PENGEMBANGAN SISTEM SENSOR UNTUK MENGUKUR PARAMETER GAS PADA PRODUKSI BIOGAS

Transkripsi

1 EN-76 PENGEMBANGAN SISTEM SENSOR UNTUK MENGUKUR PARAMETER GAS PADA PRODUKSI BIOGAS Iwan Sugriwan 1, Ahmad Jauhari Fuadi 1, Slamet Riadi 1, Rahmadiansyah 1, danabubakar Tuhuloula 2 1 Program Studi Fisika FMIPA Universitas Lambung Mangkurat Banjarbaru Jl. Ahmad Yani KM 36, Banjarbaru Program Studi Teknik Kimia FT Universitas Lambung Mangkurat Banjarbaru iwan unlam@yahoo.com Disajikan Nop 2012 ABSTRAK Penelitian pengembangan sistem sensor untuk mengukur parameter gas pada produksi biogas telah dilakukan. Fokus penelitian dititikberatkan pada pengembangan alat ukur tekanan dengan sensor MPX2100GP, sensor kelembaban dan temperatur dengan SHT11 dan sensor temperatur dengan LM35 telah dilakukan pada tahap 1. Pada tahap 2, telah dikembangkan alat pengukur kadar oksigen (O 2) dengan sensor KE50, pengukur kadar karbondioksida (CO 2) dengan sensor TGS4161 dan pengukur kadar metana dengan sensor TGS2611. Untuk merealisasikan ketiga alat ukur ini, telah dikembangkan perangkat keras yaitu catu daya teregulasi, pengkondisi sinyal dengan OP-07, mikrokontroler dengan ATMega8535, dan antarmuka ke LCD karakter 16 2 dan komputer pribadi/laptop dari masing-masing sensor. Proses penelitian selanjutnya adalah kalibrasi dan kerakterisasi masing-masing sensor. Kalibrasi dilakukan dengan mengukur variasi kadar O 2, CO 2 dan CH 4 yang dihasilkan oleh mini digester biogas. Kadar gas di ukur dengan menggunakan gas chromatografi yang proporsional dengan tagangan keluaran dari sensor yang dikembangkan. Pengembangan pengkondisi sinyal, pengembangan mikrokontroler dan antarmuka dengan liquid chrystal display (LCD) juga terhadap personal computer (PC) dihubungkan satu sama lain sebagai satu sistem pengukuran. Pembuatan perangkat lunak adalah pembuatan software mikrokontroler dan LCD (liquid chrystal displays) serta PC (personal computer). Software mikrokontroler dibuat dengan Basic Compiler (BASCOM), sedangkan untuk PC dengan Visual Basic. Sensor SHT11 telah dapat bekerja dengan baik untuk mendeteksi perubahan temperatur dan kelembaban dalam ruang. Pengujian SHT11 dengan cara memberi perubahan kelembaban dari humiditifier dan perubahan temperatur berasal dari lampu halogen. Sensor MPX2100GP telah menunjukkan performa yang sangat baik mengukur tekanan dari aliran udara yang berasal dari tabung dengan jangkauan tekanan dari 1 sampai dengan 100 kpa. Persamaan karakteristik MPX2100GP adalah V = P volt. Sensor LM35 telah mampu mengukur perubahan temperatur dalam sebuah sistem uji dengan persamaan karakteristik sensor V = 0, 0101T volt. Sensor KE-50 sebagai pengindera kadar oksigen telah menunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik untuk KE-50 adalah V = n mv dengan jangkauan pengukuran dari 0 100% oksigen. Sensor TGS4160 sebagai pengindera kadar karbondioksida telah menunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik untuk TGS4160 adalah V = n mv dengan jangkauan pengukuran sampai dengan ppm. Sensor TGS2611 telah menunjukkan unjuk kerja yang sangat baik, dengan persamaan karakteristik sensor adalah V = n mv. Prototipe dari sistem sensor telah diuji coba untuk mengukur kadar oksigen, metana, dan karbondioksida pada mini digester biogas. Minidigester yang dibuat terdiri dari sebuah tabung dengan diameter 30 cm dan tingggi 50 cm, dengan bahan baku biogas dari kotoran