PENGARUH GAS KARBONDIOKSIDA (CO2) TERHADAP AMPLITUDO DAN FASE SINYAL FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR
FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO2
Skripsi
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains
Jurusan Fisika
Oleh :
Elisabeth Jeanny Oetama NIM : 073214003
PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA
INFLUENCE OF CARBON DIOXIDE GAS (CO2) ON THE AMPLITUDE AND PHASE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL IN CO2-LASER-BASED
PHOTOACOUSTIC DETECTOR
Skripsi
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain The Sarjana Sains Degree
in Physics Department
By :
Elisabeth Jeanny Oetama NIM : 073214003
PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
“Siapa mengindahkan didikan, menuju jalan kehidupan, tetapi siapa mengabaikan teguran, tersesat”.
(Amsal 10 : 17)
“Setiap orang yang mempunyai, kepadanya akan diberi, sehingga ia berkelimpahan. Tetapi siapa yang tidak mempunyai, apapum juga yang ada
padanya akan diambil dari padanya”. (Matius 25 : 29)
“Ikhlas menerima kekurangan adalah awal dari kelebihan”. (Mario Teguh)
“Saya tidak patah semangat, karena setiap usaha yang salah adalah satu langkah maju”.
(Thomas Alva Edison)
“Jenius adalah 1 % inspirasi dan 99 % keringat. Tidak ada yang dapat menggantikan kerja keras. Keberuntungan adalah sesuatu yang terjadi ketika
kesempatan bertemu dengan kesiapan”. (Thomas Alfa Edison)
“Ujian bukanlah untuk mengukur kepandaian, tapi untuk mengenali kepatuhan kita kepada proses belajar. Karena, kecepatan untuk belajar adalah kemampuan
yang lebih penting daripada keahlian apa pun”. (Mario Teguh)
Kupersembahkan Karya ini kepada :
Tuhan Yesus Kristus,
Bunda Maria,
Ayah Harrys,
Ibu Maria Magdalena Aguswati,
Saudara dan Kerabat,
Semua Pihak yang Telah Memberikan Bantuan,
INTISARI
PENGARUH GAS KARBONDIOKSIDA (CO2) TERHADAP AMPLITUDO DAN FASE SINYAL FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR
FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO2
Detektor fotoakustik berbasis laser CO2 merupakan alat ukur konsentrasi gas. Pengukuran konsentrasi gas menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 terkait dengan sinyal fotoakustik, daya laser, dan koefisien serapan gas. Keberadaan gas karbondioksida dalam sampel gas yang mengandung gas etilen mempengaruhi amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Hal tersebut disebabkan oleh kinetic cooling.
ABSTRACT
INFLUENCE OF CARBON DIOXIDE GAS (CO2) ON THE AMPLITUDE AND PHASE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL IN CO2-LASER-BASED
PHOTOACOUSTIC DETECTOR
The CO2-laser-based photoacoustic detector is an instrument for measuring gas concentration. The measurement of gas concentration using CO2 -laser-based photoacoustic detector is related to photoacoustic signal, laser power, and gas absorption coefficient. The presence of carbon dioxide gas in a sample gas that contains ethylene gas influences the amplitude and phase of photoacoustic signal. It is caused by kinetic cooling.
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi berjudul “PENGARUH GAS KARBONDIOKSIDA (CO2) TERHADAP AMPLITUDO DAN FASE SINYAL FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO2”. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Skripsi ini merupakan salah satu wujud harapan dan cita-cita penulis untuk belajar tanpa batas.
Penyusunan skripsi ini tidak mungkin dapat terlaksana dengan baik tanpa adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak yang terkait. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Universitas Sanata Dharma Yogyakarta khususnya Program Studi Fisika yang telah memberikan kesempatan untuk menimba ilmu dan memberikan beasiswa kepada penulis. Tanpa semuanya itu, skripsi ini tidak dapat terwujud.
2. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T, selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
untuk melakukan penelitian di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat Universitas Sanata Dharma.
4. Ibu Ir. Sri Agustini Sulandari, M.Si., selaku Ketua Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
5. Bapak Dr. Drs. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si., selaku Dosen pembimbing akademik.
6. Bapak A. Prasetyadi, M.Si., Ibu Dwi Nugraheni Rositawati, M.Si., dan segenap Dosen di Universitas Sanata Dharma yang telah mendidik, membimbing selama masa studi, dan membagikan ilmunya.
7. Mas A. Bima Windura, Mas Ngadiono, dan Bapak Sugito selaku laboran yang telah banyak membantu penulis selama masa studi dan selama masa penelitian.
8. Segenap karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma yang telah membantu selama masa studi.
9. Ayah dan Ibu tercinta yang telah memberikan semua yang diperlukan dalam menyelesaikan skripsi ini.
10. Saudara-saudara dan kerabat saya yang telah memberikan dukungan dalam menyelesaikan skripsi ini.
11. Julianto, S.T. yang telah memberi dukungan dan memberikan saran selama pengerjaan skripsi ini.
13. Niken Sawitri, Maria Fransiska Putriyani W., L. Jerniat Telaumbanua, dan Bernadet Yati S. yang senantiasa mewarnai angkatan 2007, memberikan motivasi dan saran kepada penulis.
14. Teman-teman mahasiswa angkatan 2002, 2004, 2005, dan 2008 Jurusan Fisika Universitas Sanata Dharma yang senantiasa membantu serta menguatkan penulis terutama dalam menyelesaikan skripsi ini.
15. Teman-teman kos yang selama ini telah memberikan doa dan dukungan kepada penulis terutama dalam menyelesaikan skripsi ini.
16. Semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu selama menyelesaikan skripsi dan selama masa studi.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna karena keterbatasan pengetahuan yang dimiliki penulis. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis berharap skripsi ini memberikan manfaat bagi para pembaca dan memberikan sedikit sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan.
