PERANCANGAN DAN KARAKTERISASI SISTEM SENSOR GAS METANA

PERANCANGAN DAN KARAKTERISASI SISTEM SENSOR GAS METANA
Oleh
Ikhwan Wahyudianto
2009
Abstrak

Metana adalah salah satu gas yang dapat digunakan sebagai sumber energi. Metana mempunyai sifat ringan, tidak berbau dan mudah terbakar. Pada penelitian ini dirancang sistem sensor gas metana yang dapat digunakan untuk pengukuran konsentrasi gas metana. Salah satu material sensor gas metana adalah senyawa paladium oksida. Prinsip kerja sensor adalah penurunan resistansi pada sensor ketika mendeteksi gas metana. Sistem sensor yang digunakan dalam penelitian ini akan dikarakterisasi. Karakterisasi yang dilakukan meliputi respon time sensor, jangkauan pengukuran masukan dan pengeluaran, tegangan saturasi, dan kalibrasi. Hasil pengukuran akan ditampilkan melalui LCD dan PC, pemrograman menggunakan Visual Basic, dan mikrokontroler yang digunakan adalah AVR ATMEGA 8.
Hasil pengolahan data karakterisasi sensor yang telah diperoleh menunjukkan bahwa respon time sistem sensor ketika pemanasan adalah 450 s, respon time setelah pemanasan 100 s, jangkauan pengukuran masukannya adalah antara 500ppm -10.000ppm dengan rentang sinyal keluaran 0.8V-4.8V. Kalibrasi dilakukan dengan membandingkan tegangan keluaran sensor dan alat ukur konsentrasi gas metana. Hasil kalibrasi adalah fungsi transfer sensor yaitu V=1.8636Ln(ppm)-11.686.
Kata kunci: Metana, sensor gas, karakterisasi, kalibrasi, pengukuran.


I. Pendahuluan
I.1 Latar Belakang Masalah
Metana merupakan salah satu sumber energi. Gas metana terdapat pada gas alam, dan batubara. Gas metana juga dapat diproduksi massal oleh bakteri anaerobik dari bahan-bahan organik yang disebut sebagai biogas. Prosentase metana pada biogas berkisar 40%-70% dari total penyusun biogas (Sullavan, 2007). Gas metana dapat digunakan sebagai bahan bakar mesin, gas metana diklaim lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan bahan bakar fosil yang lain (Dentener F,2006). Gas metana juga me rupakan bahan baku produksi hidrogen, metanol, asam cuka, dan anhibrida asetat.. Di beberapa negara maju, gas metana telah didistribusikan untuk kebutuhan rumah tangga sebagai bahan bakar. Selain manfaat yang disebut diatas, gas metana juga mempunyai dampak negatif. Konsentrasi gas metana lebih dari 5% di udara menyebabkan ledakan, salah satu contohnya adalah ledakan tumpukan sampah yang terjadi di TPA Leuwi Gajah pada tahun 2008 (Kompas, 2008). Gas metana merupakan salah satu penyebab utama terjadinya efek rumah kaca (Ramaswamy et all., 2001). Melihat manfaat dan bahaya yang didapat dari gas metana maka perancangan sistem sensor metana untuk mengukur konsentrasi gas metana sangat diperlukan. Sistem sensor gas metana dapat digunakan untuk memonitor produksi gas metana pada biogas, kebocoran gas metana pada ruang penyimpan gas metana, dan untuk memonitor gas metana yang dihasilkan oleh timbunan sampah di tempat pembuangan sampah akhir.

1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang dan melakukan karakterisasi sistem sensor gas metana

1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah konsentrasi metana yang terukur pada rentang 500ppm-10.000ppm. Hasil Pengukuran ditampilkan pada LCD dan PC dengan pemrograman Visual Basic.

