BAB II
DASAR TEORI
Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara
lain mengenai biogas, sensor gas TGS 2610, sensor suhu Termokopel tipe K, sensor
tekanan MPX 5500D, mikrokontroler AVR ATmega8535 dengan fasilitas yang
digunakan (ADC), dan penampil LCD karakter 20 × 4.
2.1 Biogas
Biogas adalah gas metana (CH4) dan campuran gas lain yang didapat dari digester, termasuk limbah dan kotoran. Untuk memanfaatkan gas ini, digester dibangun
dan dikendalikan untuk mendukung produksi dan ekstrasi gas metana. Proses biogas
terjadi dalam keadaan anaerob yaitu kondisi tertutup tanpa ada oksigen dari lingkungan.
Hal ini penting karena keberadaan gas oksigen dapat membunuh bakteri anaerob yang
bertugas sebagai bakteri pengurai. Bakteri anaerob menghancurkan bahan karbohidrat,
nutrisi seperti senyawa nitrogen akan terlarut sehingga menghasilkan pupuk dan humus
yang sangat baik. [3]
Secara umum terdapat 3 pilihan rentang suhu yang mendukung jenis bakteri
tertentu untuk proses fermentasi yaitu:
1. Bakteri Psicrophilic yang hidup pada temperatur sekitar 200C. Waktu penyimpanan dalam digester adalah lebih dari 60 hari.
2. Bakteri Mesophilic yang hidup pada temperatur sekitar 350C. Waktu penyimpanan dalam digester adalah 30-60 hari.
3. Bakteri Thermophilic yang hidup pada temperatur sekitar 550C. Waktu penyimpanan dalam digester adalah 10-16 hari.
Terdapat tiga kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan
biogas yaitu:
1. Kelompok bakteri fermentatif, yaitu: Steptococci, Bacteriodes, dan beberapa
jenis Enterobactericeae.
2. Kelompok bakteri asetogenik, yaitu Desulfovibrio.
3. Kelompok bakteri metana, yaitu Mathanobacterium, Mathanobacillus,
Gas yang dihasilkan merupakan campuran dari beberapa gas, yaitu CH4 (50%), disertai gas pengotor CO2(45%) dan gas gas lainya sekitar 5% yaitu H2O, H2S serta H2. Dari semua gas pengotor tersebut H2S merupakan gas yang sangat perlu diperhatikan karena bersifat korosif sehingga dapat merusak sistem pipa - pipa serta mesin – mesin
yang menggunakan biogas ini sebagai bahan bakar. Oleh sebab itu proses pemurnian
gas perlu dilakukan. Cara yang paling sederhana untuk menghilangkan H2S adalah dengan melewatkanya melalui air karena H2S akan terserap oleh air melalui reaksi kimia yang kompleks sehingga biogas yang dihasilkan menjadi lebih bersih.[4]
Prinsip utama proses pembentukan biogas adalah pengumpulan bahan yaitu
eceng gondok yang sudah bersih dari kotoran dan lumpur, selanjutnya dimasukan ke
dalam mesin pencacah agar eceng gondok tercacah menjadi potongan–potongan kecil,
kemudian dimasukan ke dalam tangki fermentasi yang disebut tangki digester. Di dalam
tangki digester tersebut, eceng gondok akan dicerna dan difermentasi oleh bakteri–
bakteri seperti yang disebutkan diatas. Terjadinya penumpukan produksi gas akan
menimbulkan tekanan sehingga gas tersebut dapat disalurkan melalui pipa yang
dipergunakan untuk keperluan bahan bakar atau pembangkit listrik.
Secara umum digester terdiri dari beberapa bagian, yaitu:
1. Bak penampung bahan dengan pipa masukan (inlet).
2. Tabung digester (tabung fermentasi).
3. Bak penampung lumpur sisa fermentasi (slurry).
4. Bak penampung gas (gas holder).
5. Pipa biogas keluar
6. Penutup digester (tabung fermentasi) dengan penahan gas (gas sealed).
7. Lumpur aktif biogas.
8. Pipa keluaran slurry (outlet). [5]
Gambar 2.2 Digester Dar es Salaam, Tanzania (kiri) dan model yang sama dari BIOTECH
(kanan) [11]
Gambar 2.3 Desain digester Kementerian Negara Lingkungan Hidup, 2009[12]
Tabel 2. Nilai kesetaraan biogas [12]
Aplikasi 1 m3 biogas setara dengan
Penerangan 6-100 watt lampu bohlam selama enam jam
Masak Tiga jenis makanan untuk keluarga (5 orang)
Pengganti bahan bakar 0,7 kg minyak tanah
Tenaga Menjalankan motor 1 tenaga kuda selama 2 jam
Pembangkit tenaga Menghasilkan 1,25 kWh listrik
Penentuan Volume Tabung Fermentasi [13]
1. Menurut Yoshy (1981), kebutuhan gas bio setiap keluarga petani peternak rata – rata
1,6 m3, sedangkan produksi gas bio rata – rata 0,18 m3 per satu meter kubik volume tangki fermentasi. Atas dasar tersebut maka volume tangki fermentasi adalah 1,6 / 0,18
= 8,9 m3.
