNI Analisi kualitas dilakukan dua kali, yang pertama adalah pada kondisi awal dengan kadar air sekitar 17,61%. Sedangkan analisis kualitas kedua dilakukan setelah dikeringkan dalam ISD hingga mencapai kadar air 12,37%b.k. dan disimpan dalam ISD hingga 30 (tiga puluh) hari. Analisis dilakukan di laboratorium Balitro dan Balitvet Bogor. Untuk analisis kadar abu, serat, lemak, dan protein dilakukan di laboratorium Balitro sedangkan untuk analisis aflatoksin dilakukan di laboratorium Balitvet. Untuk analisis aflatoksin dibutuhkan 4 sampel dengan berat masing-masing 500gram. Sedangkan untuk analisis kadar protein, serat kasar, abu dan lemak dibutuhkan 3 sampel dengan berat masing-masing

12 28 500gram. Waktu yang dibutuhkan untuk analisis tersebut sekitar seminggu atau 7 (tujuh) hari kerja. Setelah analisis selesai selanjutnya dilakukan pengamatan terhadap kualitas jagung hasil pengeringan dan penyimpanan dalam ISD. Di samping itu kualitas jagung dibandingkan dengan SNI. 3.8 Pemodelan dan Simulasi Penurunan kadar air diduga berdasarkan model-model yang meliputi persamaan-persamaan pindah panas dan massa. Metode beda hingga Euler digunakan dalam penyelesaian model-model tersebut (Nelwan, 2007). Gambar 10 memperlihatkan suatu model elemen tumpukan yang dilalui oleh aliran udara G a dari z menuju z+dz. Pada gambar terdapat empat variabel yang tidak diketahui yaitu kadar air M, kelembaban H, suhu udara T a, dan suhu biji-bijian T g (Bala, 1997). z+dz dz Grain (Tg,M) Grain (Ta, H,Ga) Gambar 10 Elemen tumpukan Pemodelan yang digunakan untuk simulasi terdiri atas: 1. Persamaan keseimbangan massa H M Ga = ρ d...(7) z t dimana: G a = laju aliran udara (kg/m 2 s) H = kelembaban mutlak (kg/kg) ρ d = massa jenis bijian (kg/m 3 ) M = kadar air bijian (% b.k) T = waktu (detik)

13 29 2. Persamaan energi panas untuk udara Perubahan entalpi dalam udara merupakan selisih perpindahan panas ke bijibijian dengan panas yang dibawa oleh uap air. Persamaan untuk keseimbangan panas adalah sebagai berikut: ( h + C ρ ( M t) )( T T ) T cv pw d / a = z G a ( C + C H ) pa dimana: C pa = panas jenis udara kering (J/kg o K) C pg = panas jenis bijian (J/kg o K) C pl = panas jenis air pada bijian (J/kg o K) C pw = panas jenis uap air (J/kg o K) h cv pw = coeffisien panas volumetric air (kj/mnt-m 3 -K) a g...(8) T a = suhu udara ( o C) T g = suhu bijian ( o C) 3. Persamaan laju perpindahan panas biji Perubahan entalpi pada biji merupakan selisih antara pindah panas konveksi ke biji dengan sumber panas untuk menguapkan air ke udara. T g z = ρ d cv ( Ta Tg ) ( C + C M ) h pg pl ρ d + ( Lg + ( C pw C pl ) Tg )( M / t) ρ ( C + C M ) d pg pl...(9) Keseimbangan uap air di dalam ISD dipengaruhi oleh jumlah uap air yang masuk dari lingkungan, penambahan uap air dari jagung, dan jumlah uap air yang keluar dari ISD ke lingkungan. Simulasi pengeringan ISD dilakukan dengan menggunakan program pengeringan pada ISD dengan aplikasi Visual Basic 6.0 (Nelwan, 2007). Pada simulasi ini dilakukan dengan 2 (dua) skenario, yaitu pertama simulasi diasumsikan dengan besaran laju aliran udara diubah dari sebesar 0,211kg/detik m 2 menjadi 0,411 kg/detik m 2. Sedangkan pada simulasi kedua diubah tebal tumpukan dari 0,5m menjadi 1m. Pada kedua simulasi juga diasumsikan bahwa suhu lingkungan rata-rata 33 o C dan RH lingkungan rata-rata 53%. Tujuan simulasi ini adalah untuk mengetahui pengaruh laju aliran udara dan tebal tumpukan (beban) terhadap waktu pengeringan. Kemudian akan dianalisis juga

14 30 hubungan antara waktu pengeringan dengan konsumsi energi. Model matematik yang digunakan untuk menduga perubahan suhu, RH, dan kadar air jagung divalidasi dengan menggunakan data-data hasil pengujian 2. Masukan data untuk validasi model meliputi suhu dan RH. Simulasi juga dilakukan untuk melihat perbedaan kinerja ISD dengan dan tanpa sistem kendali dalam mengeringkan jagung. Parameter yang diperoleh dari simulasi ini adalah perubahan kadar air pada tiga lapisan, waktu pengeringan, dan konsumsi energi.