1 Abstrak—Alkohol merupakan larutan yang umum dimanfaatkan dalam bidang medis dan farmasi. Hal tersebut disebabkan oleh sifatnya yang tidak berbahaya bagi manusia dan dapat dimanfaatkan sebagai pelarut umum senyawa kimia. Etanol digunakan berdasarkan tingkat kadar. Senyawa ini memiliki karakter anomali penguapan molekul pada tingkat suhu (flash point) yang ditentukan menurut kadarnya. Penguapan molekul etanol akan menurunkan kadar demikian fungsionalitas larutan. Dalam penelitian ini, telah dilakukan perancangan alat pengontrol kadar etanol dalam pelarut aquades. Nilai kadar etanol teridentifikasi dari frekuensi osilator gelombang kotak dengan sensor kapasitif silinder berbahan aluminium. Frekuensi osilator diumpankan menuju mikrokontroler, sebagai kontroler PID digital, sehingga dihasilkan output kontrol yang diaktualisasikan dalam dua pompa peristaltik yang memompa etanol absolut(96%) dan aquades ke dalam tabung reaktor. Magnetic stirrer digunakan untuk mengkatalisis homogenisasi larutan. Dari hasil pengujian alat diketahui bahwa sensor kapasitif dan osilator mampu mengidentifikasi pelbagai kadar etanol dengan rentang frekuensi 135kHz – 205kHz untuk pelarut aquades serta kontroler mampu menjaga kadar etanol pada set point 0%-50% dengan tingkat akurasi mulai dari 90%. Kontroler memanfaatkan PID digital dengan konstanta proporsional, integral dan derivatif berturut-turut 7,42, 0,45 dan 0,55 untuk pompa etanol; 5,63, 0,17 dan 1,45 untuk pompa aquades. Nilai total dissolved substance (TDS) aquades mempengaruhi kapasitansi sensor dengan rasio 12kHz setiap 1 ppm. Kata Kunci—Etanol, Kontrol Kadar, PID digital, Sensor Kapasitif I. PENDAHULUAN ensor kapasitif memiliki kemampuan untuk membedakan senyawa tertentu melalui nilai konstanta dielektriknya. Teknik ini memanfaatkan senyawa uji sebagai bahan dielektrik dengan konduktivitas rendah untuk menciptakan medan listrik diantara kedua lempeng konduktif penyusunnya[1]. Etanol merupakan senyawa organik bersifat asam lemah dengan konduktivitas rendah (1,35x10 -9 S/cm)[2]. Senyawa ini memiliki anomali penguapan molekul menurut kadarnya yang berbanding terbalik dengan suhu flash point[3][4][5]. Etanol dimanfaatkan menurut tingkat kadarnya, sehingga penurunan kadar akan mengurangi fungsionalitas larutan[5]. Sistem kontrol kadar etanol dirancang untuk dapat mengidentifikasi kadar etanol rendah (0%Et-50%Et) dengan resolusi sebesar 0,01%Et melalui sensor kapasitif silinder berbahan aluminium. Keuntungan dari penggunaan sistem ini adalah dapat mensintesis larutan etanol dan menjaga kadarnya dalam pelarut aquades secara real-time melalui kontroler PID pada dua pompa peristaltik. II. URAIAN PENELITIAN A. Etanol Etanol merupakan senyawa organik dengan gugus fungsional berupa deretan hidroksil yang terikat dengan satu atom karbon dan membentuk pola hibridisasi sp3[2]. Sebagai sebuah senyawa kimia etanol memiliki karakteristik fisis dan kimia antara lain: mudah menguap diatas suhu flash point [4], konduktivitas rendah (1,35×10 -9 S/cm), asam lemah (pH 6,5 pada 96% etanol), larut dalam air pada pelbagai tingkat kadar, eksotermik dan higroskopis. Pencampuran etanol absolut dan air tidak menyebabkan reaksi kimia. Namun keberadaan ion hidroksil dalam molekulnya menyebabkan etanol