II. Dasar Teori
2.1 Metana
Gas metana merupakan rantai hidro karbon terpendek dan teringan yang ada di alam dengan rumus kimia CH4. Metana di alam terdapat pada gas alam dan batu bara, selain itu metana juga terdapat dalam biogas. Metana mempunyai sifat ringan, tidak berbau, tidak beracun dan mudah terbakar. (Forster, P.et all, 2007).
Komponen utama gas alam adalah gas metana, yaitu sebesar 80%-95%, kemudian etana (C2H6), propana (C3H8) dan butana(C4H10) (Born, 1990). Gas alam banyak ditemukan di ladang minyak, ladang gas bumi dan juga tambang batubara. Gas alam harus diolah terlebih dahulu sebelum didistribusikan. Campuran organosulfur dan hidrogen sulfida adalah pengotor utama dari gas yang harus dipisahkan . Gas dengan jumlah pengotor sulfur yang signifikan dinamakan sour gas dan sering disebut juga sebagai acid gas Gas alam yang telah diproses dan akan dijual bersifat tidak berasa dan tidak berbau. Akan tetapi, sebelum gas tersebut didistribusikan ke pengguna akhir, biasanya gas tersebut diberi bau dengan menambahkan thiol, agar dapat terdeteksi bila terjadi kebocoran gas.
Biogas adalah gas mudah terbakar (flammable) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob. Colleran dkk (2003) membagi fase penurunan anaerobik dalam 4 fase, yaitu hidrolisis, asidogenik, asitogenik, dan metanogenik. Fase hidrolisis menguraikan protein, karbohidrat, dan lemak menjadi zat yang lebih sederhana. Fase hidrolisis menghasilkan asam amino, sakarida, asam lemak serta gliserol. Bakteri asidogenik memisahkan enzim untuk hidrolisis dan mengubah zat organik yang mudah terurai menjadi asam lemak dan alkohol. Asam lemak dan alkohol kemudian diubah oleh bakteri asetogenik menjadi asam asetat dan hidrogen serta karbondioksida. Bakteri metanogenik kemudian merubah asam asetat dan hidrogen serta karbondioksida untuk produksi metana. Komponen biogas terdiri dari 40%-70% gas metana, Karbondioksida (CO2) 30%-60%, Hidrogen (H2) 1%, dan kurang dari 1% dalam bentuk Nitrogen (N2), Hidrogen Sulfida (H2S), Oksigen (O2) dan Karbon Monoksida (CO) (Harahap).
Metana mempunyai nilai ekonomis yang tinggi, gas metana yang dimampatkan dapat digunakan sebagai bahan bakar mesin, gas metana diklaim lebih ramah lingkungan jika dibandingkan dengan bahan bakar fosil yang lain (Dentener F,2006), Di dalam industri kimia, metana adalah bahan baku untuk produksi hidrogen, metanol, asam cuka, dan anhidrida asetat. Di beberapa negara maju, metana telah didistribusikan ke rumah-rumah penduduk untuk kebutuhan domestik, bahkan NASA juga sedang melakukan penelitian tentang kemungkinan gas metana digunakan sebagai bahan bakar roket (J. H. Lacy).

2.2 Sensor Gas
Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya (Sharon, 1982). Teknologi sensor mengalami perkembangan yang pesat, salah satunya adalah sensor kimia. Sensor kimia adalah sensor yang peka terhadap zat-zat kimia. Sensor ini menggunakan berbagai macam fenomena reaksi kimia yang mempengaruhi pengukuran karakteristik elektrik seperti hambatan, potensial, arus atau kapasitansi (Sinner-Hettenbach).
Sensor kimia mempunyai beberapa macam jenis, salah satunya adalah sensor gas berbahan metal oxida. Sensor ini mulai dikembangkan sekitar tahun 1960. Beberapa bahan metal oksida yang digunakan sebagai bahan sensor gas adalah SnO2 dan PdO2 (Fraden).

