SKRIPSI - USD Repository

1

SKRIPSI

OPTIMALISASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK DENGAN

MENENTUKAN FREKUENSI RESONANSINYA

Skripsi

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Fisika

Program Studi Fisika

Oleh:

KATARINA WATINI

043214001

PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2008

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

2

SKRIPSI

OPTIMALISATION OF THE PHOTOACOUSTIC DETECTOR

BY DETERMINING ITS RESONANCE FREQUENCY

Skripsi Precented as Partial Fulfillment of the Requirement to Obtain the

Sarjana Sains Degree In Physics

By:

KATARINA WATINI

043214001

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERCITY

YOGYAKARTA

2008


3


4


5

HALAMAN PERSEMBAHAN

Skripsi ini saya persembahkan kepada :

Tuhan

Universitas Sanata Dharma

Kedua Orangtua, Adik dan seluruh keluarga saya

Romo V. Kirjito

Keluarga Bapak Haris Sriwindono

Motto

Mengikuti arus adalah sebuah kebodohan, tetapi mengambil keputusan tanpa

kebijaksanaan adalah kehancuran.

Maka berbijaksanalah dalam segala hal demi kemulian Tuhan yang lebih.


6


7


8

ABSTRAK

OPTIMALISASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK DENGAN

MENENTUKAN FREKUENSI RESONANSINYA

Abstrak

Detektor fotoakustik merupakan alat ukur konsentrasi gas. Sensitifitas

detektor fotoakustik dipengaruhi frekuensi resonansinya. Medium pada sel

fotoakustik berupa gas. Frekuensi resonansi detektor fotoakustik dipengaruhi jenis

mediumnya.

Dalam penelitian ini, telah dilakukan penentuan frekuensi resonansi detektor

fotoakustik pada medium yang digunakan. Nilai frekuensi resonansi detektor

fotoakustik yang diperoleh, untuk medium udara = (1720± 5) Hz, gas Nitrogen =

(1741± 5) Hz dan gas Oksigen (1628± 5) Hz. Nilai frekuensi yang diperoleh

dimanfaatkan dalam pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi oleh buah

apel.


9

ABSTRACT

OPTIMALISATION OF THE PHOTOACOUSTIC DETECTOR

BY DETERMINING ITS RESONANCE FREQUENCY

Abstract

Photoacoustic detector is an instrument for measuring gas concentration.

Photoacoustic detector sensitivity is influenced by its resonance frequency. The

medium at photoacoustic cell is gas. The kind of medium will influence resonance

frequency.

In this research, determinations of the resonance frequency of

photoacoustic detector have been on the used medium done on the three different

medium. Resonance frequency on air, Nitrogen, Oxygen are (1720 ± 5) Hz,

(1741± 5) Hz, (1628± 5) Hz respectively. The result is used for measuring the

ethylene concentration produced by an apple.


10

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena

segala rahmat dan kasih karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan skripsi ini

dengan baik. Penulis menyadari bahwa tanpa adanya bantuan dan dukungan dari

berbagai pihak, skripsi ini tidak dapat terselesaikan dengan baik. Oleh karena itu,

secara khusus penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr.Ign.Edi Santosa M.S selaku dosen pembimbing yang dengan

sabar telah membimbing, membantu dan menyemangati selama proses

penulisan skripsi ini.

2. Ir.Sri Agustini Sulandari, M.Si selaku ketua jurusan fisika sekaligus dosen

penguji.

3. Dr. Agung Bambang Setyo Utomo,SU selaku dosen penguji.

4. Drs. Asan Damanik selaku dosen pembimbing akademik

5. Seluruh Dosen prodi fisika, yang telah membagikan ilmunya.

6. Pak’e dan Biyung “ Matur nuwun sampun karso paring dukungan lan

donga pangestu.”

7. Adik saya tercinta Yohanes Sugeng Prayoga yang menjadi saudara dan

teman terbaik saya, yang selalu menjadi motivator saya. Dismas dan Dek

Gaby, dan seluruh keluarga yang senantiasa menghibur saya.