2. Kebutuhan masak setiap hari rata – rata dua jam dan lampu 7 jam . menurut Hadi
(1981) kebutuhan kompor setiap jam 250 liter dan lampu 160 liter. Jadi gas bio yang
Volume tabung yang di buat
Volume = ¼ �d2t = ¼ x 3,14 x (0,55m)2 x 1,2 = 0,28944 m3
Jadi dengan menggunakan cara kedua, apabila kebutuhan kompor rata – rata per jam
sebesar 250 liter (0,25m3), maka dengan volume tabung fermentasi 0,289 m3 sudah dapat di gunakan untuk memasak selama kurang lebih satu jam.
2.2 Sensor Gas TGS 2610
Merupakan sensor gas yang digunakan untuk mendeteksi gas etanol, hidrogen,
metana, dan iso-butana/propana.
Gambar 2.4. Sensor gas TGS 2610 [6]
Sensor TGS 2610 membutuhkan 2 tegangan input yaitu tegangan pemanas dan
tegangan rangkaian. Tegangan pemanas diterapkan dengan pemanas terintegrasi untuk
mempertahankan sensor pada spesifik suhu yang optimal untuk pengindraan. Tegangan
rangkaian digunakan untuk memungkinkan pengukuran VRL (tegangan beban) diseluruh resistor beban (RL) yang terhubung dalam seri dengan sensor. [6]
2.3 Sensor Suhu Thermokopel
Termokopel adalah sensor termperatur yang paling banyak digunakan dalam
industri disebabkan kesederhanaan dan kehandalanya. Termokopel terdiri dari dua
konduktor atau termoelemen yang berbeda, dihubungkan menjadi satu rangkaian seperti
terlihat pada gambar berikut :
Gambar 2.6. Diagram skematik termokopel
Dua termoelemen A dan B dihubungkan ( junction ) dan jika temperatur antara
junction pertama (cold junction) dan kedua (hot junction) berbeda maka akan timbul
arus akibat gaya gerak listrik (EMF).
Gambar 2.7. Pengukuran EMF
Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan voltmeter dengan
impedansi yang tak terhingga (besar sekali), seperti yang terlihat pada Gambar 2.7,
maka akan terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan tersebut dikenal sebagai tegangan
Seebeck. Laju perubahan nilai tegangan akibat perubahan temperatur disebut dengan
koefisien Seebeck.
Jika termokopel digunakan untuk mengukur temperatur hot junction (Gambar
2.7) maka tegangan Seebeck pada cold junction, hot junction serta temperatur cold
junction harus diketahui terlebih dahulu. Karena cold junction juga menghasilkan
tegangan Seebeck maka untuk mempermudah pembacaan temperatur pada tabel
termokopel, cold junction ditempatkan pada ice point of water (titik cair es)
EMF, sebenarnya timbul karena gradien temperatur sepanjang kawat yang
menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan mengasumsikan kawat
termokopel homogen maka EMF didapat akibat perbedaan temperatur hot junction dan
Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan temperatur
adalah
� ( ) = ( ) Δ ... (2.1) Di mana :
EAB (T) = tegangan Seebeck
S (T) = koefisien Seebeck,
ΔT = perbedaan temperatur antara hot junction dengan cold junction.
Perilaku termokopel ideal dapat dijelaskan dengan hukum termoelektrik berikut:
1. Law of Homogenous Metals
EMF tidak akan ada jika termoelemen A dan B merupakan konduktor dari bahan
yang sama.
2. Law of Intermediate metals
Jika ada penambahan material C pada rangkaian termokopel, maka tegangan
Seebecknya akan sama dengan nol jika material tersebut pada temperatur yang
seragam.
Gambar 2.8. Ilustrasi Hukum termoelektrik ke 2.
3. Law of Successive or Intermediate temperaturs
EMF yang timbul dari termokopel di mana kedua junctionnya pada T1 dan T3 adalah sama dengan EMF junction pada T1 dan T2 ditambah EMF junction pada
T2 dan T3 (Gambar 2.9).