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
HALAMAN MOTTO ... v
HALAMAN PERSEMBAHAN ... vi
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... vii
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ... viii
INTISARI ... ix
ABSTRACT ... x
KATA PENGANTAR ... xi
DAFTAR ISI ... xiv
DAFTAR GAMBAR ... xvi
BAB I. PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 3
1.3. Batasan Masalah ... 3
1.4. Tujuan Penelitian ... 4
1.5. Manfaat Penelitian ... 4
1.6. Sistematika Penulisan ... 4
2.1. Metode Spektroskopi Laser ... 6
2.2. Detektor Fotoakustik ... 7
2.3. Amplitudo dan Fase Sinyal Fotoakustik ... 10
BAB III. METODE PENELITIAN ... 17
3.1. Tempat Penelitian ... 17
3.2. Alat dan Bahan ... 17
3.2.1. Alat-Alat ... 17
3.2.2. Bagian-Bagian Penting pada Penelitian ... 18
3.2.3. Bahan ... 19
3.3. Prosedur Penelitian ... 20
3.3.1. Penentuan Garis Laser ... 20
3.3.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida ... 21
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 24
4.1. Hasil ... 24
4.1.1. Penentuan Garis Laser ... 24
4.1.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida ... 26
4.2. Pembahasan ... 30
BAB V. PENUTUP ... 36
5.1. Kesimpulan ... 36
5.2. Saran ... 36
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1. Proses yang terjadi pada molekul yang
terkena radiasi laser ... 7
Gambar 2.2. Bagan proses pengukuran konsentrasi gas pada detektor fotoakustik ... 10
Gambar 2.3. Sinyal fotoakustik dan Gelombang Laser ... 15
Gambar 2.4. Resultan amplitudo dan fasenya akibat serapan terhadap daya laser oleh dua molekul gas pada sel fotoakustik ... 16
Gambar 3.1. Rangkaian alat yang digunakan dalam penelitian ... 17
Gambar 3.2. Rangkaian alat untuk scanning gas nitrogen ... 20
Gambar 3.3. Rangkaian alat untuk scanning gas etilen ... 21
Gambar 3.4. Rangkaian alat untuk pengisian cuvet dengan karbondioksida ... 22
Gambar 4.1. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari gas nitrogen ... 25
Gambar 4.2. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen ... 26
Gambar 4.4. Grafik hubungan fase sinyal fotoakustik (θ) terhadap konsentrasi karbondioksida
untuk nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm ... 29
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Kendaraan bermotor telah menjadi alat transportasi yang penting bagi masyarakat di Indonesia. Kendaraan bermotor merupakan kendaraan yang paling banyak digunakan terutama di kota besar. Data dari Badan Pusat Statistik [Badan
Pusat Statistik Republik Indonesia, 2009], menunjukkan jumlah kendaraan
bermotor dari tahun 1987 sampai tahun 2008 cenderung terus meningkat. Kendaraan bermotor merupakan sumber polutan terbesar [Juliantara, 2010]. Asap hasil pembakaran bahan bakar dari kendaraan bermotor mengandung polutan (zat pencemar). Hal tersebut merupakan salah satu penyebab semakin buruknya kualitas udara terutama di kota besar, seperti Jakarta, Yogyakarta, dan Semarang.
Konsentrasi etilen dari suatu sampel gas dapat diukur menggunakan alat pendeteksi gas. Keberadaan gas etilen dalam suatu sampel gas dapat disertai dengan keberadaan gas-gas yang lain. Gas buang kendaraan bermotor merupakan salah satu contoh sampel gas yang mengandung beberapa jenis gas. Jumlah gas etilen yang terdapat dalam suatu sampel gas dapat berubah-rubah setiap saat. Oleh karena itu, untuk dapat mengetahui konsentrasi etilen diperlukan suatu alat yang mampu mengukur lebih dari satu macam gas secara serempak, memiliki selektivitas tinggi, sensitif, dan waktu tanggap yang cepat sehingga dapat dilakukan pengukuran secara online.
Detektor fotoakustik berbasis laser CO2 merupakan alat ukur konsentrasi gas yang berdasarkan prinsip dasar serapan cahaya. Pada detektor ini terjadi konversi berkas cahaya laser menjadi sinyal fotoakustik. Alat ini mampu mengukur lebih dari satu macam gas secara serempak. Detektor ini menjadi alat ukur konsentrasi yang sangat sensitif dan waktu tanggapnya relatif cepat sehingga dapat digunakan secara online [Santosa, 2008].
konsentrasi etilen. Selain gas etilen, gas karbondioksida (CO2) juga menyerap radiasi laser CO2 dan menghasilkan sinyal fotoakustik.
Pengaruh gas karbondioksida (CO2) terhadap hasil ukur konsentrasi etilen disebabkan oleh kinetic cooling. Kinetic Cooling disebabkan oleh kopling dari tingkat energi tereksitasi molekul CO2 dan N2 [Rooth et al., 1990]. Kinetic cooling
menyebabkan proses pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama sehingga terjadi perubahan pada amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Perubahan pada amplitudo dan fase sinyal fotoakustik menyebabkan ketidakakuratan hasil ukur konsentrasi etilen dari suatu sampel gas. Dengan mengetahui pengaruh yang ditimbulkan oleh gas karbondioksida (CO2) terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik, maka dapat diperoleh hasil ukur konsentrasi etilen yang optimal.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian yang telah diuraikan dalam latar belakang, dapat dirumuskan pokok permasalahan. Pokok permasalahan tersebut yaitu bagaimana pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2.
1.3. Batasan Masalah
Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik dari sampel gas menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Sampel gas yang digunakan dalam penelitian ini mengandung gas etilen dan gas karbondioksida.
1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh gas karbondioksida terhadap hasil ukur amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2.
1.5. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat sebagai berikut :
1. Menambah kepustakaan tentang detektor fotoakustik.
2. Dapat menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya, khususnya yang berkaitan dengan penggunaan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 untuk pengukuran gas etilen dari sampel gas yang mengandung gas etilen dan gas karbondioksida.
3. Memberikan informasi tentang pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2.
1.6. Sistematika Penulisan
BAB I PENDAHULUAN
Bab 1 berisi latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB II DASAR TEORI
Bab 2 berisi dasar-dasar teori yang mendukung penelitian pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Dasar-dasar teori tersebut adalah metode spektroskopi laser, detektor fotoakustik, dan amplitudo dan fase sinyal fotoakustik.
BAB III METODE EKSPERIMEN
Bab 3 berisi tempat pelaksanaan, alat dan bahan yang digunakan saat penelitian, dan prosedur penelitian.
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Bab 4 berisi hasil penelitian dan pembahasan hasil penelitian.
BAB V PENUTUP
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Metode Spektroskopi Laser
Sejak ditemukannya laser, terjadi perkembangan yang pesat dalam bidang
spektroskopi. Penggunaan laser sebagai sumber cahaya ini memunculkan
teknik-teknik baru dalam bidang spektroskopi. Pengembangan teknik-teknik-teknik-teknik baru
tersebut memanfaatkan kelebihan laser. Keunggulan laser itu diantaranya berdaya
tinggi, monokromatik, dan frekuensi yang dapat ditala. Dengan
keunggulan-keunggulan yang dimiliki laser, permasalahan yang tidak dapat diselesaikan oleh
spektroskopi klasik mampu diselesaikan oleh spektroskopi laser.
