BAB II DASAR TEORI
B. Detektor Fotoakustik Berbasis Laser CO 2
Efek fotoakustik pada dasarnya merupakan konversi cahaya menjadi gelombang bunyi. Efek fotoakustik pertama kali ditemukan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880. Namun penemuan tersebut baru berkembang pada tahun 1968 setelah ditemukannya laser. Laser tersebut digunakan sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik.
Detektor fotoakustik memiliki kelebihan yaitu dapat digunakan untuk pengukuran secara real – time dengan selektivitas dan sensitivitas yang tinggi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
9
[Gondal, 1997]. Selain itu, detektor ini dapat mendeteksi lebih dari satu jenis molekul gas secara simultan. Karena kelebihannya, detektor fotoakustik berbasis laser dapat digunakan sebagai alat pendeteksi keberadaan berbagai jenis molekul gas.
Laser CO2 dan sel fotoakustik merupakan komponen penting detektor fotoakustik berbasis laser CO2.
a. Laser CO2
Laser merupakan kependekan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser memiliki range panjang gelombang yang lebar mulai dari spektrum infra merah sampai ultra ungu. Laser memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sumber cahaya yang lain, yaitu: memiliki intensitas yang tinggi, bersifat monokromatis, memiliki berkas yang terarah dan tidak menyebar, serta dapat ditala. Oleh karena itu, laser digunakan sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik.
Laser terdiri dari beberapa jenis, yaitu: laser gas, laser zat padat, dan laser zat cair. Laser CO2 merupakan salah satu contoh laser gas [Laud, 1988]. Laser CO2 pertama kali ditemukan oleh Patel pada tahun 1964. Laser CO2 dapat bekerja pada daerah panjang gelombang 9µm - 11µm. Etilen merupakan salah satu gas yang memiliki koefisien serapan yang sangat tinggi di daerah operasi laser CO2 [Santosa, 2008]. Oleh karena itu, laser CO2 dapat digunakan untuk mendeteksi keberadaan etilen.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
10
b. Sel Fotoakustik
Bagian terpenting dari detektor fotoakustik adalah sel fotoakustik. Sel fotoakustik merupakan tempat sampel gas berada. Sel fotoakustik berfungsi sebagai tempat konversi cahaya menjadi gelombang bunyi. Di dalam sel fotoakustik akan terjadi penyerapan tenaga laser oleh gas yang terdapat di dalamnya. Sel fotoakustik terdiri dari resonator dan mikrofon.
Komponen penting dalam detektor fotoakustik tampak dalam Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Komponen penting dalam detektor fotoakustik
Jika laser ditala pada frekuensi transisi dari molekul yang berada di dalam sel fotoakustik, maka molekul dengan tingkat energi E0 akan dieksitasi ke tingkat tenaga yang lebih tinggi E1.Selanjutnya, molekul – molekul dengan tingkat tenaga E1 akan melakukan proses deeksitasi dengan melepaskan tenaga eksitasinya. Pada saat proses deeksitasi, molekul melepaskan tenaga eksitasinya secara non radiasi. Molekul tersebut akan menumbuk molekul lainnya. Kemudian molekul tersebut akan mentransfer tenaga eksitasinya menjadi tenaga translasi molekul yang ditumbuknya. Adanya transfer tenaga eksitasi molekul menjadi tenaga translasi
laser
resonator mikrofon
gas
sel fotoakustik
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
11
molekul yang ditumbuk menyebabkan terjadinya kenaikan tenaga translasi molekul yang ditumbuk. Kenaikan tenaga translasi dari molekul yang ditumbuk menyebabkan terjadinya kenaikan suhu dan tekanan. Jika berkas laser dimodulasi menggunakan chopper, tekanan di dalam sel fotoakustik akan berubah secara periodik. Perubahan tekanan secara periodik ini akan menimbulkan bunyi. Bunyi ini kemudian diukur dengan menggunakan mikrofon. Keluaran dari mikrofon merupakan sinyal akustik yang akan diperkuat menggunakan lock – in amplifier. Daya laser akan diukur menggunakan powermeter. Selanjutnya sinyal akustik dan daya laser diolah menggunakan komputer [Santosa, 2008].
Keluaran dari mikrofon merupakan sinyal akustik. Keluaran dari mikrofon dipengaruhi oleh oleh daya laser, koefisien serapan, konsentrasi gas dan konstanta sel fotoakustiknya. Jika di dalam sel fotoakustik hanya terdapat satu macam gas “g”, maka hubungan antara keluaran mikrofon, daya laser, koefisien serapan, konsentrasi gas dan konstanta sel fotoakustiknya dapat dinyatakan dalam persamaan 2.4 [Santosa, 2008]:
��=�������� (2.4)
dengan : �� = sinyal akustik pada garis laser “l” [Volt (V)]
� = konstanta sel fotoakustik ������
�� = daya laser pada garis laser “l” [Watt (W)]
�� = konsentrasi gas “g” dalam sel fotoakustik [ppb]
��� = koefisien serapan gas “g” pada garis laser “l” [cm-1]
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
12
Jika nilai sinyal dibandingkan dengan nilai daya, maka akan diperoleh nilai sinyal ternormalisir ����. Sinyal ternormalisir menyatakan besarnya sinyal yang dihasilkan pada daya sebesar 1 W. Besarnya nilai sinyal ternormalisir mengikuti persamaan 2.5:
����
�=������ (2.5)
Persamaan 2.4 dan 2.5 berlaku untuk satu nilai panjang gelombang laser. Dalam praktek, untuk menghindari gangguan serapan dari molekul lain, perlu dilakukan pengukuran pada beberapa panjang gelombang laser [Santosa, 2008].