sapi ditambah air dengan perbandingan 1:1. Dari hasil uji coba terhadap KE50, TGS4161 dan TGS2611 menunjukkan bahwa sistem yang telah dibangun telah menunjukkan performa yang baik. Alat ukur yang telah dibangun juga portable dan dapat mengakuisi data hasil pengukuran secara real time, mencatat otomatis dan terus-menerus. Kata Kunci: sistem sensor, sistem akuisisi, antarmuka, real time monitoring. I. PENDAHULUAN Biogas sebagian besar mengandung gas metana (CH 4 ) dan karbon dioksida (CO 2 ), disamping itu biogas juga mempunyai kandungan lain yang jumlahnya kecil diantaranya hidrogen (H 2 ), hidrogen sulfida (H 2 S) dan ammonia (NH 3 ). [1] Digesti anaerob adalah sebuah reaktor yang dihubungkan dengan metode dalam produksi gas metana pada produksi biogas. Hasil yang diperoleh tergantung pada banyaknya variabel termasuk karakteristik limbah, kandungan air, temperatur, ph, ketersediaan nutrisi dan mikroba, serta kehadiran inhibitor seperti: oksigen, logam, dan sulfat. [2] Digesti anaerob juga efektif untuk mengolah berbagai jenis limbah cair, seperti limbah cair industri makanan/minuman, perta-

2 EN-77 nian, pulp/ kertas, kimia, petrokimia, farmasi dan lainlain. [3] Implementasi penggunaan biogas sebagai salah satu solusi krisis energi masih menyisakan masalah karena gas yang dihasilkan dari produksi biogas dengan teknologi digesti anaerob kurang efisien sehingga perlu adanya teknologi terobosan untuk meningkatkan efisiensi dan volume gas yang dihasilkan. Salah satu upaya untuk mengetahui ketidakefisiensian pada setiap tahapan proses dapat dilakukan dengan monitoring pada setiap tahap produksi biogas yaitu saat bahan dimasukkan ke reaktor biogas (biogas digester) sampai gas sudah tidak diproduksi lagi. Monitoring akan dilakukan dengan memasang sensor, yaitu sensor metana, sensor karbondioksida, sensor oksigen, sensor kelembaban dan temperatur serta sensor tekanan. Pada penelitian ini, dirancang dan dibuat suatu peralatan yang dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi gas metana (CH 4 ), gas karbondioksida (CO 2 ), gas oksigen (O 2 ), suhu, tekanan dan kelembaban udara. II. METODOLOGI Monitoring parameter gas pada produksi biogas dalam digester anaerob serta mengembangkan sistem sensor yang digunakan dalam pengukuran memerlukan tahapan proses perencanaan dan implementasi sistem instrumentasi. [4] Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah menyiapkan peralatan dan bahan penelitian, perancangan dan pembuatan perangkat keras serta perangkat lunak dan implementasi sistem instrumen pada mini digester skala lab dan di kebun percobaan peternakan Fakultas Pertanian Unlam di Pelaihari Banjarmasin. Perangkat keras yang telah dibuat adalah rangkaian catu daya untuk sensor MPX2100GP, SHT11, LM35, KE50, TGS4160 dan TGS2611. pembuatan dan kalibrasi sensor temperatur dengan LM35, sensor tekanan dengan MPX2100GP, sensor kelembaban dan temperatur dengan SHT11, sensor oksigen KE-50, sensor karbondioksida dengan TGS4160 dan sensor metana dengan TGS2611. Penguat instrumentasi untuk alat ukur tekanan MPX2100GP, penentuan fungsi transfer untuk SHT11, penguat non-inverting untuk sensor KE-50 dan TGS4160 serta pembagi tegangan yang dihubungkan dengan penguat non-inverting untuk TGS2611. Rangkaian penguat instrumentasi dan penguat noninverting mengaplikasikan IC OP-07. Blok mikrokontroler di antarmuka dengan LCD karakter 16 2 untuk menampilkan