Perkembangan bidang spektroskopi laser erat kaitannya dengan kemajuan
bidang spektroskopi molekuler. Salah satu bidang aplikasi dalam spektroskopi
molekuler adalah pengamatan polusi udara [Wang dan Xia, 1991]. Hal ini
memungkinkan untuk memperoleh informasi komposisi molekul dan atom yang
terkandung dalam atmosfer. Selain itu, dengan menggunakan sumber radiasi laser,
dapat dipelajari eksitasi dan relaksasi dari atom dan molekul.
Salah satu spektroskopi laser adalah spektroskopi fotoakustik.
Spektroskopi ini sensitif dalam mendeteksi gas. Spektroskopi fotoakustik
merupakan spektroskopi yang menggunakan metode kalorimetrik. Pada
spektroskopi fotoakustik, radiasi laser yang diserap sampel dideteksi langsung
dari pemanasan yang terjadi pada sampel. Pemanasan tersebut memunculkan
gelombang akustik yang kemudian dideteksi oleh sensor [Zharov dan Letokhov,
2.2. Detektor Fotoakustik
Spektroskopi fotoakustik merupakan salah satu bidang spektroskopi yang
memanfaatkan kelebihan laser. Radiasi laser yang mengenai medium akan
menyebabkan molekul-molekul dalam medium yang terkena radiasi tersebut
mengalami eksitasi dari tingkat energi dasar (E1) ke tingkat energi tereksitasi (E2).
Eksitasi pada molekul tersebut akibat penyerapan foton dengan energi yang
dinyatakan oleh persamaan (2.1).
h ν = E2 – E1 (2.1)
dengan h adalah tetapan planck (6,63 x 10-34 J.s) dan ν adalah frekuensi radiasi
laser yang diserap molekul. Molekul dalam keadaan tereksitasi akan mengalami
proses relaksasi. Relaksasi tersebut dapat terjadi secara radiasi dan secara
non-radiasi. Proses tersebut ditunjukkan oleh Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Proses yang terjadi pada molekul yang terkena radiasi laser
Relaksasi secara radiasi Tingkat energi tereksitasi (E2)
Tingkat energi dasar (E1)
Radiasi laser (hν)
Relaksasi secara non-radiasi
Detektor fotoakustik merupakan alat ukur konsentrasi gas yang
menggunakan prinsip dasar serapan cahaya. Serapan terhadap daya laser dideteksi
secara langsung menggunakan metode kalorimetrik. Hal penting dalam metode
kalorimetrik terkait dengan waktu relaksasi. Relaksasi merupakan peristiwa
pelepasan energi suatu molekul dari tingkat energi tereksitasi ke tingkat energi
dasar. Peristiwa tersebut mengikuti proses interaksi laser dengan medium tertentu.
Waktu relaksasi meliputi waktu relaksasi secara radiasi dan waktu
relaksasi secara non-radiasi. Relaksasi secara non-radiasi terdiri dari relaksasi
homogen dan relaksasi heterogen. Relaksasi secara non-radiasi yang terjadi lewat
tumbukan dengan molekul lain dalam suatu volume tertentu merupakan relaksasi
homogen. Sedangkan, relaksasi secara non-radiasi yang terjadi lewat tumbukan
dengan dinding sel tempat molekul tersebut berada merupakan relaksasi
heterogen. Waktu relaksasi molekul dinyatakan oleh persamaan (2.2) [Zharov dan
Letokhov, 1986].
τ = {(τr -1) + (τhom -1) + (τhet -1)}-1 (2.2)
dengan τ adalah waktu relaksasi molekul, τr adalah waktu relaksasi secara radiasi,
τhom adalah waktu relaksasi homogen, dan τhet adalah waktu relaksasi heterogen.
Laser merupakan sumber cahaya yang digunakan pada sistem fotoakustik.
Jenis laser yang digunakan akan menentukan wilayah kerja sistem fotoakustik.
Salah satu contoh laser yang digunakan pada sistem fotoakustik adalah laser CO2
yang bekerja di daerah panjang gelombang 9 - 11 μm [Santosa, 2008]. Detektor
inframerah. Pada daerah panjang gelombang tersebut, relaksasi homogen
merupakan relaksasi yang dominan dari keseluruhan proses relaksasi yang terjadi
pada molekul-molekul dalam medium. Hal tersebut mengakibatkan kenaikan
energi kinetik pada medium. Kenaikan energi kinetik menyebabkan kenaikan
suhu dan tekanan. Jika intensitas radiasi laser CO2 yang datang menuju medium
dimodulasi secara periodik, maka tekanan tersebut akan berubah secara periodik.
Hal ini menyebabkan munculnya bunyi. Pada detektor fotoakustik berbasis laser
CO2, proses pembangkitan bunyi tersebut terjadi di dalam sel fotoakustik.
Sel fotoakustik merupakan salah satu komponen penting pada detektor
fotoakustik. Bagian utama dari sel fotoakustik adalah resonator akustik dan
mikropon. Resonator akustik merupakan tempat terjadinya resonansi bunyi. Bunyi
yang berasal dari medium dalam resonator akustik akan dideteksi oleh mikropon.
Keluaran dari mikropon tersebut akan diperkuat oleh lock-in amplifier. Keluaran
dari mikropon merupakan sinyal fotoakustik yang kemudian diolah komputer
bersama dengan daya laser yang terukur oleh powermeter. Dari data tersebut
dapat diperoleh nilai konsentrasi gas penyerapnya [Santosa, 2008]. Secara
sederhana, proses yang terjadi pada detektor fotoakustik dapat dijelaskan dengan
Gambar 2.2. Bagan proses pengukuran konsentrasi gas pada detektor fotoakustik
2.3. Amplitudo dan Fase Sinyal Fotoakustik
Tiap gas yang terkandung dalam suatu sampel gas akan memberikan
sumbangan terhadap sinyal fotoakustik jika gas tersebut menyerap radiasi laser
CO2 pada detektor fotoakustik. Suatu sampel gas yang mengandung gas etilen
(C2H4) , uap air (H2O), dan karbondioksida (CO2) mengalir menuju detektor
Laser (sumber cahaya)
Penyerapan energi oleh molekul gas pada sel fotoakustik
Kenaikan energi kinetik
Kenaikan suhu dan tekanan pada sel fotoakustik
Laser dimodulasi
Tekanan berubah secara periodik
Sinyal fotoakustik (bunyi) dideteksi mikropon dan daya
diukur powermeter
fotoakustik. Pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2, radiasi laser dengan
panjang gelombang tertentu diarahkan ke sel fotoakustik yang berisi sampel gas.
Molekul-molekul gas H2O, C2H4, dan CO2 yang terdapat pada sampel gas akan
dieksitasi secara simultan seperti dinyatakan oleh persamaan di bawah ini.
