PENGEMBANGAN SISTEM SENSOR UNTUK MENGUKUR
PARAMETER GAS PADA PRODUKSI BIOGAS
Iwan Sugriwan1∗, Ahmad Jauhari Fuadi1, Slamet Riadi1, Rahmadiansyah1, danAbubakar Tuhuloula2 1Program Studi Fisika FMIPA Universitas Lambung Mangkurat Banjarbaru
Jl. Ahmad Yani KM 36, Banjarbaru 70714
2Program Studi Teknik Kimia FT Universitas Lambung Mangkurat Banjarbaru ∗
e-Mail: iwan unlam@yahoo.com Disajikan 29-30 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 temper-atur dengan SHT11 dan sensor tempertemper-atur dengan LM35 telah dilakukan pada tahap 1. Pada tahap 2, telah dikembangkan alat pengukur kadar oksigen (O2) dengan sensor KE50, pengukur kadar karbondioksida (CO2) 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 O2, CO2dan CH4yang dihasil-kan oleh mini digester biogas. Kadar gas di ukur dengan menggunadihasil-kan 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 adalahV = 0.0498P −0.0816volt. Sensor LM35 telah mampu mengukur perubahan temperatur dalam sebuah sistem uji dengan persamaan karakteristik sensorV = 0,0101T + 0.0004volt. Sensor KE-50 sebagai pengindera kadar oksigen telah menunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik untuk KE-50 adalahV = 50.419n−14.682mV dengan jangkauan pengukuran dari 0∼100% oksigen. Sensor TGS4160 sebagai pengindera kadar karbondioksida telah menunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik untuk TGS4160 adalahV = 0.3609n+ 14.286mV dengan jangkauan pengukuran sampai dengan 45000 ppm. Sensor TGS2611 telah menunjukkan unjuk kerja yang sangat baik, dengan persamaan karakteristik sensor adalahV = 0.5059n+ 1.7154mV. 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 (CH4) dan karbon dioksida (CO2), disamping itu biogas
juga mempunyai kandungan lain yang jumlahnya kecil diantaranya hidrogen (H2), hidrogen sulfida (H2S) dan
ammonia (NH3).[1]Digesti anaerob adalah sebuah
reak-tor yang dihubungkan dengan metode dalam produksi
gas metana pada produksi biogas. Hasil yang diperoleh tergantung pada banyaknya variabel termasuk karak-teristik limbah, kandungan air, temperatur, pH, keterse-diaan 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-nian, pulp/ kertas, kimia, petrokimia, farmasi dan lain-lain.[3]
Implementasi penggunaan biogas sebagai salah satu solusi krisis energi masih menyisakan masalah karena gas yang dihasilkan dari produksi biogas dengan tek-nologi digesti anaerob kurang efisien sehingga perlu adanya teknologi terobosan untuk meningkatkan efi-siensi dan volume gas yang dihasilkan. Salah satu upaya untuk mengetahui ketidakefisiensian pada se-tiap tahapan proses dapat dilakukan dengan monito-ring pada setiap tahap produksi biogas yaitu saat ba-han 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, sen-sor kelembaban dan temperatur serta sensen-sor tekanan. Pada penelitian ini, dirancang dan dibuat suatu per-alatan yang dapat digunakan untuk mengukur konsen-trasi gas metana (CH4), gas karbondioksida (CO2), gas
oksigen (O2), suhu, tekanan dan kelembaban udara.
II.
