PERENCANAAN DAN PEMBUATAN ALAT PENGUKUR KEKERUHAN AIR Sertifikat

(1)

Copyright@2015 TI-UPN JATIM

Penelitian ini bertujuan untuk membangun sebuah pengukur kekeruhan air. Metode yang digunakan untuk pengukuran kekeruhan air pada adalah metode Nephelometrik. Metode ini memanfaatkan sudut 900 sebagai titik referensi utama dalam mengukur tingkat kekeruhan air. Kekeruhan air adalah penampakan keruh dalam air yang dise-babkan kehadiran partikel kecil yang me-layang sehingga menghalangi pancaran sinar untuk menembus air. Mengingat air adalah sumber kehidupan utama bagi manusia, maka pengetahuan tentang tingkat kelayakan air konsumsi menjadi sangat penting untuk diketahui. Dan salah satu faktor yang mempengaruhi tingkat kelayakan air untuk dikonsumsi adalah kadar kekeruhannya. Oleh karena itu pengukuran kekeruhan air harus didapatkan dengan satuan yang standart. Satuan standart yang paling banyak digunakan pada perusahaan air minum adalah Nephelometric Turbidity Unit (NTU). Jadi ukuran standart kekeruhan air dengan satuan NTU dapat diketahui dengan alat pengukur kekeruhan air yang dibuat.

Dalam penelitian ini, sumber cahaya yang digunakan adalah laser yang mempunyai panjang gelombang 650 nm dengan titik penyinaran yang terfokus. Detektor cahaya yang digunakan adalah silikon photo-diode OPT101 yang akan mengeluarkan hasil yang maksimal ketika terkena sinar dengan panjang gelombang 650 nm. Saat sinar laser yang ditembakkan mengenai sampel air yang diukur kekeruhannya. Peristiwa ini akan menghasilkan penyebaran cahaya. Penyebaran cahaya terdiri dari ca-haya yang dipantulkan dan cahaya yang dibiaskan. Intensitas dari penyebaran cahaya inilah yang akan direspon oleh detektor cahaya yang menghasilkan keluaran berupa tegangan. Keluaran tegangan dari detektor cahaya akan diolah oleh Mikrokontroller Renesas R8C-13. Fungsi utama dari Mikrokontroller ini adalah untuk mengkonversi nilai tegangan yang didapatkan dari detektor cahaya menjadi nilai kekeruhan air dengan satuan NTU. Setelah proses konversi selesai, keluaran akan ditampikan dalam layar LCD.

Kata kunci: Metode Nephelometrik, Nephelometric Turbidity Unit, Detektor cahaya, Renesas R8C-13.

Abstract

This Project aim is to build a Turbidity Meter. This Final Project used Nephelometric method to measure the turbidity of water. This method used 900 as main reference angel to measure level of water turbidity. Turbidity is The cloudy appearance of water caused by the presence of suspended and colloidal matter so the ray that transmitted through the water is ob-structted. Considering water is lifeblood to human being, then knowledge about quality of the water to consumed is important to know. And one of the factor that affect the water quality to consume is the turbidity value. Therefore the measurement of water turbidity must get in standard unit. The most used unit that used at water company is Nephelometric Tubidity Unit (NTU). So the standard measure in NTU can be discovered with the Turbidty Meter that built at this Project.

In This Project, the light source that Turbidity Meter used is laser that has 650 nm wavelength with illumination point focused. The light detector that Turbidity Meter used is silicon photodiode OPT101 that will produce maximal output when it get lighten by light with 650 nm wavelength. When laser ray transmitted to water sample that in measured. This occasion will produce light scattering. The light scattering consist of light reflection and light refaction. The intensity of this scattered light will be responded by light detector that produce voltage output. The voltage output from the light detedtor will be proceed by Renesas R8C-13 Microcontroller. The main function of this microcontroller is to convert the voltage value from the light detector to turbidity value in NTU unit. After the conversion process done, the output will displayed at LCD screen.