8. Rm. V Kirjito yang senantiasa memberkati saya dan Bapak Haris, Ibu

Melania yang selalu mendukung saya.

9. Dirgan yang selalu bersama saya, motivator sekaligus lawan diskusi

selama masa kuliah terlebih dalam pengerjaan tugas akhir saya. “you are

my best friend”.

10. Teman seangkatan dan seperjuangan Ade, Sujad, Zee dan Siska yang

senantiasa saling menyemangati dan mewarnai angkatan 2004.


11

11. Norberta Yuni Rusmintia selaku menejer saya serta Ardat, Yunika, Mas

Didit, Alexa, Upik, Ibu Eko dan Bagas. Teman- teman kos: Ika, Titis,

Clara, Encheng, Patmi, Yefin, Mas Wiwit, Mbak Atik, Mbak Ria, Mbak

Tanti, Mbak Dwi, Shinta, Arum, Putri, Mas Kanek, Kang Gendot.

12. Seluruh karyawan Universitas Sanata Dharma khususnya Mas Bimo

selaku karyawan Lab Analisa.

13. Kakak angkatan atas yang senantiasa berbaik hati, membantu, menguatkan

saya Mba Asri, Mba Debora, Mas Mamat, Mas Hari, Lori, Iman, Tri,

Ridwan, Gita, Yuda, Adit, Mbak Ayu, Mas Petrik.

14. Semua pihak yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi

ini.

Akhir kata penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih

jauh dari sempurna, sehingga penulis masih menerima adanya kritik dan

saran dari berbagai pihak. Besar harapan penulis, semoga skripsi ini bisa

memberikan manfaat untuk para pembaca serta memberikan sedikit

sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan .

Penulis


12

DAFTAR ISI

halaman

HALAMAN JUDUL i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ii

HALAMAN PENGESAHAN iii

HALAMAN PERSEMBAHAN iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA v

ABSTRAK vi

ABSTRACT vii

KATA PENGANTAR viii

DAFTAR ISI x

DAFTAR TABEL xii

DAFTAR GAMBAR xiii

BAB I PENDAHULUAN………………………………………… 1

I.A. Latar Belakang Masalah ……………………………….. 1

I.B. Perumusan Masalah ……………………………………. 3

I.C. Batasan Masalah ……………………………………….. 4

I.D. Tujuan Penulisan ………………………………………. 4

I.E. Manfaat Penulisan ……………………………………... 4

I.F. Metode Penelitian………………………………………. 5

I.G. Sistematika Penulisan…………………………………... 5

BAB II DASAR TEORI…………………………………………... 7

II. A. Sinyal Akustik pada Detektor Fotoakustik…………… 7

II. B. Resonator Akustik pada Detektor Fotoakustik.............. 9

BAB III METODE PENELITIAN………………………………... 14

III.A. Tempat Penelitian……………………………………... 14

III.B. Rangkaian Percobaan………………………………….. 14

III.C. Keterangan Alat dan Bahan…………………………… 15


13

III.C.1. Alat…………………………………………… 15

III.C.2. Bahan…………………………………………. 16

III. D. Pengoperasian Alat………………………………… 16

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN………………………….. 18

IV.A. Hasil …………………………………………………... 18

IV.A.1 Menentukan frekuensi resonansi detektor

fotoakustik.............................................................. 18

IV.A.2. Mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi

buah apel................................................................. 22

IV.B. Pembahasan .................................................................... 24

BAB V PENUTUP........................................................................... 29

V.A. Kesimpulan .................................................................... 29

V.B. Saran .............................................................................. 29

DAFTAR PUSTAKA....................................................................... 31


14

DAFTAR TABEL

halaman

Tabel 2.1 Konstanta dan M untuk gas yang digunakan dalam

Penelitian……………………………………………… 12

Tabel 4.1 Hasil penentuan frekuensi resonansi.............................. 27

Tabel 5.1 Penggunaan klep gas..................................................... 30