METODOLOGI
Monitoring parameter gas pada produksi biogas dalam digester anaerob serta mengembangkan sistem sensor yang digunakan dalam pengukuran memer-lukan tahapan proses perencanaan dan implementasi sistem instrumentasi.[4]Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah menyiapkan peralatan dan ba-han penelitian, perancangan dan pembuatan perang-kat keras serta perangperang-kat lunak dan implementasi sis-tem instrumen pada mini digester skala lab dan di kebun percobaan peternakan Fakultas Pertanian Un-lam di Pelaihari Banjarmasin. Perangkat keras yang telah dibuat adalah rangkaian catu daya untuk sen-sor 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 non-inverting mengaplikasikan IC OP-07. Blok mikrokon-troler 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 am-bil data dari sensor LM35, MPX2100GP, SHT11, KE-50, TGS4160 dan TGS2611. Langkah berikutnya adalah membangun program konversi tegangan sensor
ana-log menjadi digital untuk ketiga sensor supaya men-jadi sebuah sistem pengukuran. Untuk proses an-tarmuka, program yang telah dibuat adalah program menampilkan data pada peraga display LCD 16×2, dan program antarmuka dengan komputer pribadi de-ngan 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 diimplemen-tasikan pada instalasi biogas baik skala lab dan digester skala kecil.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. RHTmeter dengan SHT11HT11 terdiri dari blok-blok rangkaian elektronis yang membentuk suatu sistem sehingga menjadi se-buah alat ukur terdiri dari rangkaian catu daya, kaskade antara SHT11 dengan port mikrokontroler AT-Mega8535, antarmuka modul mikrokontroler dengan LCD karakter, antarmuka mikrokontroler dengan kom-puter pribadi melalui port serial RS-232 dan antarmuka mikrokontroler dengan laptop melalui USB.[5] Real-isasi alat ukur kelembaban dan temperatur ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah ini:
GAMBAR1: 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 GAMBAR2. Dengan program
antar-muka ini, pembacaan hasil pengukuran dengan alat ukur kelembaban dan temperatur secara portable.[6]
Mekanisme pengujian ditunjukkan padaGAMBAR3,
sedangkan grafik yang berpadanan ditunjukkan pada GAMBAR4 untuk temperatur dan GAMBAR5 untuk kelembaban. Dari grafik pada GAMBAR4 dan GAM
-BAR5 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 (Vccs) sebesar 12 V. MPX2100GP mempunyai 4 kaki, yaitu kaki 1 dan 3
GAMBAR2: Tampilan hasil pengukuran pada PC/laptop
GAMBAR3:Pengamatan suhu dan kelembaban yang disemprotkan uap air
GAMBAR4: Pengamatan suhu yang diberi uap air pada SHT11
berfungsi sebagai ground (GND) dan Vccs, kaki 2 seba-gai tegangan keluaran positif (V+) dan kaki 4 sebagai
tegangan keluaran negatif (V−).[7]
Rangkaian sensor yang telah dihubungkan ke pen-guat instrumentasi ditunjukkan olehGAMBAR6.
Karakterisasi sensor dilakukan untuk mengetahui
GAMBAR 5: Pengamatan kelembaban yang diberi uap air pada SHT11
GAMBAR6: Rangkaian sensor dan penguat instrumentasi
perbandingan sebenarnya antara tegangan keluaran sensor terhadap tekanan yang diberikan pada P1.
Perbandingan tegangan masukan dan tegangan keluaran ditunjukkan olehGAMBAR7.
GAMBAR7: Grafik antara tekanan dan tegangan setelah IA
GAMBAR8menunjukkan tampilan program pencatat data saat dijalankan. Bagian utama yang ditampilkan adalah tekanan terukur dalam satuan kPa yang secara langsung juga disajikan dalam bentuk grafik waktu-tekanan, Kompilasi kode program menghasilkan ap-likasi program dengan format ∗.exe yang bisa diberi nama sesuai keinginan.
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 sam-pai 30 volt. Sensor LM35 mempunyai 3 kaki, yaitu Vcc, Ground dan Output. Sensor suhu LM35 dikalibrasi de-ngan cara menghubungkan kaki Vccdari sensor ke kaki positif +5 volt catu daya, kaki ground sensor ke kaki negatif +5 volt catu daya, kaki output sensor ke posi-tif multimeter dan dari kaki negaposi-tif catu daya ke kaki negatif multimeter. Susunan kalibrasi sensor LM35 di-tunjukkan pada GAMBAR9 dan grafik kalibrasi ditun-jukkan padaGAMBAR10.
GAMBAR9: 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 padaGAMBAR11.
D. O2meter
Sensor KE-50 tidak memerlukan catu tegangan un-tuk operasinya. Keluaran dari KE-50 untuk
kon-GAMBAR10: Grafik hasil kalibrasi sensor LM35
GAMBAR11: Hasil pengukuran yang terbaca di PC
sentrasi oksigen 100% adalah antara 200 sampai de-ngan 300 mV,[9]sedangkan jangkauan tegangan untuk mikrokontroler adalah dalam orde volt, yaitu 5 volt (un-tuk catu tegangan mikrokontroler 5 volt). Un(un-tuk me-ningkatkan keluaran KE-50 berada dalam jangkauan tegangan masukan ADC internal pada mikrokontroler, maka diperlukan sebuah rangkaian penguat yang men-gaplikasikan IC OP-07 yang dikonfigurasi sebagai pen-guat tak membalik. Penpen-guat tak membalik menpen-guatkan 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 kΩdan resistor feedback dipasang resistor variabel de-ngan nilai 100 kΩ. Penguatan (gain) di set pada nilai sekitar 19 kali.
