BAB II DASAR TEORI 2.1 Biogas

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara lain mengenai biogas, sensor gas TGS 2610, sensor suhu Termokopel tipe K, sensor tekanan MPX 5500D, mikrokontroler AVR ATmega8535 dengan fasilitas yang digunakan (ADC), dan penampil LCD karakter Biogas Biogas adalah gas metana (CH4) dan campuran gas lain yang didapat dari digester, termasuk limbah dan kotoran. Untuk memanfaatkan gas ini, digester dibangun dan dikendalikan untuk mendukung produksi dan ekstrasi gas metana. Proses biogas terjadi dalam keadaan anaerob yaitu kondisi tertutup tanpa ada oksigen dari lingkungan. Hal ini penting karena keberadaan gas oksigen dapat membunuh bakteri anaerob yang bertugas sebagai bakteri pengurai. Bakteri anaerob menghancurkan bahan karbohidrat, nutrisi seperti senyawa nitrogen akan terlarut sehingga menghasilkan pupuk dan humus yang sangat baik. [3] Secara umum terdapat 3 pilihan rentang suhu yang mendukung jenis bakteri tertentu untuk proses fermentasi yaitu: 1. Bakteri Psicrophilic yang hidup pada temperatur sekitar 20 0 C. Waktu penyimpanan dalam digester adalah lebih dari 60 hari. 2. Bakteri Mesophilic yang hidup pada temperatur sekitar 35 0 C. Waktu penyimpanan dalam digester adalah hari. 3. Bakteri Thermophilic yang hidup pada temperatur sekitar 55 0 C. Waktu penyimpanan dalam digester adalah hari. Terdapat tiga kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan biogas yaitu: 1. Kelompok bakteri fermentatif, yaitu: Steptococci, Bacteriodes, dan beberapa jenis Enterobactericeae. 2. Kelompok bakteri asetogenik, yaitu Desulfovibrio. 3. Kelompok bakteri metana, yaitu Mathanobacterium, Mathanobacillus, Methanosacaria, dan Methanococcus. 4

2 5 Gas yang dihasilkan merupakan campuran dari beberapa gas, yaitu CH4 (50%), disertai gas pengotor CO2(45%) dan gas gas lainya sekitar 5% yaitu H2O, H2S serta H2. Dari semua gas pengotor tersebut H2S merupakan gas yang sangat perlu diperhatikan karena bersifat korosif sehingga dapat merusak sistem pipa - pipa serta mesin mesin yang menggunakan biogas ini sebagai bahan bakar. Oleh sebab itu proses pemurnian gas perlu dilakukan. Cara yang paling sederhana untuk menghilangkan H2S adalah dengan melewatkanya melalui air karena H2S akan terserap oleh air melalui reaksi kimia yang kompleks sehingga biogas yang dihasilkan menjadi lebih bersih. [4] Prinsip utama proses pembentukan biogas adalah pengumpulan bahan yaitu eceng gondok yang sudah bersih dari kotoran dan lumpur, selanjutnya dimasukan ke dalam mesin pencacah agar eceng gondok tercacah menjadi potongan potongan kecil, kemudian dimasukan ke dalam tangki fermentasi yang disebut tangki digester. Di dalam tangki digester tersebut, eceng gondok akan dicerna dan difermentasi oleh bakteri bakteri seperti yang disebutkan diatas. Terjadinya penumpukan produksi gas akan menimbulkan tekanan sehingga gas tersebut dapat disalurkan melalui pipa yang dipergunakan untuk keperluan bahan bakar atau pembangkit listrik. Secara umum digester terdiri dari beberapa bagian, yaitu: 1. Bak penampung bahan dengan pipa masukan (inlet). 2. Tabung digester (tabung fermentasi). 3. Bak penampung lumpur sisa fermentasi (slurry). 4. Bak penampung gas (gas holder). 5. Pipa biogas keluar 6. Penutup digester (tabung fermentasi) dengan penahan gas (gas sealed). 7. Lumpur aktif biogas. 8. Pipa keluaran slurry (outlet). [5] Gambar 2.1 Skema digester biogas tipe fixed dome plant