dapat mengalami reaksi ionisasi yang ditunjukkan dengan persamaan berikut[6]: Ch 3 CH 2 OH+H 2 O CH 3 CH 2 O - +H 3 O + Munculnya ion H 3 O + dapat meningkatkan pH larutan walaupun dalam nilai yang relatif rendah. Etanol termasuk sebagai bahan dielektrik karena konduktivitasnya yang rendah. Adapun konstanta dielektrik relatif (ε r ) senyawa ini adalah 24,3 (ε 0 =8,85×10 -12 F/m)[8] [10]. B. Sensor Kapasitif Sensor kapasitif dapat dipahami sebagai dua buah lempeng berbahan konduktif yang terpasang paralel dengan jarak rongga yang terisi materi dielektrik[7]. Berikut ini merupakan pemodelan matematisnya: = . dimana, ε = konstanta dielektrik (C/V.m) A = luas permukaan lempeng konduktif (m 2 ) d = jarak antar lempeng konduktif (m) Sensor kapasitif silinder (gambar 1) merupakan pengembangan konstruksi dari persamaan 1. Untuk dapat mengetahui besar muatan yang dimiliki oleh tiap area pada batang konduktif, digunakan persamaan berikut ini[1]: = . dimana, Q = besar muatan pada tiap area konduktor (C) λ = besar muatan tiap satuan panjang (C/m) L = panjang batang konduktor (m) Muatan yang muncul diantara kedua batang konduktor memunculkan medan listrik dengan persamaan berikut ini: = . 2. . dimana, r = jarak antar permukaan batang (m) Implementasi Sensor Kapasitif dalam Sistem Kontrol Kadar Etanol Peter Chondro, Muhammad Rivai, Suwito Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 e-mail: [email protected]S (1) (2) (3)
6
Embed
Implementasi Sensor Kapasitif dalam Sistem Kontrol Kadar ...digilib.its.ac.id/public/ITS-paper-39969-ITS-paper-39969...osilator diumpankan menuju mikrokontroler, sebagai kontroler
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Abstrak—Alkohol merupakan larutan yang umum dimanfaatkan
dalam bidang medis dan farmasi. Hal tersebut disebabkan oleh
sifatnya yang tidak berbahaya bagi manusia dan dapat
dimanfaatkan sebagai pelarut umum senyawa kimia. Etanol
digunakan berdasarkan tingkat kadar. Senyawa ini memiliki
karakter anomali penguapan molekul pada tingkat suhu (flash
point) yang ditentukan menurut kadarnya. Penguapan molekul
etanol akan menurunkan kadar demikian fungsionalitas larutan.
Dalam penelitian ini, telah dilakukan perancangan alat
pengontrol kadar etanol dalam pelarut aquades. Nilai kadar
etanol teridentifikasi dari frekuensi osilator gelombang kotak
dengan sensor kapasitif silinder berbahan aluminium. Frekuensi
osilator diumpankan menuju mikrokontroler, sebagai kontroler
PID digital, sehingga dihasilkan output kontrol yang
diaktualisasikan dalam dua pompa peristaltik yang memompa
etanol absolut(96%) dan aquades ke dalam tabung reaktor.
Magnetic stirrer digunakan untuk mengkatalisis homogenisasi
larutan. Dari hasil pengujian alat diketahui bahwa sensor
kapasitif dan osilator mampu mengidentifikasi pelbagai kadar
etanol dengan rentang frekuensi 135kHz – 205kHz untuk pelarut
aquades serta kontroler mampu menjaga kadar etanol pada set
point 0%-50% dengan tingkat akurasi mulai dari 90%. Kontroler
memanfaatkan PID digital dengan konstanta proporsional,
integral dan derivatif berturut-turut 7,42, 0,45 dan 0,55 untuk
pompa etanol; 5,63, 0,17 dan 1,45 untuk pompa aquades. Nilai
total dissolved substance (TDS) aquades mempengaruhi
kapasitansi sensor dengan rasio 12kHz setiap 1 ppm.