(2)

1 Pendahuluan

Kebutuhan alat ukur di bidang lingkungan yang akurat sangat dibutuhkan, terutama pada proses AMDAL (Analisis Mengenai Dampak Lingkungan) yang harus dilakukan di daerah perindustrian dan sekitarnya. Salah satu indikator dari kualitas air yang mudah diukur adalah kekeruhan air. Pengukuran kekeruhan air tidak dapat disandarkan pada penglihatan manusia saja, karena subyektivitas dari penilaian manusia yang tidak akan pernah sama dan standart dalam menentukan suatu ukuran tanpa ada kesepakatan yang baku. Untuk itu pengukuran standart pada kekeruhan air harus ada dan juga dengan satuan yang standart yang dimilikinya. Alat pengukur kekeruhan air yang ada sekarang mempunyai tingkat ketelitian yang sangat akurat, tetapi tentu saja harganya sangat mahal. Untuk negara berkembang, dibutuhkan alat pengukur kekeruhan air yang lebih murah dan mempunyai keakuratan yang cukup. Maka alat pengukuran kekeruhan air yang murah dan akurat sesuai dengan kalibrasi yang diujikan dengan nephelometer yang ada di laboratorium PDAM.

2 Tinjauan Pustaka

Salah satu indikator dari kualitas air adalah tingkat kekeruhannya. Semakin rendah nilai kekeruhan air, semakin bagus kualitas dari air tersebut. Sebaliknya kekeruhan air yang bernilai tinggi menunjukkan buruknya kualitas dari air yang sedang diukur. Alat untuk mengukur kekeruhan air biasa disebut dengan turbidity meter yang mempunyai satuan nephelometric turbidity unit (NTU). Contohnya pada Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) kota Surabaya, turbidity meter digunakan sebelum air disebarkan ke penduduk melalui pipa PDAM. Biasanya air yang akan dikonsumsi penduduk mempunyai nilai kekeruhan sekitar 0,67 NTU sebelum air disebarkan ke penduduk melalui pipa PDAM dan air pada nilai kekeruhan dibawah nilai ini adalah termasuk air yang jernih.

Ukuran yang paling mudah untuk mengetahui air itu layak untuk dikonsumsi atau tidak adalah kekeruhannya. Nilai kekeruhan air juga bisa dianggap sebagai nilai kejernihan air. Semakin tinggi kejernihan air, nilai kekeruhan air semakin rendah. Kejernihan adalah faktor yang sangat penting bagi produksi air mineral yang dikonsumsi manusia.

Dari hasil pengukuran pada tabel 1, maka efesiensi yang paling baik adalah pada pekan pertama dengan nilai 0.965 (96.5%). Dengan diperoleh nilai tertinggi maka air yang diproduksi pada pekan pertama mempunyai tingkat kekeruhan yang paling baik dari pada pekan-pekan yang lain. Akan tetapi dengan nilai efisiensi yang tinggi, dampak pada lingkungan akan semakin buruk. Karena akan menghasilkan volume lumpur dan bahan kimia yang besar. Karena lumpur tersebut dibuang kembali ke sungai Surabaya, maka dari itu kandungan yang terdapat didalamnya perlu diperhatikan. Semakin banyak zat berbahaya di dalam lumpur maka semakin banyak zat polutan yang mengalir disungai surabaya.

(3)

masing-masing arah memberikan nilai intensitas cahaya yang berbeda-beda. Jika diambil nilai kekeruhan yang paling rendah, yaitu pada air jernih, maka intensitas cahaya yang diteruskan lurus 1800 jauh lebih besar daripada intensitas cahaya pada ke arah yang lain. Sesuai dengan besarnya nilai kekeruhan air, maka yang mempunyai hubungan langsung dengan kekeruhan air adalah intensitas cahaya. Intensitas cahaya inilah yang ditangkap oleh sensor cahaya, kemudian sensor cahaya akan memberikan output berupa tegangan sesuai dengan intensitas cahaya yang diterimanya.

Gambar 1. Grafik Hubungan Antara Intesitas Cahaya dan NTU

Hubungan antara NTU dan tegangan yang diberikan oleh sensor cahaya berbeda-beda sesuai dengan sudut tempat sensor ditempatkan. Penempatan sensor pada sudut-sudut tertentu menghasilkan besarnya intensitas cahaya yang mengenai sensor juga berbeda-beda, sehingga sensor cahaya mengeluarkan output berupa tegangan sebanding dengan besarnya input berupa intensitas cahaya yang mengenainya (Gambar 1).