3 6 Gambar 2.2 Digester Dar es Salaam, Tanzania (kiri) dan model yang sama dari BIOTECH (kanan) [11] Gambar 2.3 Desain digester Kementerian Negara Lingkungan Hidup, 2009 [12] Tabel 2. Nilai kesetaraan biogas [12] Aplikasi 1 m3 biogas setara dengan Penerangan watt lampu bohlam selama enam jam Masak Tiga jenis makanan untuk keluarga (5 orang) Pengganti bahan bakar 0,7 kg minyak tanah Tenaga Menjalankan motor 1 tenaga kuda selama 2 jam Pembangkit tenaga Menghasilkan 1,25 kwh listrik Penentuan Volume Tabung Fermentasi [13] 1. Menurut Yoshy (1981), kebutuhan gas bio setiap keluarga petani peternak rata rata 1,6 m 3, sedangkan produksi gas bio rata rata 0,18 m 3 per satu meter kubik volume tangki fermentasi. Atas dasar tersebut maka volume tangki fermentasi adalah 1,6 / 0,18 = 8,9 m Kebutuhan masak setiap hari rata rata dua jam dan lampu 7 jam. menurut Hadi (1981) kebutuhan kompor setiap jam 250 liter dan lampu 160 liter. Jadi gas bio yang diperlukan setiap hari adalah (2 x 250liter + 7 x 160liter)= 1620 liter = 1,62 m 3. [9]

4 7 Volume tabung yang di buat Volume = ¼ πd 2 t = ¼ x 3,14 x (0,55m) 2 x 1,2 = 0,28944 m 3 Jadi dengan menggunakan cara kedua, apabila kebutuhan kompor rata rata per jam sebesar 250 liter (0,25m 3 ), maka dengan volume tabung fermentasi 0,289 m 3 sudah dapat di gunakan untuk memasak selama kurang lebih satu jam. 2.2 Sensor Gas TGS 2610 Merupakan sensor gas yang digunakan untuk mendeteksi gas etanol, hidrogen, metana, dan iso-butana/propana. Gambar 2.4. Sensor gas TGS 2610 [6] Sensor TGS 2610 membutuhkan 2 tegangan input yaitu tegangan pemanas dan tegangan rangkaian. Tegangan pemanas diterapkan dengan pemanas terintegrasi untuk mempertahankan sensor pada spesifik suhu yang optimal untuk pengindraan. Tegangan rangkaian digunakan untuk memungkinkan pengukuran VRL (tegangan beban) diseluruh resistor beban (RL) yang terhubung dalam seri dengan sensor. [6] Gambar 2.5. Skema sensor gas [6]

5 8 2.3 Sensor Suhu Thermokopel Termokopel adalah sensor termperatur yang paling banyak digunakan dalam industri disebabkan kesederhanaan dan kehandalanya. Termokopel terdiri dari dua konduktor atau termoelemen yang berbeda, dihubungkan menjadi satu rangkaian seperti terlihat pada gambar berikut : Gambar 2.6. Diagram skematik termokopel Dua termoelemen A dan B dihubungkan ( junction ) dan jika temperatur antara junction pertama (cold junction) dan kedua (hot junction) berbeda maka akan timbul arus akibat gaya gerak listrik (EMF). Gambar 2.7. Pengukuran EMF Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan voltmeter dengan impedansi yang tak terhingga (besar sekali), seperti yang terlihat pada Gambar 2.7, maka akan terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan tersebut dikenal sebagai tegangan Seebeck. Laju perubahan nilai tegangan akibat perubahan temperatur disebut dengan koefisien Seebeck. Jika termokopel digunakan untuk mengukur temperatur hot junction (Gambar 2.7) maka tegangan Seebeck pada cold junction, hot junction serta temperatur cold junction harus diketahui terlebih dahulu. Karena cold junction juga menghasilkan tegangan Seebeck maka untuk mempermudah pembacaan temperatur pada tabel termokopel, cold junction ditempatkan pada ice point of water (titik cair es) EMF, sebenarnya timbul karena gradien temperatur sepanjang kawat yang menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan mengasumsikan kawat termokopel homogen maka EMF didapat akibat perbedaan temperatur hot junction dan cold junction.