C2H4 + hνx C2H4* (2.3)
H2O + hνx H2O* (2.4)
CO2+ hνx CO2* (2.5)
Persamaan (2.3), persamaan (2.4), dan persamaan (2.5) menunjukkan molekul gas
C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2 menyerap energi sebesar hνx
sehingga molekul-molekul gas tersebut berpindah dari keadaan dasar ke keadaan
tereksitasi ( C2H4*, H2O*, CO2* ). Suatu molekul yang tereksitasi akan mengalami
relaksasi. Dalam proses relaksasi, energi foton yang diserap oleh molekul tersebut
akan dilepaskan. Relaksasi vibrasi suatu molekul secara non-radiasi
mengakibatkan kenaikan suhu.
Molekul gas H2O dan C2H4 yang tereksitasi ( H2O* dan C2H4* ) akan
mengalami relaksasi vibrasi dengan menyerahkan energinya saat menumbuk
molekul gas N2 dan O2 yang terkandung dalam sampel gas. Proses tersebut terjadi
yang tereksitasi oleh radiasi laser CO2 akan mengalami relaksasi vibrasi yang
dinyatakan oleh persamaan di bawah ini.
CO2* + N2 CO2 + N2* (2.6)
Pada proses relaksasi yang ditunjukkan oleh persamaan (2.6), molekul gas CO2
tereksitasi ( CO2* ) menyerahkan energinya ke molekul gas N2 yang memiliki
tingkat energi vibrasi resonan. Sehingga, molekul gas N2 berada dalam keadaan
terkesitasi ( N2* ). Molekul gas N2 tereksitasi ( N2* ) berelaksasi dengan
menyerahkan energinya saat menumbuk molekul gas N2 dan O2 yang terkandung
dalam sampel gas. Proses ini terjadi dalam waktu yang relatif lama. Hal tersebut
menyebabkan proses pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama. Proses
inilah yang disebut kinetic cooling [Rooth et al., 1990].
Pada detektor fotoakustik, pemanasan sampel gas yang mengandung gas
etilen, uap air, dan gas karbondioksida akibat serapan radiasi laser akan
membangkitkan sinyal fotoakustik. Sinyal fotoakustik tersebut dinyatakan oleh
persamaan (2.7) [Rooth et al., 1990].
CO2, x3 adalah konsentrasi molekul gas CO2, ω adalah frekuensi modulasi,
I0 adalah intensitas radiasi laser, τ4 adalah waktu relaksasi vibrasional efektif dari
tingkat energi tereksitasi molekul gas nitrogen, β adalah koefisien, dan A adalah
konstanta sel fotoakustik.
Pada persamaan (2.7) terlihat sinyal fotoakustik terkait dengan koefisien
serapan dan konsentrasi gas. Sinyal fotoakustik tersebut sebanding dengan
penjumlahan linear dari hasil kali koefisien serapan dengan konsentrasi gas, tetapi
untuk molekul gas CO2 terdapat faktor
menunjukkan adanya pengaruh kinetic cooling akibat relaksasi yang lama dari
molekul gas CO2. Hal tersebut ditunjukkan dengan faktor τ4 yang merupakan
waktu relaksasi dari molekul gas nitrogen tereksitasi. Energi eksitasi pada molekul
gas nitrogen tersebut akibat tumbukan dari molekul gas karbondioksida tereksitasi
yang memiliki tingkat energi vibrasi resonan dengan molekul gas nitrogen.
Sinyal fotoakustik memiliki amplitudo (R) dan fase (θ). Persamaan
amplitudo (R) dan fase (θ) diperoleh dari persamaan (2.7). Amplitudo (R) sinyal
fotoakustik dinyatakan oleh persamaan (2.8) dan fase (θ) sinyal fotoakustik
dinyatakan oleh persamaan (2.9) [Rooth et al., 1990].
(
)
Peristiwa kinetic cooling mempengaruhi amplitudo dan fase sinyal fotoakustik.
Hal tersebut ditunjukkan oleh faktor τ4 pada persamaan (2.8) dan (2.9).
Jika pada sel fotoakustik terdapat sampel yang mengandung dua molekul
gas, maka sinyal fotoakustik yang dihasilkan merupakan perpaduan
masing-masing sinyal fotoakustik yang berasal dari masing-masing-masing-masing molekul gas tersebut.
Relaksasi molekul pertama terjadi dalam waktu yang singkat. Waktu relaksasi
yang singkat menunjukkan waktu datang sinyal fotoakustik seketika setelah
dikenai radiasi laser. Relaksasi molekul gas kedua terjadi dalam waktu yang lama.
Hal tersebut menunjukkan waktu datang sinyal fotoakustik lebih lambat daripada
saat dikenai radiasi laser. Waktu datang sinyal fotoakustik yang lebih lambat
daripada saat dikenai radiasi laser menyebabkan pergeseran fase sinyal
fotoakustik. Gambar 2.3 menunjukkan waktu munculnya kedua sinyal fotoakustik
Δt
Gambar 2.3. Sinyal fotoakustik dan gelombang laser
Gambar 2.3 menampilkan tiga buah gelombang yaitu dua sinyal fotoakustik dan
satu gelombang laser. Sinyal fotoakustik pertama muncul seketika setelah dikenai
radiasi laser. Sinyal fotoakustik kedua muncul setelah selang beberapa waktu dari
saat dikenai radiasi laser. Hal ini menyebabkan pergeseran fase terhadap saat
dikenai radiasi laser.
Masing-masing sinyal fotoakustik memiliki amplitudo dan fase. Molekul
gas pertama menghasilkan sinyal fotoakustik dengan amplitudo R1 dan fase
bernilai nol. Molekul gas kedua menghasilkan sinyal fotoakustik dengan
amplitudo R2 dan fase sebesar θ2. Perpaduan dua sinyal fotoakustik dari dua jenis
molekul gas tersebut akan menghasilkan resultan amplitudo (R) dan fasenya (θ). t
Keterangan :
Gelombang laser
Sinyal fotoakustik yang
muncul seketika setelah
dikenai radiasi laser
t
t
Sinyal fotoakustik yang
memiliki pergeseran fase
terhadap saat dikenai
Perpaduan tersebut dapat digambarkan dengan diagram fasor seperti pada Gambar
2.4 [Sutrisno, 1982].
Gambar 2.4. Resultan amplitudo dan fasenya akibat serapan terhadap daya laser oleh dua molekul gas pada sel fotoakustik
Jika kedua molekul gas memiliki waktu relaksasi yang singkat, maka
resultan amplitudo dari kedua sinyal fotoakustik yang berinterferensi merupakan
penjumlahan dari amplitudo masing-masing sinyal fotoakustik tersebut. Jika salah
satu molekul gas memiliki waktu relaksasi yang lama maka muncul beda fase
yang disebabkan oleh molekul tersebut. Hal tersebut menyebabkan resultan
amplitudo dari kedua sinyal fotoakustik lebih kecil dari penjumlahan amplitudo
masing-masing sinyal fotoakustik.