hasil pengukuran, sedangkan untuk akuisisi data telah dibuat sistem antarmuka dengan komputer pribadi atau laptop. Pembuatan perangkat lunak meliputi program ambil data dari sensor LM35, MPX2100GP, SHT11, KE- 50, TGS4160 dan TGS2611. Langkah berikutnya adalah membangun program konversi tegangan sensor analog menjadi digital untuk ketiga sensor supaya menjadi sebuah sistem pengukuran. Untuk proses antarmuka, program yang telah dibuat adalah program menampilkan data pada peraga display LCD 16 2, dan program antarmuka dengan komputer pribadi dengan format serial RS-232 juga via universal serial bus. Software mikrokontroler dibuat dengan Basic Compiler (BASCOM), sedangkan untuk PC dengan Visual Basic dan Delphi. Kedua tahapan tadi akan diimplementasikan pada instalasi biogas baik skala lab dan digester skala kecil. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. RHTmeter dengan SHT11 HT11 terdiri dari blok-blok rangkaian elektronis yang membentuk suatu sistem sehingga menjadi sebuah alat ukur terdiri dari rangkaian catu daya, kaskade antara SHT11 dengan port mikrokontroler AT- Mega8535, antarmuka modul mikrokontroler dengan LCD karakter, antarmuka mikrokontroler dengan komputer pribadi melalui port serial RS-232 dan antarmuka mikrokontroler dengan laptop melalui USB. [5] Realisasi alat ukur kelembaban dan temperatur ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah ini: GAMBAR 1: Realisasi alat ukur SHTmeter Program antarmuka antara alat ukur kelembaban dan temperatur berbasis SHT11, dengan komputer pribadi atau laptop dibangun dengan program Delphi 6.0. Tampilan pada layar monitor komputer/laptop ditunjukkan pada GAMBAR 2. Dengan program antarmuka ini, pembacaan hasil pengukuran dengan alat ukur kelembaban dan temperatur secara portable. [6] Mekanisme pengujian ditunjukkan pada GAMBAR 3, sedangkan grafik yang berpadanan ditunjukkan pada GAMBAR 4 untuk temperatur dan GAMBAR 5 untuk kelembaban. Dari grafik pada GAMBAR 4 dan GAM- BAR 5 menunjukkan bahwa sensor SHT11 telah dapat mengindera perubahan temperatur dan kelembaban. B. Manometer Digital dengan MPX2100GP Sensor tekanan yang digunakan adalah MPX2100GP. Sensor ini memerlukan tegangan catu (V ccs ) sebesar 12 V. MPX2100GP mempunyai 4 kaki, yaitu kaki 1 dan 3

3 EN-78 GAMBAR 2: Tampilan hasil pengukuran pada PC/laptop GAMBAR 5: SHT11 Pengamatan kelembaban yang diberi uap air pada GAMBAR 3: Pengamatan suhu dan kelembaban yang disemprotkan uap air GAMBAR 6: Rangkaian sensor dan penguat instrumentasi perbandingan sebenarnya antara tegangan keluaran sensor terhadap tekanan yang diberikan pada P 1. Perbandingan tegangan masukan dan tegangan keluaran ditunjukkan oleh GAMBAR 7. GAMBAR 4: Pengamatan suhu yang diberi uap air pada SHT11 berfungsi sebagai ground (GND) dan V ccs, kaki 2 sebagai tegangan keluaran positif (V + ) dan kaki 4 sebagai tegangan keluaran negatif (V ). [7] Rangkaian sensor yang telah dihubungkan ke penguat instrumentasi ditunjukkan oleh GAMBAR 6. Karakterisasi sensor dilakukan untuk mengetahui GAMBAR 7: Grafik antara tekanan dan tegangan setelah IA GAMBAR 8 menunjukkan tampilan program pencatat data saat dijalankan. Bagian utama yang ditampilkan adalah tekanan terukur dalam satuan kpa yang secara langsung juga disajikan dalam bentuk grafik waktutekanan, Kompilasi kode program menghasilkan aplikasi program dengan format.exe yang bisa diberi nama sesuai keinginan.