2.2.1 Prinsip Kerja Sensor Gas
Material sensor dari sensor gas metana adalah metal oksida, khususnya senyawa paladium oksida. Ketika bahan paladium oksida dihangatkan pada temperatur tertentu, maka oksigen akan diserap dari permukaan bahan, sehingga oksigen akan bermuatan negatif. Proses penyerapan oksigen oleh sensor dapat dilihat dari persamaan kimia berikut ini:
PdO2 + ½O2 + e-  (PdO2)O- (2.1)
Hal ini disebabkan karena permukaan bahan akan mendonorkan elektron pada oksigen yang terdapat pada lapisan luar, sehingga oksigen akan bermuatan negatif dan muatan positif akan terbentuk pada permukaan luar bahan. Tegangan permukaan yang terbentuk akan menghambat laju aliran elektron (Sokolov AV, 2004).
Didalam sensor, arus listrik mengalir melewati daerah sambungan (grain boundary) dari bahan paladium oxida. Pada daerah sambungan, penyerapan oksigen mencegah muatan untuk bergerak bebas. Jika konsentrasi gas menurun, proses dioksidasi akan terjadi. Rapat permukaan dari muatan negatif oksigen akan berkurang dan akan mengakibatkan menurunnya ketinggian penghalang dari daerah sambungan. Misalnya, ditemukan adanya gas CH4 yang terdeteksi, maka persamaan reaksi kimianya berikut:
CH4 + 3PdO22- 3PdO- + CO2 + 2H2 O + 3e
.............. (2.2)
Dengan menurunnya penghalang maka resistansi sensor juga akan ikut menurun
Sensor gas metana mempunyai sensitivitas dan selektifitas yang sangat baik terhadap gas metana. Salah satu contoh sensor metana berbahan metal oxida adalah sensor TGS 2611 keluaran Figaro.




2.2.2. Sensitivitas Terhadap Gas
Resistansi sensor menurun drastis saat menemukan gas metana dan saat meninggalkan gas metana resistansinya kembali seperti semula.







Hubungan antara hambatan sensor terhadap konsentrasi gas ialah linier pada skala logaritmik mulai dari 500 ppm hingga 10.000 ppm.











2.2.3 Karakteristik Sensor
Karakteristik statik ditentukan oleh sifat sensor yang perubahan responnya tidak berubah terhadap waktu, beberapa hal yang termasuk dalam karakteristik statik sensor meliputi kalibrasi, linieritas, sensitivitas, jangkauan pengukuran, saturasi, dan repeatibility. (Fraden, 2003).
Karakteristik dinamik sensor adalah karakteristik sensor yang dipengaruhi oleh waktu. Karakteristik dinamik sensor ditandai dengan grafik respon time yang bersifat non linier.

2.3 Pengkondisi Sinyal
Pengkondisi sinyal adalah rangkaian elektronik yang dirancang dan dikemas khusus untuk keperluan pengukuran.
Rangkaian pengkondisi sinyal digunakan oleh sensor secala langsung untuk memperoleh parameter secara fisik yang diubah mejadi sinyal keluaran yang diperlukan. Tipe yang spesifik dari pengkondisi sinyal tergantung pada tipe dari sensor yang digunakan dan karakteristik sinyal keluaran yang dihasilkan
Tugas pengkondisi sinyal yang sering dilakukan adalah penguatan (amplification), dan linearisasi. Beberapa alat pengkondisi sinyal dapat melakukan penguatan sekaligus linearisasi untuk berbagai macam tipe transduser sedangkan jenis alat pengkondisi sinyal lainnya hanya bisa melakukan penguatan, linearisasinya menggunakan perangkat lunak (program) yang digunakan.
Pengkondisi sinyal yang digunakan pada penelitian ini adalah operasional amplifier (OpAmp). OpAmp pada hakekatnya merupakan sejenis IC. Di dalamnya terdapat suatu rangkaian elektronik yang terdiri atas beberapa transistor, resistor dan atau dioda. Jika pada IC jenis ini ditambahkan suatu jenis rangkaian, masukkan dan suatu jenis rangkaian umpan balik, maka IC ini dapat dipakai untuk mengerjakan berbagai operasi matematika, seperti menjumlah, mengurangi, membagi, mengali, mengintegrasi, dsb.
Tidak seperti amplifier konvesional, OpAmp mempunyai dua terminal masukkan, yakni: inverting input dan noninverting input yang masing-masing ditandai dengan "+" dan "-".
Faktor penguatan OpAmp boleh dikatakan sepenuhnya ditentukan oleh ratio R1 terhadap R2 dalam rangkaian feedback. .
OpAmp banyak dimanfaatkan dalam peralatan-peralatan elektronik sebagai penguat sensor dan masih banyak lagi. Pada penelitian ini, untuk sensor TGS 2611 menggunakan penguatan berupa operasional amplifier non inverting yang nanti akan dihubungkan dengan rangkaian sensor. Rangkaian operasional amplifier non inverting adalah sebagai berikut :