R
θ
R1
θ2
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat,
Kampus III Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3.2. Alat dan Bahan
3.2.1. Alat – Alat
Penelitian ini dilakukan menggunakan instrumen Detektor
Fotoakustik dengan sumber cahaya Laser CO2. Rangkaian alat yang
digunakan diperlihatkan pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1. Rangkaian alat yang digunakan dalam penelitian
Komputer 2 Komputer 1
Cuvet
flowcontroller
flowcontroller
flow- controller
flowmeter
Cuvet dan Sensor H2O
Cuvet dan Sensor CO2
etilen
Detektor fotoakustik
Gambar 3.1. menunjukkan rangkaian alat yang digunakan untuk meneliti
pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal
fotoakustik. Pada penelitian ini, digunakan gas-gas yang berasal dari
tabung gas. Berikut adalah bagian-bagian penting pada penelitian.
3.2.2. Bagian-Bagian Penting pada Penelitian
Bagian-bagian penting dari alat-alat yang digunakan pada
penelitian adalah :
Flowcontroller
Flowcontroller digunakan sebagai pengatur kecepatan aliran gas pada
sistem fotoakustik. Rangkaian alat pada Gambar 3.1 menggunakan tiga
flowcontroller.
Cuvet
Cuvet merupakan tempat menampung gas karbondioksida.
Detektor Fotoakustik
Detektor fotoakustik berbasis laser CO2 digunakan untuk mengukur
amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Laser CO2 yang digunakan
sebagai sumber cahaya terdiri dari medium aktif, resonator optis, dan
power supply. Pada sel fotoakustik terjadi konversi berkas cahaya laser
menjadi sinyal fotoakustik yang akan ditangkap oleh mikropon. Sinyal
yang ditangkap mikropon akan diperkuat menggunakan lock-in
Komputer
Komputer digunakan sebagai pencatat data, penampil data, dan
pengolah data serta pengendali proses pengukuran.
Sensor CO2 dan Sensor H2O
Sensor CO2 digunakan untuk mengetahui konsentrasi karbondioksida
saat dilakukan pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik
menggunakan detektor fotoakustik. Sensor H2O digunakan untuk
mengetahui konsentrasi uap air. Data dari kedua sensor ini akan diolah
menggunakan komputer.
Flowmeter
Flowmeter digunakan untuk mengetahui kecepatan aliran gas pada
sistem fotoakustik. Besar kecepatan aliran gas ini ditunjukkan oleh
flowmeter dalam satuan ml/menit.
3.2.3. Bahan
Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah gas etilen, gas
karbondioksida, dan gas nitrogen. Penelitian ini menggunakan gas-gas
yang berasal dari tabung gas dimana campuran gas-gas tersebut diatur
komposisinya. Penggunaan gas-gas yang berasal dari tabung bertujuan
menjamin hasil ukur yang baik karena konsentrasi gas yang berada di
dalam tabung telah diketahui dengan pasti. Penelitian ini menggunakan
3.3. Prosedur Penelitian
Tahap-tahap pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
3.3.1. Penentuan Garis Laser
Penentuan garis laser yang mempunyai serapan etilen dilakukan
dengan scanning terhadap gas nitrogen dan scanning terhadap gas etilen.
Scanning terhadap gas nitrogen dilakukan menggunakan rangkaian pada
Gambar 3.2. Pada Gambar 3.2 terlihat gas nitrogen dialirkan ke
flowcontroller untuk diatur kecepatan alirannya, kemudian menuju
detektor fotoakustik untuk scanning. Besar kecepatan aliran gas nitrogen
diukur menggunakan flowmeter. Scanning dilakukan pada nilai frekuensi
resonansi 1741 Hz.
Gambar 3.2. Rangkaian alat untuk scanning gas nitrogen
Setelah dilakukan scanning terhadap gas nitrogen, akan dilakukan
scanning terhadap gas etilen. Rangkaian alat yang digunakan yaitu
rangkaian pada Gambar 3.3. Konsentrasi etilen yang digunakan harus kecil
agar daya laser tidak habis diserap gas etilen. Konsentrasi etilen yang kecil
flowcontroller
Detektor fotoakustik
nitrogen
diperoleh melalui pengenceran. Pengenceran tersebut dilakukan dengan
cara mencampur gas etilen dengan gas nitrogen. Pencampuran tersebut
dilakukan dengan mengatur kecepatan aliran kedua gas dari
masing-masing tabung gas menggunakan flowcontroller.
Pada Gambar 3.3 terlihat gas nitrogen dialirkan ke flowcontroller.
Gas etilen juga dialirkan ke flowcontroller. Setelah mengalir melewati
flowcontroller, kedua gas dengan kecepatan aliran tertentu bercampur dan
menuju detektor fotoakustik untuk scanning. Selanjutnya, aliran campuran
gas ini akan diukur besar alirannya menggunakan flowmeter. Scanning
dilakukan pada nilai frekuensi resonansi 1741 Hz.
Gambar 3.3. Rangkaian alat untuk scanning gas etilen
3.3.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida
Penyelidikan pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan
fase sinyal fotoakustik dilakukan dengan cara memberikan variasi nilai
konsentrasi karbondioksida. Hal pertama yang dilakukan dalam
penyelidikan ini adalah mengisi cuvet dengan gas karbondioksida yang etilen
flowcontroller
Detektor fotoakustik
nitrogen
flowmeter
nitrogen karbondioksida
Flow- controller
Cuvet dan Sensor CO2
Cuvet flowmeter
flowcontroller
memiliki konsentrasi 5000 ppm. Pengisian ini dilakukan menggunakan
rangkaian pada Gambar 3.4.
Sebelum mengisi cuvet dengan gas karbondioksida, gas
karbondioksida dari tabung gas diencerkan terlebih dahulu. Pengenceran
ini dilakukan karena konsentrasi karbondioksida pada tabung gas terlalu
besar. Gas karbondioksida yang telah diencerkan tersebut dialirkan ke
dalam cuvet. Selanjutnya, gas ini akan mengalir ke cuvet yang berisi
sensor CO2 untuk diukur nilai konsentrasinya kemudian mengalir menuju
ke flowmeter untuk diukur kecepatan alirannya. Saat nilai konsentrasi
karbondioksida yang terukur oleh sensor mencapai 5000 ppm, maka aliran
campuran gas dihentikan. Cuvet yang berisi gas karbondioksida dengan
konsentrasi 5000 ppm tersebut digunakan untuk menyelidiki pengaruh gas
karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik.