4 EN-79 GAMBAR 8: Tampilan program pencatat data hasil pengukuran otomatis C. Termometer Digital dengan LM35 Sensor suhu yang digunakan adalah LM35. [8] Sensor ini beroperasi pada tegangan catu sebesar 4 volt sampai 30 volt. Sensor LM35 mempunyai 3 kaki, yaitu V cc, Ground dan Output. Sensor suhu LM35 dikalibrasi dengan cara menghubungkan kaki V cc dari sensor ke kaki positif +5 volt catu daya, kaki ground sensor ke kaki negatif +5 volt catu daya, kaki output sensor ke positif multimeter dan dari kaki negatif catu daya ke kaki negatif multimeter. Susunan kalibrasi sensor LM35 ditunjukkan pada GAMBAR 9 dan grafik kalibrasi ditunjukkan pada GAMBAR 10. GAMBAR 10: Grafik hasil kalibrasi sensor LM35 GAMBAR 11: Hasil pengukuran yang terbaca di PC GAMBAR 9: Kalibrasi sensor suhu LM35 Program tampilan pada PC termometer digital dibuat menggunakan software Visul Basic 6.0 yang memiliki fasilitas ComPort untuk menjalankan koneksi dengan port serial. ditunjukkan pada GAMBAR 11. D. O 2 meter Sensor KE-50 tidak memerlukan catu tegangan untuk operasinya. Keluaran dari KE-50 untuk kon- sentrasi oksigen 100% adalah antara 200 sampai dengan 300 mv, [9] sedangkan jangkauan tegangan untuk mikrokontroler adalah dalam orde volt, yaitu 5 volt (untuk catu tegangan mikrokontroler 5 volt). Untuk meningkatkan keluaran KE-50 berada dalam jangkauan tegangan masukan ADC internal pada mikrokontroler, maka diperlukan sebuah rangkaian penguat yang mengaplikasikan IC OP-07 yang dikonfigurasi sebagai penguat tak membalik. Penguat tak membalik menguatkan polaritas sinyal tegangan masukan positif sebesar gain dari op-amp yang ditentukan oleh pemilihan resistor input (Rin) dan resistor umpan balik (Rf). Rin sebesar 1 kω dan resistor feedback dipasang resistor variabel dengan nilai 100 kω. Penguatan (gain) di set pada nilai sekitar 19 kali. GAMBAR 12 adalah grafik karakteristik sensor KE- 50 setelah mendapat penguatan sebesar 19 kali. Persamaan karakteristik antara tegangan vesus konsentrasi

5 EN-80 diberikan dengan persamaan V = 50,419 n - 14,682 volt, dengan V sebagai tegangan dalam volt dan n adalah konsentrasi dalam persen (%). Persamaan karakteristik ini akan menjadi data proses untuk ADC internal pada mikrokontroler ATMega8535. GAMBAR 14: Tampilan akuisisi data secara waktu nyata pada layar laptop/pc GAMBAR 12: Grafik karakteristik sensor KE-50 setelah penguatan dengan gain 19 kali Hasil pengukuran kadar oksigen pada produksi biogas dapat dibaca melalui peraga LCD 16x2 karakter seperti telah ditunjukkan pada GAMBAR 13. Sensor KE- 50 yang dihubungkan dengan mikrokontroler dan hasil pembacaan pada LCD merupakan alat ukur kadar oksigen secara digital, di mana prosentasekadar oksigen dapat langsung dibaca. Namun demikian, untuk keperluan penyimpanan data hasil pengukuran, pemantauan pengukuran secara terus-menerus dan realtime tidak dapat dipenuhi sekedar oleh alat ukur kadar oksigen digital (O 2 meter digital), untuk keperluan ini maka sensor KE-50 harus diantarmuka dengan komputer pribadi atau laptop. Susunan alat akuisisi yang