Jika memperhatikan gambar 1 maka dapat diketahui bahwa hanya sensor yang berada lurus di depan sumber cahaya dan sensor cahaya belakang yang stabil perubahan nilainya. Jika sensor yang berada lurus di depan berubah nilainya dari besar ke kecil untuk NTU bernilai kecil ke besar, maka sensor belakang sebaliknya. Sedangkan untuk detektor depan dan detektor nephelometric nilainya hanya stabil naik pada saat nilai NTU berkisar 500 sampai dengan 700 NTU, setelah itu nilai intensitas cahaya yang mengenai kedua sensor itu akan turun ketika nilai NTU lebih besar dari 700 NTU. Gambar Tabel 2 menunjukkan hubungan antara kekeruhan air dan tegangan pada masing-masing sensor dengan nilai kekeruhan mulai dari 0,63 sampai 3234 NTU. Data ini adalah hasil percobaan yang menunjukkan respon dari sensor yang dipakai untuk merancang alat pengukur kekeruhan air.

Kekeruhan air disebabkan oleh partikel-partikel yang melayang-layang di air. Partikel-partikel inilah yang akan membuat intensitas cahaya pada tiap sisi tersebarnya cahaya berbeda-beda. Ketika sinar datang mengenai suatu partikel kemudian menghasilkan penyebaran cahaya berupa cahaya yang diteruskan lurus, dibiaskan ataupun dipantulkan akan memberikan intensitas yang berbeda-beda. Intensitas inilah yang kemudian mengenai sensor, sehingga sensor mengeluarkan output berupa tegangan juga berbeda-beda sesuai dengan intensitas cahaya tersebar.

(4)

partikel-Copyright@2015 TI-UPN JATIM

partikel yang terkena sinar datang pada sampel air yang sedang diukur kekeruhannya. Tabel 2.2 menunjukkan adanya penurunan nilai output tegangan pada V1 ketika kekeruhan meningkat, sebaliknya nilai tegangan V2 meningkat cukup signifikan jika dibandingkan dengan V3 dan V4. Jika nilai kekeruhan air semakin meningkat maka nilai tegangan V1 akan menurun dan V2 akan menurun, sebaliknya nilai tegangan V3 dan V4 akan naik nilai output tegangan. Karena keterbatasan akurasi alat kalibrasi, hal ini tidak dapat ditemukan pada gambar tabel 2, tetapi dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 2 . Tabel Hubungan Antara Tegangan dan NTU

3 Spesifikasi Perangkat Keras

(5)

cahaya ini dibuat seakurat mungkin. Lubang masuk botol sampel dibuat selebar botol sampel ditambah 5 milimeter. Begitu juga dengan ketinggiannya, penempatan laser dan photodiode dibuat sesuai dengan ketinggian botol (gambar 3)

Gambar 3 Penampang Tempat Sampel Air

4 Kalibrasi Alat

Pada aplikasi praktis, masalah yang cukup signifikan pasti akan menghasilkan gangguan dan error akan mengurangi akurasi dari alat apapun. Untuk memastikan alat bekerja dengan baik dan menyediakan jawaban seakurat mungkin, adalah sangat penting untuk memverikasi kalibrasi. Proses kalibrasi dari alat pengukur kekeruhan air pada tingkat kekeruhan yang sangat rendah dipengaruhi oleh teknik pengukuran yang digunakan. Pengukuran tingkat kekeruhan air akan sangat sulit diukur ketika bernilai dibawah 1.0 NTU, interferensi yang disebabkan gelembung udara dan kontaminasi zat-zat tertentu menjadi sangat mengganggu sehingga hasil yang diukur akan menjadi salah dalam pembacaan kekeruhan air.

Untuk mendapatkan kalibrasi yang akurat untuk alat pengukur kekeruhan air pada kekeruhan air bernilai 0.012 sampai 40.0 NTU adalah dengan menggunakan larutan formazin bernilai 20.0 NTU1. Alasan menggunakan formazin ini adalah :

1. Larutan formazin 20.0 NTU ini adalah larutan yang bernilai stabil selama waktu yang cukup lama untuk digunakan pada saat kalibrasi

2. Nilai formazin ini adalah nilai pertengahan dari nephelomtric yang dikalibrasi

3. Error yang disebabkan kontaminasi zat-zat tertentu dan gelembung udara jauh lebih sedikit berefek pada larutan formazin 20.0 NTU daripada menggunakan larutan formazin yang lebih rendah.