Gambar 2.3. Rangkaian penguat non inverting

Penguat non inverting atau penguat tak membalik adalah penguat sinyal dengan tegangan keluaran yang sefase dengan sinyal masukan. Sinyal masukan disambungkan ke kaki non inverting (+) dan masukan inverting digrounkan. Tanda (+) dan (-) pada masukan op-amp bukan menunjukkan orientasi tegangan tetapi untuk menunjukkan adanya ketertinggalan fase.

III. Metodologi
Dalam bab metodologi ini menjelaskan dua sub bab yaitu yang pertama perancangan perangkat keras dan yang kedua perancangan perangkat lunak.
3.1 Perancangan perangkat keras
a. Rangkaian Dasar Pengukuran
Sensor metana menggunakan rangkaian pembagi tegangan sederhana. Dengan meng gunakan rangkian ini memungkinkan untuk mengamati parubahan resistansi sensor dengan megukur tegangan keluarannya.






Gambar 3.1 Rangkaian dasar pengukuran

Tegangan input yang digunakan sistem sensor sebesar 5 V. Hambatan beban yang dipilih adalah 400.
b. Pengkondisi Sinyal
Pengkondisi sinyal menggunakan rangkaian Op-Amp non inverting dengan penguatan 3 kali.
c. Sistem Interface
Menggunakan mikrokontroler AVR ATMEGA 8 yang berfungsi sebagai ADC, sehingga data pengukuran dapat ditampilkan pada LCD dan PC.












Gambar 3.1. Diagram blok rangkaian pengukur
konsentrasi CH4

3.2 Perancangan Perangkat Lunak
Program yang digunakan untuk menampilkan data adalah Visual Basic. Pengolahan data dengan Matlab 7.41.

3.3. Karakterisasi Sistem Sensor Metana
Pengambilan data untuk karakterisasi sistem sensor dengan menggunakan tempat penampung gas metana yang terbuat dari karet. Sistem sensor diletakkan pada sebuah tabung yang terhubung dengan penampung gas metana. Diasumsikan bahwa konsentrasi gas metana dalam tabung homogen. Proses kalibrasi dengan cara membandingkan data tegangan keluaran sensor dengan data konsentrasi gas metana yang terukur oleh alar ukur metana Star Gas GDS 898 OTC milik Balai Hiperkes Surabaya.

IV Hasil dan Pembahasan
4.1 Pengkondisi sinyal
Rangkaian dasar pengukuran yang digunakan adalah rangkaian pembagi tegangan (Gambar 3.1). Dalam rangkaian pembagi tegangan, tegangan ouput yang diambil adalah tegangan pada hambatan beban RL. Karena pada dasarnya tegangan pada sensor dan tegangan pada hambatan beban sama besar. Lihat gambar 3.1. Tegangan input (V) 5 Volt, hambatan beban RL 400, dan hambatan sensor Rs adalah variabel yang bergantung dari konsentrasi gas metana. Tegangan output (VL) dinyatakan dengan rumus:
.........................(4.1)
Ketika sensor mendeteksi gas metana, resistansi sensor RS nilainya turun, dari persamaan 4.1, jika RS turun, maka tegangan output (VL) naik.
Tegangan keluaran sensor terlalu kecil untuk dapat diolah dan diterima oleh mikrokontroler, sehingga diperlukan pengondisi sinyal berupa OP-Amp non inverting. Nilai penguatan yang dipilih adalah 3 kali. Tegangan keluaran awal 0.09 V, setelah dikuatkan 3 kali, tegangan keluarannya menjadi 0,3 V. Penguatan yang diambil tidak boleh terlalu besar, karena akan memperkecil batas pengukuran sensor gas metana.

4.2 Respon time Sensor
Setiap alat instrumentasi mempunyai waktu tanggap untuk menghasilkan outputan yang stabil atau respon time yang bebeda-beda. Sistem sensor metana mempunyai karakteristik yang unik. Sebelum digunakan untuk sensing, sensor perlu dipanaskan terlebih dahulu.