diantarmuka dengan laptop ditunjukkan pada GAMBAR 13. Sedangkan tampilan akuisisi data secara real time pada layar laptop ditunjukkan pada GAMBAR 14. E. CO 2 meter dengan Sensor TGS4160 Sensor TGS4160 adalah modul sensor yang dapat mendeteksi gas karbondioksida. [10] Keluaran dari TGS4160 (kaki 2) sudah dalam bentuk sinyal tegangan sehingga dapat langsung dihubungkan dengan rangkaian penguat yang mengaplikasikan IC OP-07 yang dikonfigurasi sebagai penguat tak membalik. Penguat tak membalik menguatkan polaritas sinyal tegangan masukan positif sebesar gain dari op-amp yang ditentukan oleh pemilihan resistor input (Rin) dan resistor umpan balik (Rf). Pada GAMBAR 15 tampak rangkaian catu daya, penguat tak membalik dan mikrokontroler dalam satu box rangkaian Rin sebesar 1 kω dan resistor feedback dipasang resistor variabel dengan nilai 100 kω. GAMBAR 15: Rangkaian catu daya, penguat tak membalik dan Atmega8535 GAMBAR 13: Antarmuka antara oksigenmeter dengan perangkat akuisisi (laptop) GAMBAR 16 adalah grafik karakteristik dari sensor TGS4160 dengan persamaan karakteristik V = 0, 3609n+14, 286mV, dengan V adalah tegangan dalam mv dan n adalah konsentrasi dalam ppm. Grafik karakteristik ini diperoleh dengan cara memberikan variasi

6 EN-81 konsentrasi CO 2 pada sensor dan mencatat tegangan yang proporsional dengan masukan konsentrasinya. GAMBAR 16: Grafik karakteristik sensor TGS4160 konsentrasi versus tegangan GAMBAR 18: Tampilan real time monitoring pada layar laptop/pc Kadar Metana dengan Sensor TGS2611 Data yang dihasilkan dapat dimonitor secara terus menerus setiap satu detik, pembacaan yang real time dan hasil pembacaan disimpan dalam ekstensi.txt. GAMBAR 18 adalah tampilan monitoring kadar CO 2 pada layar laptop. Program aplikasi ini dikembangkan dengan menggunakan bahasa pemrograman visual basic 6. GAMBAR 19: Grafik karakteristik sensor TGS2611, konsentrasi versus tegangan waktu cuplik setiap satu detik ditampilkan pada GAM- BAR 21. Program aplikasi ini dikembangkan dengan bahasa pemrograman visual basic 6. GAMBAR 17: Antarmuka dengan LCD dan laptop/pc Pada prinsipnya, sensor TGS2611 memerlukan catu tegangan, penguat dan sistem akuisisi yang hampir sama ketika merealisasikan O 2 meter dengan sensor KE- 50. [11] Hasil kalibrasi memberikan persamaan karakteristik seperti yang ditunjukkan pada GAMBAR 19, yaitu V = 0, 5059n + 1, 7154mV dengan V adalah tegangan dalam milivolt dan n adalah konsentrasi dalam ppm (part per milion). Tampilan CH 4 meter secara digital dapat diamati pada LCD 16 2 yang ditunjukkan pada GAMBAR 20. Sedangkan untuk monitoring secara real time, pencatatan otomatis dan pengukuran secara terus-menerus dengan GAMBAR 20: Tampilan kadar CH 4 pada LCD karakter 16 2 pada box rangkaian