6 9 Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan temperatur adalah EAB (T) =SAB (T) ΔT... (2.1) Di mana : EAB (T) = tegangan Seebeck S (T) = koefisien Seebeck, ΔT = perbedaan temperatur antara hot junction dengan cold junction. Perilaku termokopel ideal dapat dijelaskan dengan hukum termoelektrik berikut: 1. Law of Homogenous Metals EMF tidak akan ada jika termoelemen A dan B merupakan konduktor dari bahan yang sama. 2. Law of Intermediate metals Jika ada penambahan material C pada rangkaian termokopel, maka tegangan Seebecknya akan sama dengan nol jika material tersebut pada temperatur yang seragam. Gambar 2.8. Ilustrasi Hukum termoelektrik ke Law of Successive or Intermediate temperaturs EMF yang timbul dari termokopel di mana kedua junctionnya pada T1 dan T3 adalah sama dengan EMF junction pada T1 dan T2 ditambah EMF junction pada T2 dan T3 (Gambar 2.9). Gambar 2.9. Ilustrasi hukum termoelektrik ke 3

7 10 Konsekuensi dari hukum termoelektrik adalah penyolderan dan pengelasan junction tidak akan mempengaruhi tegangan output, serta penambahan 2 kawat tembaga homogen yang menghubungkan termokopel dengan voltmeter akan mempengaruhi tegangan output sehingga tegangan output adalah akumulasi tegangan yang timbul akibat sambungan kawat tembaga dengan dan hot junction. Gambar 2.10 Bak es sebagai reference junction Termokopel adalah tranduser yang mengubah besaran fisis ke besaran elektrik. Output yang dihasilkan adalah tegangan dc. Output dapat diukur menggunakan voltmeter dan potensiometer, tetapi mengharuskan penggunaan eksternal kompensator untuk cold junction di mana hal ini tidak efisien karena harus menyediakan media isotermal untuk reference junction dan memerlukan penggunaan tabel untuk mengkonversi tegangan menjadi besaran temperatur. Saat ini output termokopel dihubungkan ke thermometer readout selain tidak memerlukan media isotermal, kelebihan lain adalah keluaran termokopel langsung terbaca dalam besaran temperatur. Thermometer readout telah menyediakan kompensator cold junction (CJC) yang tertanam didalamnya. Thermowell Termokopel yang digunakan untuk mengukur temperatur, biasanya diberi pelindung atau yang biasa disebut thermowell. Thermowell pada umumnya terdiri dari pelindung logam dan isolator adalah keramik. Thermowell digunakan untuk melindungi kawat termokopel dari gangguan mekanik, elektrik serta kontaminan. Penggunaan thermowell dapat mengubah waktu tanggap dari termokopel, di mana salah satu kelebihan termokopel adalah waktu tanggap yang cepat. Hot junction termokopel pada umumnya dibagi menjadi tiga, yaitu: 1. Exposed junction Kawat termokopel tidak terproteksi tetapi memiliki waktu tanggap yang cepat.

8 11 2. Ungrounded junction Kawat terproteksi dengan baik tetapi memiliki waktu tanggap yang lebih lambat. 3. Grounded junction Kawat terproteksi dan waktu tanggap cepat. Gambar Jenis junction termokopel Selain itu ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan thermowell, yaitu: 1. Pada temperatur tinggi termokopel dapat terkontaminasi akibat migrasi atom Chromium ke termoelemen sehingga material tidak homogen lagi. 2. Kemampuan insulator keramik (magnesium oxide) sebagai pelindung dari gangguan elektrik akan menurunkan akibat umur dan penyerapan uap air. 3. Perbedaan koefisien ekspansi termal antara antara kawat termokopel dan pelindung logam tidak boleh terlalu besar karena akan menyebabkan ekstra regangan pada kawat termokopel ketika dilakukan proses annealing pada termokopel. 4. Penggunaan thermowell menyebabkan penambahan kawat penyambung sebagai cold junction-nya Jenis-Jenis Termokopel 1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy)/alumel (Ni-Al alloy)): Termokopel untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu 200 C hingga C. 2. Tipe E (Chromel/Constantan (Cu-Ni alloy)): Tipe E memiliki output yang besar (68μV/ C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetik. 3. Tipe J (Iron/Constantan): Rentangnya terbatas ( 40 hingga +750 C) membuatnya kurang populer dibanding tipe K. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52μV/ C.