Konsekuensi dari hukum termoelektrik adalah penyolderan dan pengelasan
junction tidak akan mempengaruhi tegangan output, serta penambahan 2 kawat tembaga
homogen yang menghubungkan termokopel dengan voltmeter akan mempengaruhi
tegangan output sehingga tegangan output adalah akumulasi tegangan yang timbul
akibat sambungan kawat tembaga dengan dan hot junction.
Gambar 2.10 Bak es sebagai reference junction
Termokopel adalah tranduser yang mengubah besaran fisis ke besaran elektrik.
Output yang dihasilkan adalah tegangan dc. Output dapat diukur menggunakan
voltmeter dan potensiometer, tetapi mengharuskan penggunaan eksternal kompensator
untuk cold junction di mana hal ini tidak efisien karena harus menyediakan media
isotermal untuk reference junction dan memerlukan penggunaan tabel untuk
mengkonversi tegangan menjadi besaran temperatur. Saat ini output termokopel
dihubungkan ke thermometer readout selain tidak memerlukan media isotermal,
kelebihan lain adalah keluaran termokopel langsung terbaca dalam besaran temperatur.
Thermometer readout telah menyediakan kompensator cold junction (CJC) yang
tertanam didalamnya.
Thermowell
Termokopel yang digunakan untuk mengukur temperatur, biasanya diberi
pelindung atau yang biasa disebut thermowell. Thermowell pada umumnya terdiri dari
pelindung logam dan isolator adalah keramik. Thermowell digunakan untuk melindungi
kawat termokopel dari gangguan mekanik, elektrik serta kontaminan. Penggunaan
thermowell dapat mengubah waktu tanggap dari termokopel, di mana salah satu kelebihan termokopel adalah waktu tanggap yang cepat. Hot junction termokopel pada
umumnya dibagi menjadi tiga, yaitu:
1. Exposed junction
2. Ungrounded junction
Kawat terproteksi dengan baik tetapi memiliki waktu tanggap yang lebih lambat.
3. Grounded junction
Kawat terproteksi dan waktu tanggap cepat.
Gambar 2.11. Jenis junction termokopel
Selain itu ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan
thermowell, yaitu:
1. Pada temperatur tinggi termokopel dapat terkontaminasi akibat migrasi atom
Chromium ke termoelemen sehingga material tidak homogen lagi.
2. Kemampuan insulator keramik (magnesium oxide) sebagai pelindung dari
gangguan elektrik akan menurunkan akibat umur dan penyerapan uap air.
3. Perbedaan koefisien ekspansi termal antara antara kawat termokopel dan
pelindung logam tidak boleh terlalu besar karena akan menyebabkan ekstra
regangan pada kawat termokopel ketika dilakukan proses annealing pada
termokopel.
4. Penggunaan thermowell menyebabkan penambahan kawat penyambung sebagai
cold junction-nya
Jenis-Jenis Termokopel
1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)): Termokopel untuk
tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu −200°C hingga
+1200°C.
2. Tipe E (Chromel/Constantan (Cu-Ni alloy)): Tipe E memiliki output yang besar (68μV/°C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetik.
3. Tipe J (Iron/Constantan): Rentangnya terbatas (−40 hingga +750°C)
4. Tipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy)/Nisil (Ni-Si alloy)): Stabil dan tahanan yang
tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang
tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200°C. Sensitifitasnya sekitar 39μV/°C pada 900°C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan dari tipe K.
5. Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh): Cocok mengukur suhu di atas 1800°C.
Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0°C hingga 42°C sehingga tidak
dapat dipakai di bawah suhu 50°C.
6. Type R (Platinum/Platinum, 7% Rhodium): Cocok mengukur suhu di atas 1600°C. Sensitivitas rendah (10μV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum.
7. Type S (Platinum/Platinum, 10% Rhodium): Cocok mengukur suhu di atas 1600°C. Sensitivitas rendah (10μV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S
digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064,43°C).
8. Type T (Copper / Constantan): Cocok untuk pengukuran antara −200 to 350 °C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari
constantan. Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian
kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 μV/°C. [7]
Pada perancangan ini menggunakan termokopel type K baut (Chromel (Ni-Cr
alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)) dengan rentang suhu 0 ℃ hingga +400 ℃ karena mudah
ditemukan dipasaran dan harganya relatif murah.