γ


15

DAFTAR GAMBAR

halaman

Gambar 2.1 Bagan efek fotoakustik.................................................................. 7

Gambar 2.2 Fenomena eksitasi deeksitasi........................................................ 8

Gambar 2.3 Sel fotoakustik yang digunakan dalam penelitian......................... 10

Gambar 2.4 Bagian-bagian sel fotoakustik....................................................... 11

Gambar 3.1 Susunan alat pada detektor fotoakustik…………………………. 14

Gambar 3.2 Detektor fotoakustik yang digunakan dalam penelitian………… 15

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi stepermotor.. 18

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap posisi

stepermotor……………………………………………………... 19

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada

medium udara untuk dua daya laser yang berbeda........................ 19


medium gas nitrogen untuk dua daya laser yang berbeda............. 20


medium gas nitrogen untuk dua panjang gelom yang berbeda...... 21

Gambar 4.6 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi

pada medium gas Oksigen............................................................. 21

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk

tiga medium berupa udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen............ 22

Gambar 4. 8 Grafik hubungan antara konsentrasi gas etilen yang diproduksi

buah apel terhadap waktu............................................................. 23

Gambar 4. 9 Grafik hubungan antara konsentrasi gas etilen yang diproduksi

buah apel terhadap waktu.............................................................. 24

Gambar 5.1 Rangkaian pengatur gas pembawa.............................................. 30


16

BAB I

PENDAHULUAN

I.A. Latar Belakang

Salah satu komoditas ekspor-impor adalah buah-buahan. Untuk menghindari

kerugian exporter maupun importer tentunya buah-buahan tersebut harus

dipertahankan kualitasnya. Untuk ekspor-impor dengan jarak dekat tidak akan

menjadi masalah, tetapi untuk jarak jauh dan memakan waktu yang cukup lama

akan menjadi masalah karena tidak semua jenis buah-buahan dapat bertahan

lama. Maka perlu adanya usaha untuk mempertahankan kualitas buah-buahanan

tersebut, selain untuk mencukupi kebutuhan akan buah-buahan juga mengurangi

kerugian pengusaha dan para petani.

Permasalahan kualitas buah-buahan dapat diatasi dengan cara mengatur

lingkungannya dengan komposisi tertentu. Buah-buahan biasanya berada pada

lingkungan udara yang terdiri dari Oksigen dan Nitrogen. Pengaturan ini

dilakukan dengan harapan kualitas buah-buahan dapat dipertahankan kualitasnya.

Untuk itu dilakukan pengujian sampel pada beberapa lingkungan. Tingkat kualitas

buah-buahan dapat dilihat dari gas yang diproduksinya. Untuk mengetahui

konsentrasi gas yang diproduksi oleh buah pada masing-masing lingkungan

dibutuhkan alat ukur konsentrasi.

Alat ukur konsentrasi biasanya menggunakan “Gas Chromatografi” (GC),

selain GC ada juga metode pengukuran konsentrasi gas yang lain yaitu dengan


17

dasar penyerapan cahaya oleh gas. Dengan prinsip serapan cahaya telah

dikembangkan berbagai metode pengukuran konsentrasi gas, salah satu

diantaranya dengan detektor fotoakustik. Dengan ditemukannya laser dan

mikropon yang peka detektor ini menjadi alat ukur konsentrasi yang sangat

sensitive dan waktu tanggapnya relative cepat sehingga dapat digunakan secara

online [Santosa, 2003]. Selain untuk mengukur konsetrasi gas yang diproduksi

buah, alat ini dapat diaplikasikan juga untuk menentukan konsentrasi gas dalam

berbagai bidang antara lain biologi, pertanian, medis dan lingkungan. Alat ini juga

dapat mengukur konsentrasi gas secara simultan.