GAMBAR12 adalah grafik karakteristik sensor KE-50 setelah mendapat penguatan sebesar 19 kali. Per-samaan karakteristik antara tegangan vesus konsentrasi
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.
GAMBAR12:Grafik karakteristik sensor KE-50 setelah penguatan dengan gain 19 kali
Hasil pengukuran kadar oksigen pada produksi bio-gas dapat dibaca melalui peraga LCD 16x2 karakter seperti telah ditunjukkan padaGAMBAR13. Sensor
KE-50 yang dihubungkan dengan mikrokontroler dan hasil pembacaan pada LCD merupakan alat ukur kadar ok-sigen secara digital, di mana prosentasekadar okok-sigen dapat langsung dibaca. Namun demikian, untuk keper-luan penyimpanan data hasil pengukuran, pemantauan pengukuran secara terus-menerus dan realtime tidak dapat dipenuhi sekedar oleh alat ukur kadar oksigen digital (O2meter digital), untuk keperluan ini maka
sen-sor KE-50 harus diantarmuka dengan komputer pribadi atau laptop. Susunan alat akuisisi yang diantarmuka dengan laptop ditunjukkan padaGAMBAR13.
Sedang-kan tampilan akuisisi data secara real time pada layar laptop ditunjukkan padaGAMBAR14.
GAMBAR13: Antarmuka antara oksigenmeter dengan perangkat akuisisi (laptop)
GAMBAR14:Tampilan akuisisi data secara waktu nyata pada layar laptop/PC
E. CO2meter dengan Sensor TGS4160
Sensor TGS4160 adalah modul sensor yang da-pat mendeteksi gas karbondioksida.[10] Keluaran dari TGS4160 (kaki 2) sudah dalam bentuk sinyal tegan-gan sehingga dapat langsung dihubungkan dentegan-gan rangkaian penguat yang mengaplikasikan IC OP-07 yang dikonfigurasi sebagai penguat tak membalik. Pen-guat tak membalik menPen-guatkan polaritas sinyal tegan-gan masukan positif sebesar gain dari op-amp yang di-tentukan oleh pemilihan resistor input (Rin) dan resis-tor umpan balik (Rf). PadaGAMBAR15tampak rangka-ian catu daya, penguat tak membalik dan mikrokon-troler dalam satu box rangkaian Rin sebesar 1 kΩdan resistor feedback dipasang resistor variabel dengan ni-lai 100 kΩ.
GAMBAR 15: Rangkaian catu daya, penguat tak membalik dan Atmega8535
GAMBAR16 adalah grafik karakteristik dari sen-sor TGS4160 dengan persamaan karakteristik V = 0,3609n+ 14,286mV, denganV adalah tegangan dalam
mV dannadalah konsentrasi dalam ppm. Grafik karak-teristik ini diperoleh dengan cara memberikan variasi
konsentrasi CO2 pada sensor dan mencatat tegangan
yang proporsional dengan masukan konsentrasinya.
GAMBAR 16: Grafik karakteristik sensor TGS4160 konsentrasi versus tegangan
Data yang dihasilkan dapat dimonitor secara terus menerus setiap satu detik, pembacaan yang real time dan hasil pembacaan disimpan dalam ekstensi .TXT. GAMBAR18 adalah tampilan monitoring kadar CO2
pada layar laptop. Program aplikasi ini dikembangkan dengan menggunakan bahasa pemrograman visual ba-sic 6.
GAMBAR17: Antarmuka dengan LCD dan laptop/PC
Pada prinsipnya, sensor TGS2611 memerlukan catu tegangan, penguat dan sistem akuisisi yang hampir sama ketika merealisasikan O2meter dengan sensor
KE-50.[11] Hasil kalibrasi memberikan persamaan karakter-istik seperti yang ditunjukkan pada GAMBAR19, yaitu V = 0,5059n+ 1,7154mV denganV adalah tegangan dalam milivolt dan n adalah konsentrasi dalam ppm (part per milion).
Tampilan CH4meter secara digital dapat diamati
pada LCD 16×2 yang ditunjukkan padaGAMBAR20.
