2. METODOLOGI/EKPERIMEN 1 Voltametri
2.2 Perangkat Perancangan dan Desain Instrumen Elektrokimia .1 Konstruksi Rangkaian
2.2.2 Komputer dan Penguat Sinyal
didalam rangkaian potensiostat ini berfungsi untuk memastikan perbedaan tegangan antara elektroda kerja terhadap elektroda pembanding sesuai dengan nilai scan tegangan yang telah diberikan. Sedangkan electrometer merupakan rangkaian voltage follower yang memiliki impedansi yang sangat tinggi, sehingga potensial elektroda pembanding cukup konstan karena tidak arus yang melewati elektroda pembanding.
Gambar 3. Rangkaian Potensiostat
Rangkaian current-to-voltage converter berfungsi mengkonversi sinyal arus yang timbul melalui elektroda kerja ini menjadi tegangan. Besarnya tegangan proporsional terhadap arus tergantung pada tegangan jatuh resistor (IR drop) [7,8,9]. Kapasitor pada rangkaian current-to-voltage converter berguna untuk menghilangkan noise frekuensi tinggi dari hasil pengukuran. Pada proses pengukuran, scan tegangan akan diberikan pada input control amplifier sedangkan output sensor yang akan diambil dari masing-masing keluaran elektrometer dan pengkonversi arus ke tegangan. Output elektrometer merupakan output scan tegangan yang dimonitor dan besarnya proporsional dengan potensial elektroda kerja, sedangkan output rangkaian current-to-voltage converter ini merupakan output tegangan yang besarnya proporsional dengan arus yang melalui elektroda kerja. Output tegangan dari current to voltage converter ini kemudian akan dikonversi kembali kedalam nilai arus yang sebenarnya melalui proses pengolahan data. Dari data-data diatas, masing-masing akan diplot menjadi kurva arus fungsi potensial yang disebut dengan grafik voltamogram [1,2].
2.2.2 Komputer dan Penguat Sinyal
Pada umumnya sinyal tegangan output yang dihasilkan dalam orde yang sangat kecil, yaitu dalam orde mikrovolt sampai milivolt. Untuk mendapatkan resolusi yang baik terhadap rangkaian digitalisisasi, maka sinyal harus dibuat sedemikian rupa sehingga lebar tegangannya semaksimal mungkin pada batas range tegangan ADC labjack U12 sebagai kartu akuisisi (DAQ) [10]. Dengan penguatan ini diharapkan, sinyal sensor elektrokimia yang masuk dapat terbaca dengan resolusi yang maksimal. Proses penguatan ini diatur secara otomatis oleh perangkat lunak yang telah dirancang. Besarnya penguatan tidak boleh melebihi batas range tegangan maksimal dari ADC. Tahap selanjutnya adalah pembuatan rangkaian penguat sinyal. Untuk penguatan sinyal, penelitian ini menggunakan penguat tipe inverting amplifier. Besarnya penguatan dapat diatur dengan mengkombinasikan nilai masing-masing resistor feedback dan resistor input. Dalam penelitian ini dibutuhkan tiga penguat inverting yang masing-masing memiliki penguatan -1x, -10x dan -100x. Nilai Rf dan Ri untuk masing-masing penguatan ini dapat dilihat pada tabel 1. Resistor R1//Rf merupakan resistor kompensasi eksternal yang digunakan untuk meminimalisasi input offset voltage, yang besarnya merupakan hasil pararel antara R1 dengan Rf [9]. Output dari masing-masing penguat ini akan masuk ke DAQ. Skematik rangkaian ini dapat dilihat pada gambar 4.
23 Gambar 4. Skematik rangkaian penguat dengan DAQ labjack U12
Dengan perangkat lunak yang dirancang, DAQ labjack hanya akan menerima output dari salah satu ketiga penguat, dengan output yang paling optimal. Pemilihan penerimaan output ini dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Pemilihan channel dan penguatan internal DAQ labjack berdasarkan batasan tegangan output potensiostat sistem tiga elektroda
Batas Tegangan Penguatan
Inverting
Penguatan Labjack
Penguatan Total
Channel
-10 mV sampai 10 mV 100 20 2000 11
-100 mV sampai 100 mV 10 20 200 10
-1,00 V sampai 1,00 V 1 20 20 9
-1,25 V sampai 1,25 V 1 16 16 9
-2,00 V sampai 2,00 V 1 10 10 9
-2,50 V sampai 2,50 V 1 8 8 9
-4,00 V sampai 4,00 V 1 5 5 9
-5,00 V sampai 5,00 V 1 4 4 9
-10,00 V sampai 10,00 V 1 2 2 9
-20,00 Vsampai 20,00 V 1 1 1 9
Fungsi DAQ yang digunakan dalam penelitian ini adalah fungsi AISample yang memanfaatkan fungsi analog input. Analog input DAQ terdiri dari 8 buah jalur ini akan digunakan untuk mengambil data setelah step tegangan diberikan ke sensor. Output yang diambil berupa scan tegangan dan tegangan yang proporsional terhadap arus dari elektroda kerja.
