TE 091399 IMPLEMENTASI SENSOR KAPASITIF DALAM SISTEM KONTROL KADAR ETANOL Peter Chondro 2210100136 Dosen Pembimbing: Dr. M. Rivai, ST., MT. Suwito, ST., MT. Bidang Studi Elektronika Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Surabaya 2014
Outline PENDAHULUAN DASAR TEORI PERANCANGAN ALAT PENGUJIAN ALAT KESIMPULAN
PENDAHULUAN
Latar Belakang Etanol merupakan elemen esensial dalam bidang medis, farmasi dan industri bahan bakar. Etanol dimanfaatkan berdasarkan kadarnya. Etanol akan menguap diatas suhu flash point setiap kadarnya. SISTEM KONTROL KADAR ETANOL
Perumusan Masalah Bagaimana bentuk rancangan sensor kapasitif yang dapat digunakan untuk mengukur kadar etanol. Bagaimana bentuk rancangan sistem dengan kapabilitas kontrol kadar etanol. Bagaimana bentuk rancangan algortima kontroler PID digital dalam ATmega16 sesuai dengan respon plant. Bagaimana pengaruh TDS aquades dalam sensor kapasitif. Bagaimana pengaruh ph larutan etanol dalam sensor kapasitif.
Tujuan Penelitian Mendapatkan rancangan sensor kapasitif yang mampu mengidentifikasi etanol dengan kadar 0%- 90%. Terciptanya sebuah prototip sistem kontrol yang mampu mengatur kadar etanol dalam larutan dengan kadar 0%-50%. Tersematnya kontrol PID pada sistem melalui kedua pompa persitaltik sebagai aktuator sistem.
Batasan Masalah Karakterisasi sensor untuk rentang kadar etanol 0%- 90% dengan resolusi sebesar 10%. Pembanding data karakterisasi sensor memanfaatkan hidrometer alkohol analog. Etanol 96% menggunakan tipe non food grade. Pelarut etanol menggunakan air suling (aquades).
DASAR TEORI
Etanol Ion Metilen Ion Hidroksil Ion Metil
Etanol Karakteristik Fisis dan Kimia Etanol 96% σ = 1,35x10-9 S/cm ε r = 24,3 (ε o = 8,85x10-12 F/m) ph 6,5 memiliki ujung polar dan non-polar larut dalam air (tidak bereaksi) - eksotermik mudah menguap
Etanol Flash Point Etanol Konsentrasi Etanol Suhu 10% 49 o C 20% 36 o C 30% 29 o C 40% 26 o C 50% 24 o C 60% 22 o C 70% 21 o C 80% 20 o C 90% 17 o C 96% 16 o C
Hidrometer Kadar Hidrometer etanolbekerja dapat diukur memanfaatkan menggunakan prinsip hidrometer gravitasi
Medium Dielektrik Material Konstanta Dielektrik Konduktivitas (S/cm) Vakum 1 10-15 Udara Kering 1,00059 8x10-15 Minyak Tanah 1,8 4x10-12 Kertas 3,6 6,4x10-11 Etanol 96% 24,3 1,35x10-9 Air 80,4 4x10-8
Sensor Kapasitif
Osilator
Kontrol PID Terdiri atas komponen proporsional, integral dan derivatif. Setiap komponen kontrol memiliki pengaruh yang berbeda.
Proporsional Menambah atau mengurangi kestabilan. Dapat memperbaiki respon transien khusus : rise time, settling time. Mengurangi (bukan menghilangkan) error steady state.
Integratif Menghilangkan error steady state Respon lebih lambat dibandingkan dengan respon proportional. Dapat menambah ketidakstabilan karena menambah orde sistem.
Derivatif Memberikan efek redaman pada sistem yang berosilasi sehingga diperlukan pemberian nilai Kp yang lebih besar. Memperbaiki respon transien, karena memberikan aksi saat terjadi perubahan error.
Tuning PID Untuk menentukan konstanta P, I dan D dari kontrol PID berdasarkan respon plant. Ziegler Nichols 1 merupakan metode tuning berdasarkan respon step dari plant.