Penyelidikan pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan
fase sinyal fotoakustik menggunakan rangkaian pada Gambar 3.1.
Penyelidikan tersebut dilakukan pada garis laser yang memiliki serapan
etilen. Posisi garis laser yang memiliki serapan etilen diketahui dari hasil
yang diperoleh pada tahap pertama penelitian yaitu penentuan garis laser.
Pada percobaan ini, konsentrasi karbondioksida divariasi.
Selanjutnya, dilakukan pengukuran nilai amplitudo dan fase sinyal
fotoakustik. Nilai amplitudo dan fase sinyal fotoakustik yang terukur
ditampilkan oleh lock-in amplifier. Nilai konsentrasi etilen dan nilai
konsentrasi uap air dibuat tetap selama pengukuran dan nilainya dibuat
kecil. Selama percobaan tersebut berlangsung, dilakukan pencatatan nilai
konsentrasi karbondioksida, pencatatan nilai konsentrasi uap air, dan
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil
Penelitian dilakukan mengikuti prosedur penelitian yaitu penentuan garis
laser dan penyelidikan pengaruh gas karbondioksida. Hasil penelitian tersebut
adalah :
4.1.1. Penentuan Garis Laser
Penentuan garis laser dilakukan dengan cara scanning terhadap gas
nitrogen dan scanning terhadap campuran gas etilen dengan gas nitrogen.
Scanning terhadap gas nitrogen dilakukan untuk posisi steppermotor 6200
sampai 7000. Pada scanning tersebut, gas nitrogen dari tabung gas
dialirkan menuju detektor fotoakustik dengan kecepatan aliran
30,1 ml/menit. Rangkaian alat yang digunakan untuk scanning gas
nitrogen tersebut adalah rangkaian pada Gambar 3.2.
Scanning terhadap campuran gas etilen dengan gas nitrogen
menggunakan rangkaian alat pada Gambar 3.3. Gas etilen dicampur
dengan gas nitrogen karena konsentrasi gas etilen pada tabung gas terlalu
besar yaitu 10 ppm. Gas etilen 10 ppm dengan kecepatan aliran
3,1 ml/menit dicampur dengan gas nitrogen yang memiliki kecepatan
aliran 27,2 ml/menit. Campuran tersebut menghasilkan gas etilen dengan
konsentrasi 0,99 ppm yang mengalir dengan kecepatan 30,3 ml/menit. Gas
etilen hasil pencampuran inilah yang mengalir ke detektor fotoakustik
Scanning menghasilkan data daya dan sinyal fotoakustik untuk setiap
posisi steppermotor. Nilai sinyal ternormalisir untuk tiap posisi
steppermotor dapat diperoleh dari data daya dan sinyal tersebut. Grafik
sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari gas nitrogen
ditunjukkan oleh Gambar 4.1. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi
steppermotor dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen ditunjukkan
oleh Gambar 4.2.
6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000
Sin
0
6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000
Sin
Gambar 4.2. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen
Pertambahan sinyal ternormalisir diketahui dengan cara
membandingkan Gambar 4.1 dengan Gambar 4.2. Pertambahan sinyal
ternormalisir yang terbesar terjadi pada posisi steppermotor 6542. Gambar
4.1 menunjukkan pada posisi tersebut dihasilkan nilai sinyal ternormalisir
yang sangat kecil. Gambar 4.2 menunjukkan terjadinya pertambahan
sinyal ternormalisir yang terbesar pada posisi tersebut. Posisi tersebut
merupakan posisi garis laser untuk etilen yaitu pada posisi steppermotor
6542.
4.1.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida
Hal pertama yang dilakukan dalam penyelidikan ini adalah
pengisian cuvet dengan gas karbondioksida yang memiliki konsentrasi
Gambar 3.4. Setelah itu, dilakukan penyelidikan pengaruh perubahan
konsentrasi karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik
menggunakan rangkaian alat pada Gambar 3.1. Penyelidikan ini
menggunakan cuvet yang telah berisi gas karbondioksida dengan
konsentrasi 5000 ppm. Penyelidikan tersebut dilakukan pada garis laser
yang memiliki serapan terhadap etilen. Posisi garis laser tersebut dapat
diketahui dari hasil penentuan garis laser.
Aliran gas-gas yang digunakan pada penyelidikan ini dibuat tetap
selama pengukuran. Gas nitrogen dialirkan menuju cuvet yang berisi gas
karbondioksida dengan kecepatan aliran 19,9 ml/menit. Kemudian, gas
tersebut bercampur dengan campuran gas etilen 10 ppm yang memiliki
kecepatan aliran 3,0 ml/menit dan gas nitrogen yang memiliki kecepatan
aliran 7,3 ml/menit. Sehingga, diperoleh nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm
dengan kecepatan aliran 30,2 ml/menit serta nilai konsentrasi
karbondioksida yang berubah-ubah seiring bertambahnya waktu.
Sementara itu, tidak ada tambahan aliran dari uap air maka konsentrasi uap
air pada penyelidikan ini memiliki nilai yang tetap yaitu 53,07 %.
Selanjutnya, dilakukan pengukuran nilai amplitudo dan fase sinyal
fotoakustik. Saat pengukuran nilai amplitudo dan fase sinyal fotoakustik
tersebut dilakukan pencatatan nilai daya laser. Pengukuran tersebut
dilakukan pada nilai frekuensi resonansi 1741 Hz. Sehingga, diperoleh
data pada Tabel 4.1. Grafik amplitudo tiap satuan daya (R/P) ditunjukkan
Tabel 4.1. Amplitudo tiap satuan daya (R/P) dan fase (θ) sinyal fotoakustik
Posisi Steppermotor : 6542
Konsentrasi Uap Air : 53,07 %
Frekuensi Resonansi : 1741 Hz
Konsentrasi Etilen : 0,99 ppm
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
A
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
F
Gambar 4.4. Grafik hubungan fase sinyal fotoakustik (θ) terhadap konsentrasi karbondioksida untuk nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm
Data pada Tabel 4.1 menunjukkan nilai amplitudo tiap satuan daya
berbeda saat nilai konsentrasi karbondioksida berbeda walaupun nilai
konsentrasi etilen tetap yaitu 0,99 ppm dan nilai konsentrasi uap air tetap
yaitu 53,07 %. Gambar 4.3 menunjukkan grafik hubungan amplitudo tiap
satuan daya (R/P) terhadap konsentrasi karbondioksida. Grafik tersebut
menunjukkan peningkatan nilai R/P saat terjadi peningkatan nilai
konsentrasi karbondioksida. Gambar 4.4 menunjukkan adanya nilai fase
sinyal fotoakustik berbeda saat nilai konsentrasi karbondioksida berbeda
walaupun nilai konsentrasi etilen tetap yaitu 0,99 ppm dan nilai
konsentrasi uap air tetap yaitu 53,07 %. Pada grafik tersebut, fase sinyal
4.2. Pembahasan
Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik untuk nilai
konsentrasi karbondioksida yang berbeda-beda telah dilakukan dalam penelitian
ini. Pengukuran tersebut dilakukan pada nilai konsentrasi etilen yang tetap dan
nilai konsentrasi uap air yang tetap. Pengukuran dilakukan menggunakan detektor
fotoakustik berbasis laser CO2. Penelitian ini dilakukan pada garis laser yang
memiliki serapan terhadap etilen. Oleh karena itu, sebelum pengukuran
dilaksanakan perlu dilakukan penentuan garis laser.