Gambar 5. DAQ labjack U12 dengan konektor USB
Pengukuran tegangan menggunakan konfigurasi metode diferensial. Dengan metode diferensial terdapat dua keuntungan yaitu, dapat mengukur besarnya perbedaan dua tegangan dan dapat menggunakan
Penguat -1 x Channel 2 & 3 (Channel 9)
Penguat -10 x
Penguat -100 x
DAQ Sensor
Channel 6 & 7 (Channel 11) Channel 4 & 5 (Channel 10) Channel 0 & 1 (Channel 8)
Potensiostat I-to-V Converter Voltage Follower Elektroda kerja
Elektroda pembanding
24
penguat internal Labjack. Dengan penguat DAQ internal labjack, maka resolusi DAQ makin besar. Resolusi ADC DAQ labjack U12 dtentukan dengan persamaan berikut
v n
Vfs 2
(1)Jika dengan penguatan 20x, maka range inputnya (∆fs) adalah 1 V (∆Vfs = 2V ; n= 12 bit). Maka dari persamaan diatas didapatkan 0,48mV, artinya analog input dengan metode differensial ini dapat digunakan untuk mengukur input dengan resolusi maksimal 0,48 mV untuk range 1 V. Besarnya penguatan programmable gain amplifier DAQ ini dikontrol dengan program. Nilai yang terbaca pada komputer telah dikonversikan ke nilai semula secara otomatis. Proses penentuan besarnya penguatan eksternal juga dirancang secara otomatis dengan rancangan program yang telah dibuat. Hal ini dilakukan dengan memanfaatkan channel labjack yang dipilih. Pengontrolan penguatan labjack tergantung pada nilai range output yang telah terdeteksi melalui program Prescan. Besarnya range tegangan maksimal yang dapat diterima DAQ yaitu 10 volt. Tegangan berlebih ini dapat membahayakan DAQ dan harus dicegah dengan pengkondisi sinyal yang telah dibuat. Untuk menghindarinya, dapat diatasi dengan membatasi power supply pada range 10 V sehingga rangkaian pengkondisi sinyal yang sebagian besar ini terdiri opamp ini hanya akan menghasilkan tegangan output tidak lebih besar dari 10V.
Perancangan dan pembuatan sistem perangkat lunak ini bertujuan untuk mengolah data yang masuk ke dalam komputer, melalui rangkaian interfacing DAQ labjack sehingga data yang masuk muncul dalam bentuk nilai arus dan tegangan. Kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik dan tabel. Tampilan grafik yang diperlihatkan makin mempermudah pengguna untuk analisis. Setelah dilakukan proses pengambilan data selanjutnya dikonversi, disimpan dan ditampilkan dalam bentuk grafik Pencatatan hasil pengukuran ini disimpan dalam database Microsoft Acces menggunakan ActiveX Data Object (ADO) yang juga dapat di transfer ke microsoft excel [11,12,13]. Program yang dibuat terdiri dari dua bagian, yaitu program prescan dan program utama. Program prescan merupakan program inisialisasi sebelum memasuki program utama.
Tujuannya untuk mendapatkan informasi yang cepat tentang lebar tegangan output sensor. Untuk selanjutnya informasi ini akan digunakan untuk menentukan besarnya penguatan yang diperlukan serta untuk mengetahui skala grafik yang akan ditampilkan. Alur program Prescan ini dapat dilihat pada gambar 6. Program Prescan tidak menyimpan seluruh data yang masuk, tetapi hanya data puncak atas dan puncak bawah yang akan disimpan. Tekniknya dilakukan dengan melakukan komparasi data yang pertama dan selanjutnya, sampai ditemukan nilai puncak atas dan bawah. Dari data ini akan diperoleh batas tegangan yang masuk. Sehingga optimalisasi input data dapat dilakukan, diantaranya adalah besarnya penguatan yang akan diberikan.
Tampilan perangkat lunak prescan ini dapat dilihat pada gambar 7. Para pengguna yang akan menggunakan Program voltametri siklik ini, pertama kali harus melalukan prescan. Setelah proses prescan ini selesai, maka pengguna akan melihat hasil prescan. Hasil prescan ini akan ditampikan textbox yang muncul pada form prescan. Data-data yang muncul tersebut diantaranya informasi mengenai gain (penguatan) yang akan diset labjack, channel yang akan digunakan labjack, serta tegangan puncak atas dan tegangan puncak bawah.
Setelah melakukan prescan ini maka pengguna harus melanjutkan ke program berikutnya, dengan menekan tombol ”lanjut >>>”.