Detektor fotoakustik mempunyai beberapa komponen penting antara lain

laser, resonator dan mikropon. Laser digunakan sebagai sumber cahaya karena

intensitas spektralnya yang tinggi dan dapat ditala. Resonator atau sel fotoakustik

merupakan komponen yang berfungsi sebagai tempat konversi dari berkas cahaya

laser menjadi sinyal akustik yang akan ditangkap oleh mikrophon. Mikropon

kemudian mengirimkan sinyal untuk diolah oleh PC

Sinyal akustik yang ditangkap oleh mikropon terkait juga dengan daya

lasernya, konsentrasi molekul yang berada pada sel fotoakustik, koefisien serapan

dan juga konstanta sel fotoakustiknya [Santosa, 2003].

Sel fotoakustik mempunyai dua kategori yaitu resonansi dan non-resonansi.

Sistem resonansi lebih baik, karena pada kondisi frekuensi resonansi mampu

memberikan kontribusi sinyal yang signifikan [Besson, 2006]. Apabila detektor

fotoakustik diset pada kondisi frekuensi resonansi, maka pengukuran akan berada

pada kondisi sensitivitas.


18

Dalam melakukan pengukuran konsentrasi gas, gas sampel akan dibawa ke sel

fotoakustik oleh gas pembawa. Gas yang berada di dalam sel fotoakustik berperan

sebagai medium akustik. Jenis gas yang berperan sebagai medium akan

mempengaruhi kecepatan akustik, sehingga secara tidak langsung frekuensi

resonansi juga dipengaruhi oleh jenis mediumnya.

Oleh karena itu, dalam pengukuran konsentrasi gas perlu ditentukan terlebih

dahulu frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium yang akan

digunakan supaya dapat melakukan pengukuran konsentrasi pada kondisi sensitif.

Dalam skripsi ini akan dipaparkan tentang bagaimana menentukan frekuensi

resonansi detektor fotoakustik. Penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik

itu kemudiaan dimanfaatkan sebagai salah satu pengoptimal penggunaan detektor

fotoakustik dalam mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi oleh buah

apel.

I.B. Perumusan Masalah

Berdasarkan uraian yang telah dikemukakan dalam latar belakang, pokok

permasalahan dalam proposal skripsi ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

1. Bagaimana menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk

medium udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen?

2. Berapa frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium udara,

gas Nitrogen dan gas Oksigen?

3. Bagaimana mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah apel

pada lingkungan udara dan gas Nitrogen?


19

I.C. Batasan Masalah

1. Penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium udara,

gas Oksigen, gas Nitrogen untuk detektor fotoakustik yang berada di

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Mengoptimalkan kerja detektor fotoakustik dengan menentukan

frekuensi resonansi detektor fotoakustik.

3. Mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi apel pada lingkungan

udara dan gas Nitrogen.

I.D. Tujuan Penulisan

1. Dapat memahami dan mengetahui tentang detektor fotoakustik.

2. Dapat menentukan kondisi optimum kerja detektor fotoakustik dengan

menentukan frekuensi resonansinya.

3. Dapat menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk

medium udara, gas Nitrogen, gas Oksigen.

4. Dapat mengamati proses produksi gas etilen yang diproduksi buah apel

pada lingkungan udara dan gas Nitrogen.

I.E. Manfaat Penulisan

1. Memberikan manfaaat bagi peneneliti dalam bidang fotoakustik

khususnya tentang detektor fotoakustik yang ada di Universitas Sanata

Dharma Yogyakarta.


20

2. Memberikan informasi tentang salah satu cara mengoptimalkan

penggunaan detektor fotoakustik yaitu dengan menentukan frekuensi

reonansi detektor fotoakustik.

3. Memberikan informasi bagi masyarakat dalam bidang ilmu pengetahuan

terutama tentang detektor fotoakustik dan tentang proses produksi gas

etilen pada buah apel yang diletakan pada lingkungan udara dan gas

nitrogen.

I.F. Metode Penelitian

Metode penelitian akan dilakukan dengan studi pustaka dan eksperimen.

I.G. Sistematika Penulisan

BAB I. Pendahuluan

Pada bab I akan diuraikan tentang latar belakang masalah yang

diangkat, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian,

manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.