Kata Kunci—Etanol, Kontrol Kadar, PID digital, Sensor Kapasitif
I. PENDAHULUAN
ensor kapasitif memiliki kemampuan untuk membedakan
senyawa tertentu melalui nilai konstanta dielektriknya.
Teknik ini memanfaatkan senyawa uji sebagai bahan dielektrik
dengan konduktivitas rendah untuk menciptakan medan listrik
diantara kedua lempeng konduktif penyusunnya[1]. Etanol
merupakan senyawa organik bersifat asam lemah dengan
konduktivitas rendah (1,35x10-9
S/cm)[2]. Senyawa ini
memiliki anomali penguapan molekul menurut kadarnya yang
berbanding terbalik dengan suhu flash point[3][4][5]. Etanol
dimanfaatkan menurut tingkat kadarnya, sehingga penurunan
kadar akan mengurangi fungsionalitas larutan[5].
Sistem kontrol kadar etanol dirancang untuk dapat
mengidentifikasi kadar etanol rendah (0%Et-50%Et) dengan
resolusi sebesar 0,01%Et melalui sensor kapasitif silinder
berbahan aluminium. Keuntungan dari penggunaan sistem ini
adalah dapat mensintesis larutan etanol dan menjaga kadarnya
dalam pelarut aquades secara real-time melalui kontroler PID
pada dua pompa peristaltik.
II. URAIAN PENELITIAN
A. Etanol
Etanol merupakan senyawa organik dengan gugus
fungsional berupa deretan hidroksil yang terikat dengan satu
atom karbon dan membentuk pola hibridisasi sp3[2]. Sebagai
sebuah senyawa kimia etanol memiliki karakteristik fisis dan
kimia antara lain:
mudah menguap diatas suhu flash point [4],
konduktivitas rendah (1,35×10-9
S/cm),
asam lemah (pH 6,5 pada 96% etanol),
larut dalam air pada pelbagai tingkat kadar, eksotermik
dan higroskopis.
Pencampuran etanol absolut dan air tidak menyebabkan
reaksi kimia. Namun keberadaan ion hidroksil dalam
molekulnya menyebabkan etanol dapat mengalami reaksi
ionisasi yang ditunjukkan dengan persamaan berikut[6]:
Ch3CH2OH+H2O CH3CH2O-+H3O
+
Munculnya ion H3O+ dapat meningkatkan pH larutan walaupun
dalam nilai yang relatif rendah.
Etanol termasuk sebagai bahan dielektrik karena
konduktivitasnya yang rendah. Adapun konstanta dielektrik
relatif (εr) senyawa ini adalah 24,3 (ε0=8,85×10-12
F/m)[8] [10].
B. Sensor Kapasitif
Sensor kapasitif dapat dipahami sebagai dua buah lempeng
berbahan konduktif yang terpasang paralel dengan jarak rongga
yang terisi materi dielektrik[7]. Berikut ini merupakan
pemodelan matematisnya:
𝐶 =𝜀. 𝐴
𝑑
dimana, ε = konstanta dielektrik (C/V.m)
A = luas permukaan lempeng konduktif (m2)
d = jarak antar lempeng konduktif (m)
Sensor kapasitif silinder (gambar 1) merupakan
pengembangan konstruksi dari persamaan 1. Untuk dapat
mengetahui besar muatan yang dimiliki oleh tiap area pada
batang konduktif, digunakan persamaan berikut ini[1]:
𝑄 = 𝜆. 𝐿
dimana, Q = besar muatan pada tiap area konduktor (C)
λ = besar muatan tiap satuan panjang (C/m)
L = panjang batang konduktor (m)
Muatan yang muncul diantara kedua batang konduktor
memunculkan medan listrik dengan persamaan berikut ini:
𝐸 =𝜆
𝜀. 2. 𝜋. 𝑟
dimana, r = jarak antar permukaan batang (m)
Implementasi Sensor Kapasitif dalam Sistem
Kontrol Kadar Etanol Peter Chondro, Muhammad Rivai, Suwito
Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)