7 EN Alat ukur yang telah direalisasikan adalah Digital Termometer dengan sensor LM35, Digital HTmeter dengan sensor SHT11, Digital Manometer dengan sensor MPX2100GP, Digital O 2 -meter dengan sensor KE-50, Ditial CO 2 -meter dengan sensor TGS4160 dan Digital CH 4 -meter dengan sensor TGS2611. Keenam alat ukur menampilkan hasil pembacaan parameternya pada LCD karakter 16 2 dan hasil pengukuran juga ditampilkan pada layar monitor PC/laptop dan dapat dimonitor secara real time, mencatat secara otomatis dan melakukan secara terus-menerus. 3. Dari hasil uji coba pada mini digester yang dikembangkan di Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi Program Studi Fisika FMIPA Unlam, keenam alat ukur telah menunjukkan performa yang sangat baik. GAMBAR 21: Tampilan program aplikasi untuk akuisisi data TGS2611 pada laptop IV. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulakan sebagai berikut: 1. Sensor SHT11 telah dapat bekerja dengan baik untuk mendeteksi perubahan temperatur dan kelembaban dalam ruang. Pengujian SHT11 dengan cara memberi perubahan kelembaban dari humiditifier dan perubahan temperatur berasal dari lampu halogen. Sensor MPX2100GP telah menunjukkan performa yang sangat baik mengukur tekanan dari aliran udara yang berasal dari tabung dengan jangkauan tekanan daro 1 sampai dengan 100 kpa. Persamaan karakteristik MPX2100GP adalah V = P volt. Sensor LM35 telah mampu mengukur perubahan temperatur dalam sebuah sistem uji dengan persamaan karakteristik sensor V = 0, 0101T volt. Sensor KE-50 sebagai pengindera kadar oksigen telah menunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik untuk KE-50 adalah V = n mv dengan jangkauan pengukuran dari 0 100% oksigen. Sensor TGS4160 sebagai pengindera kadar karbondioksida telah menunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik untuk TGS4160 adalah V = n mv dengan jangkauan pengukuran sampai dengan ppm. Sensor TGS2611 telah menunjukkan unjuk kerja yang sangat baik, dengan persamaan karakteristik sensor adalah V = n mv. DAFTAR PUSTAKA [1] Sullavan T, Embedded Control System for Biogas Digesters. A Dessertation Faculty of Engineering & Surveying University of Southern Queensland [2] Navickas K, Biogas for Farming, Energy Conversion and Environment Protection. Department of Agroenergetics Lithuanian University of Agriculture [3] Rogulska M, Kunikowski G, Biogas production in Polanddrivers and barriers. European Conference on Biomethane Fuel Gteborg, 8 September, 2009 [4] Sugriwan, I Perancangan Sistem Instrumentasi untuk Pengukuran Derajat Layu pada Pengolahan The Hitam. Tesis Program Magister Jurusan Fisika FMIPA ITS. Surabaya. [5] Ward et al, Software sensor monitoring and expert control of biogas production. [6] Sensirion, Datasheet SHT1x, Humidity and Temperature Sensor. Sensirion the Sensor Company. [online] available: [7] Data Sheet MPX2100 Series: 10 kpa On-Chip Temperatur Compensated and Calibrated Silicon Presure Sensor. Freescale Semiconductor Inc. [8] Data Sheet LM LM35/LM35A/LM35C/LM35CA/LM35D Precision Centigrade Temperature Sensors. National Semiconductor [9] Figaro Technical Information, Technical Information for GS Oxygen Sensor KE-Series. Figaro USA, inc. [10] Figaro Product Information, TGS for the detection of Carbon Dioxide. Figaro USA, inc. [11] Figaro Datasheet, TGS for the detection of Methane. Figaro USA, inc.