Larutan formazin yang melengkapi Hach 2100N telah disiapkan dan dimasukkan dengan sangat hati-hati dan terkontrol dengan baik untuk mendapatkan keakuratan yang cukup tinggi. Hal ini juga dilakukan untuk meminimalisir kontaminasi dari luar. Kalibrasi yang mudah dan praktis untuk nilai kekeruhan air dari 0.012 sampai 4000 NTU dapat dilakukan dengan menggunakan alat pengukuran kekeruhan air yang sudah standart. Dalam hal ini adalah turbidity meter yang digunakan oleh PDAM Surabaya yaitu Hach 2100N yang dilengkapi larutan formazin sampai 4000 NTU. Pengukuran khusus diperlukan untuk mendapatkan keakuratan kalibrasi pada tingkat kekeruhan air yang sangat rendah. Satu titik debu atau satu partikel saja bisa menyebabkan perbedaan pengukuran lebih dari 0.030 NTU. Hal ini akan menyebabkan error sekitar 10 persen.

Adalah hal yang sangat penting untuk memverifikasi keakuratan dan respon alat dalam setiap level kekeruhan air. Dan biasanya kekeruhan standart akan sulit didapatkan pada level kekeruhan ini dan tidak stabil dalam waktu yang cukup lama. Ada dua metode yang bisa digunakan untuk

1

(6)

mengkalibrasi keakuratan pada level kekeruhan air yang rendah. Metode yang paling mudah digunakan, meski sulit untuk didapatkan adalah formazin standart. Standart ini mempunyai jangkauan level kekeruhan air mulai dari 0,1 sampai 1,0 NTU2. Larutan kimia ini disiapkan dalam keadaan yang ketat dalam pembuatannya dan dimasukkan ke dalam tabung ukur untuk mencapai tingkat keakuratan yang tinggi.

Metode kedua untuk mendapatkan hasil yang akurat untuk alat pengukur kekeruhan air pada level kekeruhan tingkat rendah ini adalah dengan melakukan pengukuran pada air jernih standart yang sudah diketahui nilai kekeruhannya. Untuk menjalankan cara ini, beberapa hal berikut harus dilakukan dengan mengambil sampel pada air suling yang sudah terukur sebelumnya, kemudian botol ukur yang sangat jernih, tanpa ada debu, kotoran dan goresan, daan kebersihan tempat kalibrasi

Secara teoritis kekeruhan pada air suling bernilai 0,39 NTU3. Perbedaan antara respon dari Alat pengukur kekeruhan air dan nilai teoritis di atas disebut sebagai kesalahan pengukuran (bukan proses perhitungan) pada pembacaan nilai NTU pada level ini. Cahaya menyimpang yang disebabkan oleh botol sampel ataupun detektor cahaya yang tergores atau terkena debu mempunyai penyebab dengan porsi terbesar. Kesalahan ini bisa diminimalisir bahkan dihilangkan dengan melakukan prosedur di bawah ini:

1. Tabung sampel harus bersih dari goresan ataupun debu. 2. Pembuatan sampel air suling harus dibuat dengan akurat

3. Air suling untuk kalibrasi harus disiapkan maksimal 30 menit setelah penyulingan 4. Detektor cahaya harus tetap bersih dan terjaga dari debu.

5. Tempat botol sampel air harus dalam keadaan tertutup.

Apabila terjadi perbedaan yang cukup signifikan antara hasil pengukuran yang telah dilakukan oleh pengukur kekeruhan air yang dibuat dengan Hach 2100N ataupun larutan formazin standart, maka yang perlu disesuaikan adalah koefisien kalibrasinya.

5 Uji Coba Alat

Pengukur kekeruhan air yang sudah dibuat ini telah di uji coba pada alat pengukur kekeruhan air milik PDAM yang telah terkalibrasi oleh Badan Meteorologi dan Geofisika Surabaya dan memiliki larutan standart formazin stabil pada tiap pembagian level kekeruhan airnya, sehingga keakuratan hasil pengukurannya bisa dipertanggungjawabkan yang bisa dilihat pada gambar 4.