Tuning PID Respon Plant Waktu
Tuning PID
PERANCANGAN ALAT
Diagram Blok Sistem
Diagram Blok PID
Diagram Blok Sistem
PERANCANGAN SENSOR
Perancangan Sensor Desain 11,5 mm 2,5 mm 80 mm
Perancangan Sensor Pembahasan Desain (1) Sensor berjenis kapasitif karena etanol termasuk sebagai bahan dielektrik. Material Konstanta Dielektrik Konduktivitas (S/cm) Vakum 1 10-15 Udara Kering 1,00059 8x10-15 Minyak Tanah 1,8 4x10-12 Kertas 3,6 6,4x10-11 Etanol 96% 24,3 1,35x10-9 Air 80,4 4x10-8
Perancangan Sensor Pembahasan Desain (2) Rongga sensor dirancang relatif besar untuk mencegah aliran listrik akibat reaksi ionisasi. CH 3 CH 2 OH + H 2 O CH 3 CH 2 O - + H 3 O +
Perancangan Sensor Pembahasan Desain (3) Sensor berbahan aluminium karena: Tidak mudah teroksidasi σ = 3,5x10 7 S/m Tidak bereaksi dengan etanol Paramagnetik 2Al + 3H 2 O Al 2 O 3 + 3H 2
Pengujian Sensor Sampel Air Mineral Aquase Sampel Percobaan Ke- Kapasitansi Terukur LCR meter(nf) Rerata Kapasitansi Terukur (nf) 1 57,56 2 58,29 Sampel 1 3 58,16 58,112 4 58,21 5 58,34 1 55,56 2 56,43 Sampel 2 3 56,44 56,086 4 56,17 5 55,83 1 57,32 2 56,67 Sampel 3 3 56,72 57,054 4 57,16 5 57,40 1 58,48 2 59,14 Sampel 4 3 59,21 58,974 4 58,66 5 59,38 1 58,63 2 58,32 Sampel 5 3 58,45 58,216 4 57,98 5 57,70 Rerata Kapasitansi Percobaan (nf) 57,684
Pengujian Sensor Sampel Air Mineral Flow Sampel Percobaan Ke- Kapasitansi Terukur LCR meter(nf) Rerata Kapasitansi Terukur(nF) 1 67,01 2 66,77 Sampel 1 3 66,76 66,714 4 66,49 5 66,54 1 65,06 2 65,50 Sampel 2 3 65,33 65,284 4 65,21 5 65,32 1 66,25 2 66,20 Sampel 3 3 65,84 66,024 4 66,11 5 65,72 1 65,64 2 65,66 Sampel 4 3 66,13 65,926 4 66,11 5 66,09 1 66,22 2 65,87 Sampel 5 3 65,86 65,956 4 66,04 5 65,79 Rerata Kapasitansi Percobaan (nf) 65,981
Pengujian Sensor Sampel Aquades Sampel Percobaan Ke- Kapasitansi Terukur LCR meter(nf) Rerata Kapasitansi Terukur(nF) 1 3,221 2 3,221 Sampel 1 3 3,186 3,204 4 3,200 5 3,194 1 2,334 2 2,355 Sampel 2 3 2,419 2,458 4 2,602 5 2,580 1 2,340 2 2,334 Sampel 3 3 2,253 2,249 4 2,111 5 2,205 1 2,437 2 2,333 Sampel 4 3 2,330 2,375 4 2,422 5 2,355 1 2,420 2 2,422 Sampel 5 3 2,370 2,400 4 2,411 5 2,377 Rerata Kapasitansi Percobaan (nf) 2,537
Pengujian Sensor Sampel Aquades Analisis Data Sensor Material Konstanta Dielektrik Etanol 96% 24,3 Air 80,4
Pengujian Sensor Sampel Etanol 96% Sampel Sampel 1 Kapasitansi Terukur LCR Sampel Kemeter (nf) 1 0,730 2 0,692 3 0,681 4 0,688 5 0,690 Rerata Kapasitansi Terukur (nf) 0,696
Pengujian Sensor Sampel Etanol 96% Analisis Data Sensor Material Konstanta Dielektrik Etanol 96% 24,3 Air 80,4
Diagram Blok Sistem
PERANCANGAN OSILATOR
Perancangan Osilator Skematik Rangkaian
Perancangan Osilator Pembahasan Rangkaian Rancangan osilator mengeluarkan gelombang kotak (kompatibel dengan mikrokontroler)
Perancangan Osilator Pembahasan Rangkaian Rancangan osilator mampu menghasilkan gelombang dengan frekuensi dibawah rating (500kHz) Udara memiliki ε r terendah (ε r = 1) Kapasitansi kabel terukur (LCR meter) = 0,078nF Kapasitansi kompensasi = 3,3nF
Pengujian Osilator No. Sampel Frekuensi Terukur Osiloskop (Hz) 1 Udara 2 Aquades 1 3 Aquades 2 458701 459224 459174 458855 459230 113777 114101 114340 113800 113980 86400 85992 86501 86388 86240