Penentuan garis laser dilakukan dengan cara scanning. Scanning
dilakukan untuk gas nitrogen dan untuk campuran gas etilen dengan gas nitrogen.
Pencampuran gas etilen dengan gas nitrogen bertujuan menghindari habisnya daya
laser terserap oleh molekul gas etilen. Dalam hal ini, konsentrasi etilen
mempengaruhi serapan terhadap daya laser. Saat proses eksitasi, molekul gas
yang terdapat di dalam sel fotoakustik menyerap daya laser untuk berpindah dari
keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Jika konsentrasi etilen terlalu besar maka
serapannya terhadap daya laser juga besar. Hal tersebut memungkinkan daya laser
habis terserap oleh molekul gas tersebut. Oleh karena itu, konsentrasi gas etilen
yang digunakan harus kecil dan perlu dilakukan pengenceran.
Posisi garis laser yang memiliki serapan terbesar ditunjukkan oleh posisi
steppermotor yang memiliki pertambahan sinyal ternormalisir terbesar.
Pertambahan sinyal ternormalisir disebabkan adanya serapan etilen terhadap daya
laser pada posisi tersebut. Dari hasil perbandingan kedua grafik sinyal
yaitu 6542. Posisi garis laser tersebut merupakan posisi garis laser yang sensitif
untuk mengukur gas etilen. Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik
dilakukan pada posisi tersebut.
Pada penelitian ini, amplitudo tiap satuan daya (R/P) dan fase (θ) sinyal
fotoakustik beda untuk nilai konsentrasi karbondioksida yang
berbeda-beda walaupun nilai konsentrasi etilen tetap dan nilai konsentrasi uap air tetap.
Grafik hubungan amplitudo tiap satuan daya (R/P) terhadap konsentrasi
karbondioksida ditunjukkan oleh Gambar 4.3. Pada grafik tersebut, saat nilai
konsentrasi karbondioksida meningkat terjadi peningkatan nilai amplitudo tiap
satuan daya. Gambar 4.4 menunjukkan peningkatan nilai fase sinyal fotoakustik
saat terjadi peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida.
Hasil pengukuran yang diperoleh pada penelitian ini menunjukkan
terbentuknya resultan amplitudo dan fasenya yang berasal dari molekul gas C2H4
(etilen), molekul gas H2O (uap air), dan molekul gas CO2 (karbondioksida).
Peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida saat konsentrasi etilen dan
konsentrasi uap air bernilai tetap menyebabkan peningkatan nilai amplitudo sinyal
fotoakustik tiap satuan daya. Hal ini memenuhi persamaan (2.8). Di samping itu,
peningkatan konsentrasi karbondioksida saat konsentrasi etilen dan konsentrasi
uap air bernilai tetap menyebabkan peningkatan fase sinyal fotoakustik. Hal ini
memenuhi persamaan (2.9).
Persamaan (2.8) dan (2.9) menunjukkan keterkaitan amplitudo dan fase
sinyal fotoakustik terhadap konsentrasi gas. Persamaan (2.8) menunjukkan jika
bernilai tetap maka akan terjadi peningkatan nilai amplitudo sinyal fotoakustik.
Persamaan (2.9) menunjukkan nilai fase sinyal fotoakustik akan meningkat bila
terjadi peningkatan nilai konsentrasi gas karbondioksida ketika konsentrasi gas
lain bernilai tetap. Hasil pengukuran yang diperoleh dalam penelitian ini
memenuhi kedua persamaan tersebut.
Sinyal fotoakustik terkait dengan daya laser, koefisien serapan, dan
konsentrasi gas. Faktor lain yang terkait dengan sinyal fotoakustik adalah waktu
relaksasi molekul. Pada metode spektroskopi laser, salah satu fenomena fisika
yang terjadi pada interaksi laser dengan medium tertentu adalah relaksasi dari
molekul-molekul yang terdapat dalam medium tersebut [Zharov dan Letokhov,
1986]. Waktu relaksasi mempengaruhi nilai fase sinyal fotoakustik. Jika terdapat
lebih dari satu jenis molekul gas pada sel fotoakustik, maka cepat atau lambatnya
waktu relaksasi molekul tergantung dari interaksi molekul-molekul gas tersebut.
Interaksi molekul-molekul gas ditentukan dari jenis gas dan sifatnya.
Dalam penelitian ini, gas nitrogen digunakan sebagai gas pembawa. Gas pembawa
ini tidak menyerap radiasi laser CO2 sehingga keberadaannya tidak mempengaruhi
hasil pengukuran. Gas pembawa tersebut akan membawa sampel gas yang
mengandung molekul gas C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2 ke sel
fotoakustik. Radiasi laser yang mengenai sampel gas pada sel fotoakustik
menyebabkan molekul gas C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2
mengalami eksitasi dari keadaan dasar ke keadaaan tereksitasi ( C2H4*, H2O*, dan
CO2* ). Molekul-molekul gas tersebut akan mengalami relaksasi. Molekul gas
gas C2H4 (etilen) dan molekul gas H2O (uap air). Hal tersebut menyebabkan
pergeseran fase sinyal fotoakustik.
Penggabungan sinyal fotoakustik dari molekul gas C2H4, molekul gas
H2O, dan molekul gas CO2 menghasilkan resultan amplitudo dan fase dengan nilai
tertentu. Saat nilai konsentrasi karbondioksida meningkat, nilai amplitudo tiap
satuan daya dan nilai fase sinyal fotoakustik yang diperoleh dalam penelitian ini
juga meningkat. Hal tersebut menandakan terjadinya peristiwa kinetic cooling
yang mengakibatkan pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama. Kinetic
cooling disebabkan waktu relaksasi molekul gas karbondioksida (CO2) yang lebih
lama dibandingkan molekul gas etilen (C2H4) dan molekul gas H2O (uap air).