Se-dangkan untuk monitoring secara real time, pencatatan otomatis dan pengukuran secara terus-menerus dengan
GAMBAR18:Tampilan real time monitoring pada layar laptop/PC Kadar Metana dengan Sensor TGS2611
GAMBAR 19: Grafik karakteristik sensor TGS2611, konsentrasi versus tegangan
waktu cuplik setiap satu detik ditampilkan padaGAM
-BAR21. Program aplikasi ini dikembangkan dengan
ba-hasa pemrograman visual basic 6.
GAMBAR20:Tampilan kadar CH4pada LCD karakter 16×2 pada box rangkaian
GAMBAR 21: Tampilan program aplikasi untuk akuisisi data TGS2611 pada laptop
IV.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulakan se-bagai berikut:
1. Sensor SHT11 telah dapat bekerja dengan baik un-tuk mendeteksi perubahan temperatur dan kelem-baban dalam ruang. Pengujian SHT11 dengan cara memberi perubahan kelembaban dari humiditi-fier 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 adalahV = 0.0498P−0.0816volt. Sensor LM35 telah mampu mengukur perubahan temperatur dalam sebuah sistem uji dengan persamaan karakteristik sensor
V = 0,0101T + 0.0004 volt. Sensor KE-50 seba-gai pengindera kadar oksigen telah menunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik un-tuk KE-50 adalahV = 50.419n−14.682mV dengan jangkauan pengukuran dari 0∼100% oksigen. Sen-sor TGS4160 sebagai pengindera kadar karbon-dioksida telah menunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik untuk TGS4160 adalah
V = 0.3609n + 14.286 mV dengan jangkauan pengukuran sampai dengan 45000 ppm. Sensor TGS2611 telah menunjukkan unjuk kerja yang sa-ngat baik, dengan persamaan karakteristik sensor adalahV = 0.5059n+ 1.7154mV.
2. Alat ukur yang telah direalisasikan adalah Digi-tal Termometer dengan sensor LM35, DigiDigi-tal HT-meter dengan sensor SHT11, Digital ManoHT-meter dengan sensor MPX2100GP, Digital O2-meter
de-ngan sensor KE-50, Ditial CO2-meter dengan
sen-sor TGS4160 dan Digital CH4-meter dengan
sen-sor TGS2611. Keenam alat ukur menampilkan hasil pembacaan parameternya pada LCD
karak-ter 16×2 dan hasil pengukuran juga ditampilkan pada layar monitor PC/laptop dan dapat dimon-itor secara real time, mencatat secara otomatis dan melakukan secara terus-menerus.
3. Dari hasil uji coba pada mini digester yang dikem-bangkan di Laboratorium Elektronika dan In-strumentasi Program Studi Fisika FMIPA Unlam, keenam alat ukur telah menunjukkan performa yang sangat baik.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Sullavan T, 2007. Embedded Control System for Biogas Digesters. A Dessertation Faculty of En-gineering & Surveying University of Southern Queensland
[2] Navickas K, 2007. Biogas for Farming, Energy Con-version and Environment Protection. Department of Agroenergetics Lithuanian University of Agri-culture
[3] Rogulska M, Kunikowski G, 2009. Biogas produc-tion in Polanddrivers and barriers. European Con-ference on Biomethane Fuel Gteborg, 8 September, 2009
[4] Sugriwan, I. 2010. Perancangan Sistem Instrumen-tasi untuk Pengukuran Derajat Layu pada Pengo-lahan The Hitam. Tesis Program Magister Jurusan Fisika FMIPA ITS. Surabaya.
[5] Ward et al, 2008. Software sensor monitoring and expert control of biogas production.
[6] Sensirion, 2010. Datasheet SHT1x, Humidity and Temperature Sensor. Sensirion the Sensor Com-pany. [online] available: www.sensirion.com [7] Data Sheet. 2008. MPX2100 Series: 10 kPa On-Chip
Temperatur Compensated and Calibrated Silicon Presure Sensor. Freescale Semiconductor Inc.
[8] Data Sheet LM35. 2000.
LM35/LM35A/LM35C/LM35CA/LM35D Preci-sion Centigrade Temperature Sensors. National Semiconductor
[9] Figaro Technical Information, 2005. Technical In-formation for GS Oxygen Sensor KE-Series. Figaro USA, inc.
[10] Figaro Product Information, 2005. TGS 4161 - for the detection of Carbon Dioxide. Figaro USA, inc. [11] Figaro Datasheet, 2005. TGS 2611 - for the detection