Diagram Blok Sistem
PERANCANGAN DRIVER POMPA
Perancangan Driver Pompa Skematik Rangkaian
Pengujian Driver Pompa Pengujian 160 140 120 100 80 60 9V 12V 40 20 0 1.96 5.88 9.80 13.73 17.65 21.57 25.49 29.41 33.33 37.25 41.18 45.10 49.02 52.94 56.86 60.78 64.71 68.63 72.55 76.47 80.39 84.31 88.24 92.16 96.08 100.00
Pengujian Driver Pompa Pengujian 120 100 80 60 9V 12V 40 20 0 1.96 5.88 9.80 13.73 17.65 21.57 25.49 29.41 33.33 37.25 41.18 45.10 49.02 52.94 56.86 60.78 64.71 68.63 72.55 76.47 80.39 84.31 88.24 92.16 96.08 100.00
Diagram Blok Sistem
PERANCANGAN SISTEM MIKROKONTROLER
Perancangan Sistem Mikrokontroler Skematik Rangkaian
PERANCANGAN SOFTWARE
Diagram Blok Program Mikrokontroler Diagram Blok
Diagram Blok Sistem
Algortima Pencacah Frekuensi Diagram Blok
Algortima Pencacah Frekuensi Pengujian (1) No Duty Cycle Tes (%) Frekuensi Tes (Hz) Nilai Bacaan Frekuensi (Hz) Galat (Hz) 1 30 2 50 3 70 101,38 101 0,38 1059,6 1060 0,4 13527 13527 0 105890 105890 0 789000 789000 0 101,38 102 0,62 1059,6 1060 0,4 13527 13527 0 105890 105890 0 789000 789000 0 101,38 102 0,62 1059,6 1061 1,4 13527 13526 1 105890 105887 3 789000 789998 2
Algortima Pencacah Frekuensi Pengujian (2) No. Sampel Frekuensi Terukur Osiloskop (Hz) Frekuensi Terukur ATmega16 (Hz) Galat (Hz) 1 Udara 2 Aquades 1 3 Aquades 2 458701 458702 1 459224 459225 1 459174 459175 1 458855 458856 1 459230 459230 0 113777 113778 1 114101 114102 1 114340 113340 0 113800 113800 0 113980 113980 0 86400 86400 0 85992 85992 0 86501 86500 1 86388 86389 1 86240 86240 0
Diagram Blok Sistem
Algortima f to %Etanol Dilakukan karakterisasi sensor terhadap pelbagai konsentrasi etanol dalam aquades Jenis Sampel f Osilator (khz) Jenis Sampel f Osilator (khz) Aquades 135,600 50% Etanol 174,205 10% Etanol 142,501 60% Etanol 181,003 20% Etanol 149,587 70% Etanol 188,777 30% Etanol 158,307 80% Etanol 195,164 40% Etanol 166,259 90% Etanol 205,618
Algortima f to %Etanol Kadar Etanol (%) Frekuensi Osilator (Hz)
Algortima f to %Etanol Hasil Konversi Kadar Etanol (%Etanol) Hasil Pencacahan Frekuensi setelah Kompensasi TDS Pelarut
Pengaruh TDS Terhadap Sensor Kapasitif Dilakukan percobaan pengukuran frekuensi osilator menggunakan sampel aquades dan aquabides dengan pelbagai nilai TDS. No TDS (ppm) Frekuensi (khz) 1 0,42 134,615 ΔTDS (ppm) Δf (khz) 2 0,49 133,705 0,07-0,910 3 0,59 132,336 0,10-1.369 4 0,70 131,039 0,11-1,297 5 0,71 130,879 0,01-0,660 6 0,81 129,658 0,10-1,221 7 0,90 128,137 0,09-1,121 8 2,45 108,421 1,55-19,716 9 2,51 107,583 0,06-0,838 10 2,55 107,081 0,04-0,502 11 3,15 106,247 0,06-0,834 12 5,13 81,437 1,98-24,810 13 5,14 81,283 0,01-0,154 14 5,15 81,123 0,01-0,160 15 5,15 81,117 0-0,006
Pengaruh TDS Terhadap Sensor Kapasitif Dilakukan percobaan pengukuran frekuensi osilator menggunakan sampel larutan etanol dengan pelbagai kadar. Jenis Sampel TDS Larutan (ppm) Aquades 0,4 10% Etanol 0,4 20% Etanol 0,4 30% Etanol 0,4 40% Etanol 0,42 50% Etanol 0,42 60% Etanol 0,42 70% Etanol 0,43 80% Etanol 0,43 90% Etanol 0,43
Pengaruh TDS Terhadap Sensor Kapasitif Dilakukan percobaan pengukuran frekuensi osilator menggunakan sampel larutan etanol dengan pelbagai kadar.