Gambar 4.1 Grafik Respon Time Sensor Ketika
Pemanasan
Dari grafik diatas, tampak bahwa sensor membutuhkan sekitar 450 s untuk mencapai tegangan yang stabil, atau dapat dikatakan respon time sensor ketika pemanasan adalah selama 450 s dengan nilai tegangan 0.76V.












Gambar 4.2 Grafik Respon Time Sensor pada
berbagai Konsentrasi Gas Metana

Gambar 4.2 menunjukkan perilaku sensor yang sudah dipanaskan ketika mendeteksi gas metana. Respon time sensor adalah 100 s
Sensor metana membutuhkan waktu 450s supaya tegangannya setabil. Waktu 450s tersebut digunakan sensor untuk memanaskan elemen sensing. Elemen sensing akan bekerja setelah adanya pemanasan.

4.3 Jangkauan Pengukuran Sensor
Jangkauan pengukuran adalah salah satu karakteristik sensor. Jangkauan penguran ada dua macam yaitu jangkauan pengukuran masukan dan jangkauan pengukuran keluaran. Jangkauan pengukuran masukan sensor gas metana adalah antara 500 ppm sampai dengan 10.000 ppm. Jangkauan pengeluarannya adalah selisih input maksimum terhadap input minimum, yaitu sebesar 9500 ppm. Sensor gas metana mempunyai titik saturasi atau batas pengukuran tertinggi yang dapat dilakukan oleh sensor. Sensor gas metana hanya mampu mengeluarkan tegangan output maksimal 4.8 V.

Gambar 4.3 Jangkauan Pengukuran Sensor Gas
Metana


4.4 Kalibrasi Sensor
Kalibrasi sensor metana menggunakan data pembanding dari alat ukur metana Star Gas GDS 898 OTC milik Balai Hiperkes Surabaya. Data tegangan keluaran sensor dibandingkan dengan data konsentrasi dari alat ukur metana GDS898OTC. Kemudian dibuat grafik hubungan antara tegangan keluaran dari sensor metana dengan konsentrasi gas dari GDS 898OTC.

Gambar 4.4 grafik Kalibrasi Sensor Gas Metana

V. Kesimpulan dan Saran
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil analisa data yang dilakukan didapatkan bahwa respon time sensor sebelum dan sesudah pemanasan masing-masing adalah 450s dan 100s. Jangkauan pengukuran masukan antara 500ppm–10.000ppm dengan rentang sinyal keluaran 0.8V–4.8V. Fungsi transfer sistem sensor yaitu V=1.8636Ln(ppm) –11.686.

5.2 Saran
Untuk pengembangan dan penelitian selanjutnya agar dapat dibuat sistem data base pada sistem sensor gas metana, sehingga dapat menyimpan hasil pengukuran yang banyak,

DAFTAR PUSTAKA
1. A.V. Mancharkar, S.H. Behere, 2005, PCPICE Simulation for Performance Testing of Signal Conditioning Circuit for LDR, Acad Journal, Vol 15
2. Born, M., H. Dorr, and I. Levin, 1990: Methane consumption in aerated soils of the temperate zone. Tellus , 42B, 2–8.
3. David , (2001), The Biogas Handbook, Peace Press.
4. Dentener, F., et al., 2006: Emissions of primary aerosol and precursor gases in the years 2000 and 1750 - prescribed data-sets for AeroCom. Atmos.Chem. Phys. Discuss
5. Ed Wheless,” Siloxanes in Landfill and Digester Gas Update”
6. Forster, P.et all, 2007: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing” Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
7. Harahap, F., Apandi, M., Ginting, S., (1978). Teknologi Gas Bio, PTP-ITB
8. J. H. Lacy, J. S. Carr, N. J. Evans, II, F. Baas, J. M. Achtermann, J. F. Arens (1991). "Discovery of interstellar methane - Observations of gaseous and solid CH4 absorption toward young stars in molecular clouds". Astrophysical Journal
9. Ramaswamy, V., et al., 2001: Radiative forcing of climate change. In Climate Change 2001: The Scientifi c Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J.T., et al. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 349–416.
10.Kompas 23-02-2005
11.http://www.figaro.com
1)