BAB II Dasar Teori

Pada bab II akan diuraikan tetang dasar-dasar teori pendukung

dalam penelitian frekuensi resonansi detektor fotoakustik.

BAB III Metode Eksperimen

Dalam bab III akan diuraikan tentang susunan alat dan bahan yang

akan digunakan saat penelitian serta langkah-langkah yang

dilakukan saat penelitian.


21

BAB IV Hasil dan Pembahasan

Pada bab IV akan diuraikan tentang hasil penelitian dan pembasan

hasil penelitian.

BAB V Penutup

Pada babV berisi kesimpulan dari hasil penelitian dan saran.

Selain itu disertakan pula lampiran-lampiran untuk melengkapi uraian-uraian

sebelumnya.


22

BAB II

DASAR TEORI

II. A. Sinyal Akustik pada Detektor Fotoakustik

Fenomena Fotoakustik pertama kali dikemukakan oleh Alexander Graham

Bell pada tahun 1880 [Spike, 2006]. Detektor fotoakustik memiliki keunggulan

sensitivitas yang tinggi dan waktu tanggap yang relatif cepat sehingga dapat

digunakan secara on-line. Detektor ini dapat mendeteksi lebih dari satu jenis gas

secara simultan. Selain itu, detektor ini dapat digunakan untuk mendeteksi gas

pada bidang biologi, pertanian, medis dan lingkungan.

Gambar 2.1 Bagan efek fotoakustik


23

Efek Fotoakustik pada dasarnya merupakan konversi antara cahaya menjadi

gelombang bunyi. Hal tersebut dapat dijelaskan dengan proses penyerapan cahaya

oleh bahan (sampel) yang mengakibatkan perbedaan tekanan sekitar sampel

karena fenomena eksitasi-deeksitasi sehingga memunculkan gelombang bunyi hal

terebut dapat dijelaskan secara singkat dengan gambar 2.1.[Haisch et al., 2002].

Apabila laser ditala pada frekuensi transisi dari molekul yang ada dalam sel

fotoakustik, sebagian tenaga Ei akan tereksitasi ke aras tenaga yang lebih tinggi

Ef. Selanjutnya molekul-molekul dengan aras tenaga Ef dapat melepaskan tenaga

eksitasinya secara radiasi maupun non-radiasi fenomena tersebut dapat dilihat

pada gambar 2.2 [Santosa, 2003]

.

Gambar 2.2 Fenomena eksitasi deeksitasi


24

Pada pelepasan tenaga eksitasisi secara non-radiasi ketika bertumbukan

molekul tersebut akan mentransfer tenaga eksitasinya ke tenaga translasi molekul

yang ditumbuknya. Kenaikan tenaga translasi menyebabkan kenaikan suhu dan

tekanan. Jika berkas laser dimodulasi, tekanan di dalam sel fotoakustik akan

berubah secara periodik. Perubahan tekanan tersebut merupakan sinyal akustik.

Sinyal akustik dapat ditangkap oleh mikropon. Perubahan tekanan tersebut dapat

dikatakan juga sebagai sinyal akustik.

Sinyal akustik yang dihasilkan atau sinyal keluaran mikropon dipengaruhi

oleh daya laser, konstanta sel fotoakustik, konsentrasi gas dan koefisien serapan.

Apabila di dalam sel fotoakustik hanya terdapat satu macam gas “g”, hubungan

antara keluaran mikropon dan besaran-besaran yang lain dapat dinyatakan dengan

persamaan [Santosa, 2003]

glgll CCPS α= (2.1)

dengan lS adalah keluaran mikropon ketika digunakan laser “l” dengan daya lP ,

C adalah konstanta sel fotoakustik, gC adalah konsentrasi gas “g” dalam sel

fotoakustik dan glα adalah koefisien serapan dari gas “g” pada laser “l”. Dapat

diperoleh sinyal ternormalisir dengan daya laser [Santosa, 2003].

glgl

l CCPS α= (2.2)