Diagram Blok Sistem
KONTROLER PID
Algortima Kontroler PID Diagram Blok
Tuning PID Tuning konstanta PID dilakukan dengan menggunakan metode ziegler nichols 1 dengan dua jenis respon 0%Et-10%Et dan 20%Et- 10%Et
Tuning PID 0%Et-10%Et GRAFIK RESPON PLANT Kadar Etanol (%Et) Respon Step Respon Plant Garis Singgung Inflection Point Garis Bantu Waktu (s) Jenis Kontroler K p K i K d P 6,182 0 0 PID 7,418 0,455 0,550
Tuning PID 20%Et-10%Et GRAFIK RESPON PLANT Kadar Etanol (%Et) Respon Step Respon Plant Garis Singgung Inflection Point Garis Bantu Waktu (s) Jenis Kontroler K p K i K d P 4,689 0 0 PID 5,628 0,172 1,450
Tuning PID Pengujian Kadar Etanol (%) Kadar Etanol (%) Waktu (s) Waktu (s)
PENGUJIAN ALAT
Pengujian Alat Sampel Aquades Kondisi* Tidak Diaduk Sebelum Pencampuran Etanol Diaduk Sebelum Pencampuran Etanol Tidak Diaduk Setelah Pencampuran Etanol** Diaduk Setelah Pencampuran Etanol** Konsentrasi Terukur Sistem (%) Konsentrasi Terukur Hidrometer (%) Replikasi ke- Replikasi ke- I II III IV I II III IV 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,07 0,24 0 0 0 0
Pengujian Alat Uji Kontrol Normal Set point (%) 10 20 30 40 Konsentrasi Terukur Rise Time Settling Error (%) Hidrometer (%) (s) Time (s) 10 0 38 67 10 0 35 62 10 0 37 65 20 0 71 137 20 0 75 141 20 0 68 133 30 0 126 238 29 3,33 113 221 30 0 132 240 40 0 178 421 40 0 181 422 42 5 194 439
Pengujian Alat Uji Kontrol dengan Perubahan Set Point Set point (%) Konsentrasi Terukur Settling Time Error (%) Rise Time (s) Hidrometer(%) (s) 10 9 10 24 45 20 18 10 41,5 59 30 28 6,67 42 72 40 37,5 6,25 66 109 50 47 6 104 135 10 10 0 36 62 20 20 0 41 59 30 28 6,67 49,5 76 40 38 5 69 115 50 47 6 112 143 10 10 0 36 60 20 20 0 45 59 30 29,5 1,67 48 71 40 38 5 67 112 50 48 4 108 136
Pengujian Alat Uji Kontrol dengan Gangguan Gangguan Konsentrasi Terukur (%) Error (%) 50 ml Aquades 9 10 150 ml Aquades 10 0 300 ml Aquades 10 0
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan Sensor kapasitif yang telah dirancang dapat menghasilkan nilai kapasitansi yang berbeda untuk sampel larutan yang berbeda sebagai fungsi konstanta dielektrik relatif (ε r ). Peningkatan nilai TDS (total dissolved substance) aquades sebagai pelarut menyebabkan penurunan frekuensi osilator sensor sebesar 1200Hz pada ΔTDS sebesar 0,1ppm. Penambahan etanol 96%pada aquades tidak menaikkan TDS larutan secara signifikan karena tidak terjadi penambahan mineral atau senyawa logam.
Kesimpulan Algoritma pencacah frekuensi yang dirancang mampu mendeteksi perubahan frekuensi sebesar 1Hz dengan error maksimum 0,6%. Konstanta PID berdasarkan Ziegler Nichols 1 untuk pompa etanol adalah 7,4(K p ), 0,45(K i ) dan 0,55(K d ); untuk pompa aquades adalah 5,63(K p ), 0,17(K i ) dan 1,45(K d ). Sistem kontrol yang dirancang mampu menghasilkan dan menjaga konsentrasi larutan etanol dengan error hingga 10% pada tingkat konsentrasi uji 0%-50%.
Saran Penggunaan Gas Chromatography sebagai penyedia data karakterisasi sensor terhadap pelbagai kadar etanol diluar penggunaan hidrometer. Penggunaan motor pengaduk dengan kecepatan putar yang lebih tinggi untuk mempercepat homogenisasi larutan.
Dokumentasi Pembuatan Etanol 10%.MOV Pengujian Sistem Kontrol Kadar.MOV Pembandingan Data.MOV
TE 091399 TERIMA KASIH
Pengujian Alat Pengaruh ph Set point (%) Konsentrasi Terukur (%) Error (%) ph [H + ] Konduktivitas (us) 10 20 30 40 10 0 6,96 10-6,96 3,472 10 0 6,96 10-6,96 3,484 9 10 6,89 10-6,89 3,484 20 0 6,91 10-6,93 3,355 21 5 6,95 10-6,95 3,333 20 0 6,9 10-6,90 3,367 30 0 6,87 10-6,87 3,164 30 0 6,88 10-6,88 3,164 30 0 6,86 10-6,86 3,164 40 0 6,65 10-6,65 2,777 41 5 6,72 10-6,72 2,762 40 0 6,63 10-6,63 2,777