Salah satu kelebihan detektor fotoakustik adalah dapat mendeteksi keberadaan berbagai jenis molekul gas secara simultan. Dengan demikian, dalam suatu pengukuran dapat terukur lebih dari satu molekul gas. Sebagai contoh, pada sel fotoakustik terdapat dua molekul gas yaitu gas A dan gas B. Kedua molekul gas tersebut menyerap radiasi laser pada garis laser l=1. Sinyal yang dihasilkan sebesar Sl=1, sedangkan daya yang diserap sebesar Pl=1. Masing – masing molekul gas tersebut memiliki konsentrasi sebesar �� dan ��. Koefisien serapan masing – masing molekul gas pada garis laser l=1 adalah ��1 dan ��1. Jika besarnya konstanta sel fotoakustik adalah �, maka sinyal ternormalisir yang dihasilkan kedua molekul gas tersebut dinyatakan oleh persamaan 2.6:
��
���=1=�(����1+����1) (2.6)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
13
Karena molekul yang terukur terdiri dari dua jenis maka untuk mengetahui besarnya konsentrasi kedua molekul tersebut diperlukan dua buah persamaan sinyal ternormalisir dengan dua buah variabel, yaitu �� dan ��. Oleh karena itu, pengukuran sinyal ternormalisir dilakukan pula pada garis laser l=2. Sinyal ternormalisir yang dihasilkan oleh gas A dan gas B pada garis laser l=2 dinyatakan oleh persamaan 2.7:
��
���=2=�(����2+����2) (2.7)
dengan : S = sinyal akustik [Volt (V)] P = daya laser [Watt (W)]
l = posisi garis laser
C = konstanta sel fotoakustik ������
CA = konsentrasi gas A [ppb]
CB = konsentrasi gas B [ppb]
αA1= koefisien serapan gas A pada l = 1 [cm-1]
αA2= koefisien serapan gas A pada l = 2 [cm-1]
αB1= koefisien serapan gas B pada l = 1 [cm-1]
αB2= koefisien serapan gas B pada l = 2 [cm-1]
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
14
Dengan menyelesaikan persamaan 2.6 dan 2.7 dapat diperoleh nilai �� dan
��. Persamaan 2.6 dan 2.7 tersebut diselesaikan menggunakan metode eliminasi.
C. CO2 dan H2O sebagai Pengganggu Pengukuran
Pengukuran yang ideal dan sempurna akan memberikan output yang berasal dari sampel. Namun, dalam prakteknya keadaan seperti itu sulit untuk dicapai. Selain sampel, seringkali terdapat pengganggu yang ikut terukur. Pengganggu dapat mempengaruhi dan mengubah hasil pengukuran. Oleh karena itu, pengganggu harus dikurangi bahkan jika bisa dieliminasi. Sumber pengganggu berasal dari analit, komponen lain dari sampel, dan dari instrumen yang digunakan saat pengukuran [Willard et.al, 1988].
Laser CO2 yang merupakan sumber cahaya pada detektor fotoakustik dapat bekerja pada range panjang gelombang 9µm - 11µm. Selain gas etilen, masih terdapat berbagai jenis molekul gas lain yang memiliki koefisien serapan yang tinggi pada daerah kerja laser CO2. Gas tersebutadalah CO2 dan H2O.
CO2 dan H2O dapat menyerap radiasi laser CO2 pada posisi garis laser CO2 tertentu [Rooth et.al, 1990]. Semakin besar konsentrasi CO2 dan H2O maka radiasi laser CO2 semakin banyak yang terserap sehingga daya laser pun bisa habis terserap. CO2 juga dapat mempengaruhi beda fase dan amplitudo sinyal akustik [Rooth et.al, 1990]. Dengan demikian, CO2 dan H2O merupakan pengganggu dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Supaya diperoleh output berupa sinyal dari gas etilen, pengganggu berupa CO2 dan H2O perlu dieliminasi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
15
D. Metode Eliminasi CO2 dan H2O yang menjadi Pengganggu Pengukuran Eliminasi terhadap pengganggu penting untuk dilakukan supaya diperoleh hasil pengukuran yang akurat. Eliminasi terhadap pengganggu dapat dilakukan menggunakan metode penapisan/filter. Dalam metode ini, pengganggu dieliminasi dengan cara ditapis atau disaring sehingga pengganggu tidak memberikan output [Doebelin, 1976].
CO2 dan H2O yang menjadi pengganggu dalam pengukuran ditapis menggunakan KOH dan CaCl2 [Santosa, 2002]. KOH mampu menyerap CO2, sedangkan CaCl2 mampu menyerap H2O. Dengan diserapnya CO2 dan H2O tersebut menyebabkan keberadaan CO2 dan H2O semakin kecil. Dengan demikian pengaruh CO2 dan H2O terhadap pengukuran konsentrasi gas etilen pun semakin kecil.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
16 BAB III
EKSPERIMEN