2.4 Sensor Tekanan MPX 5500D
MPX 5500D adalah sensor tekanan udara yang dapat mengukur tekanan antara 0
sampai 500 kPa dan mempunyai tegangan keluaran antara 0.2 sampai 4.7 V. Sensor ini
mempunyai nilai eror naksimal 2.5% pada suhu antara 0 sampai 85 0C [8]. Sensor MPX 5500D adalah tipe differential yaitu mengukur perbedaan tekanan udara pada setiap
sisinya. Grafik perbandingan antara tegangan keluaran sensor (V) dengan tekanan
Grafik 2.1 Tegangan keluaran dengan tekanan
Gambar 2.12 Sensor tekanan MPX 5500D case 867-08[8]
2.5 Mikrokontroler AVR ATmega 8535
Mikrokontroler ATmega 8535 adalah mikrokontroler keluarga AVR (Alf and
Vegard’s Risc Processor). Mikrokontroler Atmega 8535 ini dibuat oleh Atmel Corporation. Berdasarkan arsitekturnya, AVR merupakan mikrokontroler yang
menggunakan teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing) yang
dikembangkan setelah mikrokontroler keluarga MCS-51 .Atmega 8535 memiliki, 512
Kilobytes internal EEPROM, 512 Kilobytes internal SRAM, ADC, timer/counter,
USART, interupsi internal/external, 32 pin input/output (PORTA, PORTB, PORTC,
PORTD) .
Gambar 2.13 adalah konfigurasi pin dari mikrokontroler ATmega 8535 dengan
penjelasan fungsi-fungsinya sebagai berikut:
1. VCC adalah untuk masukan digital voltage supply.
2. GND adalah pin ground.
3. PORT A (PA0 – PA7) digunakan untuk input ADC (Analog to Digital
Converter). Port A ini juga berfungsi sebagai input/output dan mempunyai
resistor pull-up internal yang bisa ditambahkan.
4. PORT B (PB0 – PB7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor
pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port B juga mempunyai fungsi
khusus, yaitu komunikasi SPI, input analog comparator, input external
interrupt, timer/counter output compare match output, timer/counter external
counter input, dan USART external clock input/output.
5. PORTC (PC0 – PC7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor
pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port C juga mempunyai fungsi
khusus, yaitu pin timer oscillator, JTAG, komunikasi I2C.
6. PORTD (PD0 – PD7) berfungsi sebagai input/output dan mempunyai resistor
pull-up internal yang bisa ditambahkan. Port D juga mempunyai fungsi
khusus, yaitu komunikasi USART, external interrupt, timer/counter output
compare match output, pin timer/counter input capture.
7. RESET berfungsi untuk mereset mikrokontroler apabila diberi input low.
8. XTAL1 dan XTAL2 berfungsi sebagai pin external clock.
9. AVCC adalah pin tegangan supply untuk ADC.
10. AREF adalah pin input tegangan referensi untuk ADC.
2.6 LCD Karakter 20 x 4
Dalam skripsi ini digunakan penampil LCD (Liquid Crystal Display) karakter
sebagai antarmuka sistem dengan pengguna. LCD ini memiliki 20 karakter per baris dan
memiliki 4 baris tampilan. Gambar 2.14 menunjukkan penampil LCD 20x4 dan
Tabel 2.1. Konfigurasi pin LCD 20x4.
Pin Nama Pin Fungsi
1 Vss Ground
2 Vdd Catu daya LCD 5V.
3 VO Kontras karakter
4 RS Register Select
5 R/W Read/Write
6 E Enable
7 DB0 Data bit 0
8 DB1 Data bit 1
9 DB2 Data bit 2
10 DB3 Data bit 3
11 DB4 Data bit 4
12 DB5 Data bit 5
13 DB6 Data bit 6
14 DB7 Data bit 7
15 LED + Catu daya positif LED 16 LED - Catu daya negatif LED
Gambar 2.14. LCD 20x4 karakter
Penampil LCD ini diakses dengan cara paralel, pengiriman data dilakukan
melalui DB7-DB0 yang dikirimkan ke LCD sehingga LCD menampilkan karakter. LCD
ini dapat diakses menggunakan mode 8 bit maupun mode 4 bit. Dalam mode 8 bit, data
akan dikirim secara paralel menggunakan 8 bit (D7-D0), sedangkan dalam mode 4 bit,
data dikirim secara paralel menggunakan 4 bit saja (D3-D0). Dalam perancangan skripsi
![Gambar 2.4. Sensor gas TGS 2610 [6]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/917456.479856/4.595.100.521.221.444/gambar-sensor-gas-tgs.webp)
![Gambar 2.13. Konfigurasi pin mikrokontroler Atmega8535 [9]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/917456.479856/10.595.103.524.75.751/gambar-konfigurasi-pin-mikrokontroler-atmega.webp)