9 12 4. Tipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy)/nisil (Ni-Si alloy)): Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200 C. Sensitifitasnya sekitar 39μV/ C pada 900 C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan dari tipe K. 5. Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh): Cocok mengukur suhu di atas 1800 C. Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0 C hingga 42 C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50 C. 6. Type R (Platinum/Platinum, 7% Rhodium): Cocok mengukur suhu di atas 1600 C. Sensitivitas rendah (10μV/ C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. 7. Type S (Platinum/Platinum, 10% Rhodium): Cocok mengukur suhu di atas 1600 C. Sensitivitas rendah (10μV/ C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064,43 C). 8. Type T (Copper / Constantan): Cocok untuk pengukuran antara 200 to 350 C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari constantan. Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 μv/ C. [7] Pada perancangan ini menggunakan termokopel type K baut (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)) dengan rentang suhu 0 hingga +400 karena mudah ditemukan dipasaran dan harganya relatif murah. 2.4 Sensor Tekanan MPX 5500D MPX 5500D adalah sensor tekanan udara yang dapat mengukur tekanan antara 0 sampai 500 kpa dan mempunyai tegangan keluaran antara 0.2 sampai 4.7 V. Sensor ini mempunyai nilai eror naksimal 2.5% pada suhu antara 0 sampai 85 0 C [8]. Sensor MPX 5500D adalah tipe differential yaitu mengukur perbedaan tekanan udara pada setiap sisinya. Grafik perbandingan antara tegangan keluaran sensor (V) dengan tekanan (kpa)terlihat pada Grafik 2.1

10 13 Grafik 2.1 Tegangan keluaran dengan tekanan Gambar 2.12 Sensor tekanan MPX 5500D case [8] 2.5 Mikrokontroler AVR ATmega 8535 Mikrokontroler ATmega 8535 adalah mikrokontroler keluarga AVR (Alf and Vegard s Risc Processor). Mikrokontroler Atmega 8535 ini dibuat oleh Atmel Corporation. Berdasarkan arsitekturnya, AVR merupakan mikrokontroler yang menggunakan teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing) yang dikembangkan setelah mikrokontroler keluarga MCS-51.Atmega 8535 memiliki, 512 Kilobytes internal EEPROM, 512 Kilobytes internal SRAM, ADC, timer/counter, USART, interupsi internal/external, 32 pin input/output (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD). Gambar Konfigurasi pin mikrokontroler Atmega8535 [9]

11 14 Gambar 2.13 adalah konfigurasi pin dari mikrokontroler ATmega 8535 dengan penjelasan fungsi-fungsinya sebagai berikut: 1. VCC adalah untuk masukan digital voltage supply. 2. GND adalah pin ground. 3. PORT A (PA0 PA7) digunakan untuk input ADC (Analog to Digital Converter). Port A ini juga berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor pull-up internal yang bisa ditambahkan. 4. PORT B (PB0 PB7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port B juga mempunyai fungsi khusus, yaitu komunikasi SPI, input analog comparator, input external interrupt, timer/counter output compare match output, timer/counter external counter input, dan USART external clock input/output. 5. PORTC (PC0 PC7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port C juga mempunyai fungsi khusus, yaitu pin timer oscillator, JTAG, komunikasi I 2 C. 6. PORTD (PD0 PD7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port D juga mempunyai fungsi khusus, yaitu komunikasi USART, external interrupt, timer/counter output compare match output, pin timer/counter input capture. 7. RESET berfungsi untuk mereset mikrokontroler apabila diberi input low. 8. XTAL1 dan XTAL2 berfungsi sebagai pin external clock. 9. AVCC adalah pin tegangan supply untuk ADC. 10. AREF adalah pin input tegangan referensi untuk ADC. 2.6 LCD Karakter 20 x 4 Dalam skripsi ini digunakan penampil LCD (Liquid Crystal Display) karakter sebagai antarmuka sistem dengan pengguna. LCD ini memiliki 20 karakter per baris dan memiliki 4 baris tampilan. Gambar 2.14 menunjukkan penampil LCD 20x4 dan konfigurasi pin LCD 20x4 dan fungsinya ditunjukkan pada Tabel 2.1

12 15 Tabel 2.1. Konfigurasi pin LCD 20x4. Pin Nama Pin Fungsi 1 Vss Ground 2 Vdd Catu daya LCD 5V. 3 VO Kontras karakter 4 RS Register Select 5 R/W Read/Write 6 E Enable 7 DB0 Data bit 0 8 DB1 Data bit 1 9 DB2 Data bit 2 10 DB3 Data bit 3 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 Gambar LCD 20x4 karakter Penampil LCD ini diakses dengan cara paralel, pengiriman data dilakukan melalui DB7-DB0 yang dikirimkan ke LCD sehingga LCD menampilkan karakter. LCD ini dapat diakses menggunakan mode 8 bit maupun mode 4 bit. Dalam mode 8 bit, data akan dikirim secara paralel menggunakan 8 bit (D7-D0), sedangkan dalam mode 4 bit, data dikirim secara paralel menggunakan 4 bit saja (D3-D0). Dalam perancangan skripsi ini digunakan mode 4 bit.