Peristiwa kinetic cooling ditandai dengan adanya faktor τ4 pada
persamaan (2.7), persamaan (2.8), dan persamaan (2.9). τ4 merupakan waktu
relaksasi vibrasional efektif dari molekul gas nitrogen tereksitasi. Molekul gas
nitrogen tersebut mengalami eksitasi karena tumbukan dari molekul gas CO2
tereksitasi yang memiliki tingkat energi vibrasi yang resonan dengan molekul
tersebut. Relaksasi vibrasional efektif dari molekul gas nitrogen tereksitasi
melibatkan proses transfer energi dari energi eksitasi molekul tersebut ke energi
translasi melalui tumbukan dengan molekul gas lain.
Relaksasi dari molekul gas C2H4 dan H2O tereksitasi ( C2H4* dan
H2O* ) terjadi dalam waktu yang singkat dan jika tidak terdapat molekul gas
karbondioksida maka tidak terjadi kinetic cooling. Jika tidak terjadi kinetic
cooling, maka nilai sinyal fotoakustik akan sebanding dengan penjumlahan linear
saat terjadi relaksasi dalam waktu yang lama akibat keberadaan molekul gas
karbondioksida, maka terjadilah kinetic cooling. Hal tersebut menyebabkan
munculnya faktor
pada hasil kali koefisien serapan dan
konsentrasi gas karbondioksida pada persamaan (2.7).
Sinyal fotoakustik yang dihasilkan terkait dengan kosentrasi molekul gas
yang berada dalam sel fotoakustik. Sinyal fotoakustik memiliki amplitudo dan
fase. Jika relaksasi molekul-molekul gas terjadi dalam waktu yang singkat maka
resultan amplitudo sinyal fotoakustik merupakan penjumlahan amplitudo
masing-masing sinyal fotoakustik. Sehingga, dapat diperoleh hasil ukur konsentrasi gas
yang tepat menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Penggabungan
sinyal fotoakustik dari molekul-molekul gas yang memiliki waktu relaksasi
berbeda menyebabkan resultan amplitudonya lebih kecil daripada penjumlahan
amplitudo sinyal fotoakustik dari masing-masing gas. Perpaduan amplitudo dan
fase tersebut dapat digambarkan dengan diagram fasor seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 2.4. Hal ini menyebabkan ketidakakuratan hasil ukur konsentrasi
gas.
Pada penelitian ini, perubahan kosentrasi karbondioksida mengakibatkan
perubahan amplitudo tiap satuan daya dan perubahan fase sinyal fotoakustik pada
nilai konsentrasi etilen dan nilai konsentrasi uap air yang tetap. Pengukuran
konsentrasi etilen menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 erat
kaitannya dengan sinyal fotoakustik yang diperoleh dari pengukuran tersebut.
karbondioksida tersebut akan menyebabkan hasil ukur konsentrasi etilen
menggunakan detektor fotoakustik menjadi tidak akurat. Oleh karena itu,
pengukuran konsentrasi etilen tanpa memperhitungkan adanya molekul gas
karbondioksida dalam sampel gas yang diukur akan menyebabkan kesalahan pada
hasil ukur konsentrasi etilen tersebut.
Keberadaan gas karbondioksida dalam suatu sampel gas menyebabkan
hasil ukur konsentrasi etilen yang kurang tepat. Contoh sampel gas yang
mengandung gas etilen dan gas karbondioksida adalah gas buang kendaraan
bermotor. Oleh karena itu, pengukuran konsentrasi gas etilen dari sampel gas
tersebut menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 harus
memperhatikan keberadaan gas karbondioksida. Gas karbondioksida yang
terkandung dalam sampel gas tersebut harus ditapis. Penapisan gas
karbondioksida dapat dilakukan menggunakan kalium hidroksida / KOH
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Pada penelitian ini telah dilakukan pengukuran amplitudo dan fase sinyal
fotoakustik untuk konsentrasi karbondioksida yang berbeda-beda menggunakan
detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Pengukuran ini dilakukan pada nilai
konsentrasi etilen dan persentase uap air yang tetap. Hasil pengukuran yang
ditunjukkan oleh Gambar 4.3 dan Gambar 4.4. Berdasarkan hasil pengukuran
tersebut, dapat disimpulkan bahwa :
1. Peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida menyebabkan peningkatan
nilai amplitudo sinyal fotoakustik tiap satuan daya (R/P) dan peningkatan
nilai fase sinyal fotoakustik (θ).
2. Keberadaan gas karbondioksida dalam suatu sampel gas menyebabkan
ketidakakuratan hasil ukur konsentrasi etilen dari sampel gas tersebut.
5.2. Saran
Jika dilakukan penelitian pada bidang sejenis dengan penelitian ini atau
dilakukan pengembangan dalam penelitian ini maka penulis menyarankan untuk
1. Pengukuran konsentrasi etilen dari suatu sampel menggunakan detektor
fotoakustik berbasis laser CO2 harus memperhatikan keberadaan gas
karbondioksida.
2. Pengukuran konsentrasi etilen dari sampel yang mengandung gas
karbondioksida pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2 dilakukan
DAFTAR PUSTAKA
Altuzar, V., Tomás, S. A., Zelaya-Angel, O., Sánchez-Sinencio, F., dan Arriaga, J. L..2003.”Atmospheric Pollution Profile in Mexico City in Two Different Seasons.”Review of Scientific Instruments.74(1) : 500 – 502.
Badan Pusat Statistik Republik Indonesia.2009. “Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor Menurut Jenis tahun
Gondal, M. A..1997.”Laser Photoacoustic Spectrometer for Remote Monitoring of Atmospheric Pollutants.”Applied Optics.36(15) : 3195 - 3201.
Juliantara, Ketut. “Polutan Pencemaran Udara (Pb).”
http://kesehatan.kompasiana.com/group/medis/2010/04/11/polutan-pencemaran-udara-pb/.diakses tanggal : 21 Oktober 2010.
Rooth, R. A., Verhage, A. J. L., dan Wouters, L. W..1990.”Photoacoustic Measurement of Ammonia in The Atmosphere : Influence of Water Vapor and Carbon Dioxide.”Applied Optics.29(25) : 3643 – 3653.
Santosa, Ign. Edi. 2008. Spektroskopi Fotoakustik.Yogyakarta : Laboratorium Analisa Kimia dan Fisika Pusat Universitas Sanata Dharma.
Sutrisno. 1982. Fisika Dasar : Gelombang dan Optik. Bandung : ITB.
Wang, Zu-Geng dan Xia, Hui-Rong.1991.Molecular and Laser Spectroscopy. Berlin : Springer-Verlag.