25 Gambar 6. Algoritma Program Prescan Untuk Penentuan Gain, Channel serta skala grafik voltamogram
Ketika program utama ini berjalan, maka secara otomatis nilai penguatan dan channel hasil program prescan ini akan digunakan sehingga nilai tegangan yang masuk akan dikuatkan seoptimal mungkin.
Pemilihan nilai gain adalah untuk mengatur nilai penguatan dari programmable gain amplifier. Sedangkan pemilihan channel digunakan untuk memilih penguatan eksternal yang diperlukan, ketika membutuhkan tambahan penguatan. Setelah prescan selesai kemudian program utama akan berjalan untuk melakukan pengambilan data secara otomatis. Pengambilan data dilakukan langsung setelah tegangan diberikan kepada sensor. Data yang diambil adalah tegangan elektroda kerja relatif terhadap elektroda pembanding dan arus yang mengalir dari elektroda kerja. Seluruh pengambilan data kemudian akan dikonversikan ke nilai awal, sedangkan tegangan dari rangkaian output current to voltage converter akan dikonversikan kembali ke nilai arus mula-mula. Nilai untuk mengkonversi kembali diambil dari persamaan besarnya penguatan dan konversi arus. Persamaaan ini diperoleh dari hasil pengujian perbandingan ouput dan input dari rangkaian penguat dan current to voltage converter.
Gambar 7. Tampilan form perangkat lunak visual basic program Prescan
Masukkan data dari Labjack
Data<Data2 Data>Data1
Cek Stop Set Default
Variabel gain=0 dan Channel=9
Simpan data dalam database
Tampilkan data Tegangan Puncak atas Tegangan Puncak bawah
Gain yang dibutuhkan Channel yang digunakan Start
Data1=data V puncak atas=Data1
Data2=data V puncak
end Yes
Yes
Yes
No
No No
Set Variabel Gain & channel
26
Setelah proses konversi ini, data-data tersebut satu per satu akan dimpan dalam database microsoft acces menggunakan (ActiveX Data Object) ADO, yang kemudian akan dibaca kembali setelah hasil pengukuran telah selesai. Pembacaan kembali ini dilakukan untuk menggambar grafik kurva voltamogram.
Algoritma program utama pada pengambilan data tegangan dan arus ini dapat dilihat pada gambar 8. Hasil akhir yang didapat dari pengukuran ini kemudian akan ditampilkan pada form output. Dalam satu form ini terdapat dua tab input, yaitu tampilan grafik dan tampilan berupa tabel data. Tampilan grafik ini akan menampilkan grafik I vs V, yang disebut kurva voltamogram. Hasil komparasi tegangan untuk mencari tegangan puncak atas dan bawah ini kemudian ditampilkan dalam text box. Selain puncak arus pada garis vertikal juga ditampilkan tegangan puncak (tegangan dimana terdapat arus puncak atas dan bawah). Program juga dirancang untuk melakukan pengeditan kembali jika sekiranya nilai–nilai tersebut bukan yang diharapkan. Tampilan program utama ini dapat dilihat pada gambar 9. Pada tab output ini yaitu pada subtab berikutnya merupakan tampilan tabel data. Tabel data ini disediakan jika pengguna ingin mengetahui nilai-nilai data yang telah diambil secara lebih detail. Pada subtab ini telah disediakan fasilitas untuk mentransfer tabel data ini ke microsoft excel. Sehingga pengolahan lebih lanjut dapat dilakukan. Ketika pengguna ingin keluar dari program, maka secara otomatis program akan memberikan pesan apakah data akan dihapus atau tidak. Hal ini dilakukan agar data yang telah diambil tidak akan terbaca kembali untuk pengukuran selanjutnya.
Gambar 8. Algoritma Program Utama Pada Pengambilan Data Tegangan dan Arus
Gambar 9. Tampilan form perangkat lunak visual basic pada PC untuk hasil pengujian dalam bentuk kurva voltamogram dan tabel data.
Algoritma Program Prescan
Masukkan data dari Labjack Ambil Variabel Gain dan
Channel dari Program
Data<arus2 Data>Arus1
Cek Stop Set Variabel gain dan Channel labjack
Simpan data dalam database
Tampilkan data Epc, Epa, Ipc, Ipa
Tampilkan Grafik
Start Algoritma
konversi
arus1=data Ipa=arus1 Epa=tegangan alat
Arus2=data Ipa=arus2 Epa=tegangan alat
end Yes
Yes
Yes
No
No No
27
Perbandingan Kur va Voltam ogram Siklik Hasil Pengujian dengan IC OP97 dengan alat Kom ersial
-0,00008 -0,00006 -0,00004 -0,00002 0 0,00002 0,00004 0,00006 0,00008
-1,5 -1 -0,5 0 0,5
Tegangan (V)
Arus (A)
Dengan IC OP97 Dengan alat komersial