2

Wagner, R.J, Mattraw, H.C., Ritz, G.F., and Smith, B.A, Guidelines and Standard Procedures for Continuous Water-Quality Monitors: Site Selection, Field Operation, Calibration, Record Computation, and Reporting, (U.S. Geological Survey Water : 2000), p.53

(7)

Gambar 4. Alat Pengukur Kekeruhan Air

Gambar 5. Hasil Pembandingan Alat Pengukuran Kekeruhan Air

Gambar 5 Tabel Percobaan di bawah adalah tabel hasil dari perbandingan pengukuran kekeruhan air pada turbidity meter yang dibuat dengan Hach 2100N milik PDAM Surabaya dengan turbidity meter yang dibuat pada proyek kali ini. Tingkat selisih yang ditoleransi pada level 0 sampai 1 adalah dibawah 0,1 NTU, pada level 1-10 adalah dibawah 1 NTU, pada level 10 sampai 50 adalah 5 NTU, pada level 50 sampai 100 adalah 10, pada level 100 sampai 1000 adalah 50 dan pada level 1000 sampai 4000 adalah 5004. Toleransi pada level 0-1 NTU adalah 0,1 NTU; pada 1-10 NTU adalah 1,0 NTU; pada 1-10-1-100 NTU adalah 1-10 NTU; pada 1-100-1-1000 NTU adalah 1-100 NTU dan pada 1000-10000 adalah 1000 NTU5.

4

Ibid, p.54 5

(8)

Gambar 6. Grafik Hasil Pembandingan Alat Pengukuran Kekeruhan Air

Maka terdapat 8 error pada alat pengukur kekeruhan air yang dibuat yaitu pada percobaan 5, 14, 15, 16, 20, 27, 28 dan 29, sehingga tingkat akurasinya sebesar 84% dari 50 kali percobaan. Level kekeruhan air yang dimiliki Hach 2100N terbagi atas 5 level larutan standart formazin stabil, yaitu 0 sampai 1 NTU, 1 sampai 10 NTU, 10 sampai 100 NTU, 100 sampai 1000 NTU dan 1000 sampai 4000 NTU. Meski sudah terkalibrasi oleh BMG Surabaya, turbidity meter yang dimiliki PDAM Surabaya ini masih menghasilkan error pada level 1000 sampai 4000, tepatnya ketika mengukur kekeruhan air di atas 2500 NTU. Sehingga tidak mungkin alat pengukur kekeruhan air yang dibuat pada proyek kali ini bisa standart sampai pada level 4000 NTU, meskipun secara teori bisa mengukur hingga 10.000 NTU.

6 Kesimpulan

Dari percobaan yang telah di buat selama penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Dengan sebanyak 50 kali percobaan yang dilakukan dengan membandingkan alat yang dibuat yaitu turbidity meter dengan alat pengukur kekeruhan air jenis Hach 2100N memiliki tingkat akurasi sebesar 84 % dibandingan alat kekeruhan air berstandarisasi. 2. Jenis botol yang sama belum tentu menghasilkan hasil yang sama pada pengukuran

kekeruhan air, karena goresan dan keburaman botol mengakibatkan error pada pengukuran.

3. Suhu ruangan tempat alat pengukuran mempengaruhi responsitivitas dari sensor.

4. Simpan botol sampel air dan tempat pengukurannya dalam penyimpanan yang bersih dari kotoran dan debu, hati-hati pada aktivitas yang membuat botol sampel air tergores. 5. Gunakan metode regresi pada tiap level untuk meningkatkan keakuratan hasil

pengukuran kekeruhan air.

6. Kalibrasi dilakukan minimal satu tahun sekali untuk menjaga tingkat keakuratan dari alat pengukur kekeruhan air ini.

7 Daftar Pustaka

Anderson, Chauncey W., (2005), Guidelines and standard procedures for continuous water-quality monitors, 9th Edition U.S. Geological Survey Techniques and Methods

Clesceri L.S., (2001), Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th Edition, Washington DC. : APHA Press.

Gray, J.R., and Glysson, G.D., (2003), Proceedings of the federal interagency workshop on turbidity and other sediment surrogates, Nevada: U.S. Geological Survey Circular.

Helfrick, Albert D., dan William D. Cooper., (1990), Modern Electronic Instrum entation And Measurment Techniques, Englewood Ciffs: Prentice Hall.

Lewis, Michael E., (2006), Dissolved Oxygen, Versi 2.1, U.S. Geological Survey Techniques and Methods. Hach Company.

O’Dell, James W., (1993), Determination Of Turbidity By Nephelometry second edition, Cincinati, Ohio: U.S. Environmental Protection Agency.

Ulrich M.A., (1993), Methods for the determination of inorganic substances in environmental samples, Cincinatti, Ohio : U.S. Environmental Protection Agency.

White S., (1995), Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, nineteenth edition, Baltimore : Port City Press.

(9)