( ) glglCCP

S α= (2.3)


25

II. B. Resonator Akustik pada Detektor Fotoakustik

Sensitivitas detektor fotoakustik merupakan hal yang sangat penting karena

detektor fotoakustik bekerja pada orde yang sangat kecil (ppb). Dari persamaan

(2.1) salah satu aspek yang mempengaruhi keluaran mikropon adalah konstanta

sel fotoakustik (C). Sel fotoakustik yang digunakan dalam penelitian ini

ditampilkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Sel Fotoakustik yang digunakan dalam penelitian

Sel fotoakustik dapat dikategorikan menjadi dua yaitu resonan dan non-

resonan. Jika frekuensi modulasi lebih kecil dari frekuensi resonansi terendah, sel

ini dioperasikan pada mode non-resonan. Kelemahan sistem non-resonan yaitu

sulit menghilangkan gangguan sekitar karena beroperasi pada frekuensi rendah.

Non-resonan mempunyai waktu tanggap lama dan kurang sensitif untuk

mendeteksi gas.

Sedangkan, untuk konfigurasi resonan, frekuensi modulasi diatur setara

dengan frekuensi resonansi dari sel fotoakustik. Konfigurasi resonan memiliki

waktu tanggap yang cepat dan sensitif. Konstanta sel merupakan gambaran


26

sensitifitas pada sistem yang berfrekuensi resonansi. Konstanta sel bergantung

pada ukuran resonator, frekuensi dan faktor kualitas. [Basson, 2006]

I: pintu masuk gas; O: pintu keluar gas M: Mikropon

Gambar 2.4 Bagian-bagian sel fotoakustik

Bagian-bagian sel fotoakustik yang digunakan dalam penelitian terlihat

seperti pada gambar 2.2. Ukuran dari sel fotoakustik yang digunakan dalam

penelitian yaitu panjang resonator (L) 10 cm dan jari-jari resonator ( )R 0,5 cm.

Persamaan kecepatan bunyi (v) dengan panjang gelombang (λ ) dan

frekuensi ( f ) secara umum mengikuti persamaan

v = λ .f (2.4)

Kecepatan bunyi pada medium gas dengan massa molar M pada suhu T , akan

mengikuti persamaan[Besson, 2006]:

MRTv γ

= (2.5)

dengan R (konstanta gas universal) = 8,3144 J/(Mol K) dan


27

v

p

cc

=γ

pc panas jenis pada tekanan konstan

vc panas jenis pada volume konstan

Tabel 2.1 merupakan salah satu konstanta γ dan M untuk suhu 20 0 C.

Tabel 2.1 Konstantaγ dan M pada suhu 20 0 C [Basson, 2006] Jenis gas γ M (kg/mol)

Udara 1,402 0,0288

Nitrogen ( )2N 1,401 0,0280

Oksigen ( )2O 1,398 0,0320

Sedangkan kecepatan bunyi pada suhu 0 0 C ( 0v ), akan mengikuti persamaan

berikut [ Anderson,1989]:

MRv 273

0γ

= (2.6)

dari persamaan (2.5) dan (2.6) dapat diperoleh persamaan[ Anderson,1989]:

2730Tvv = (2.7)

Resonator pada sel fotoakustik berbentuk silinder dengan panjang l dan

diameter d dan kedua ujung terbuka, sehingga panjang gelombangnya mengikuti

persamaan[ Anderson,1989]:

effL2=λ (2.8)


28

dengan, dlLeff 3,0+= (2.9)

dengan persamaan (2.7) dan (2.8) kecepatan gelombang bunyi pada sel

fotoakustik akan mengikuti persamaan[ Anderson,1989]:

2730Tv = fLeff2 (2.10)

)3,0(22730

dl

Tvf

+= (2.11)


29

BAB. III

METODE PENELITIAN

III. A. Tempat Penelitian

Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat

Kampus III Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

Paingan Maguwoharjo Depok Sleman Yogyakarta

III. B. Rangkaian percobaan


30

Gambar 3.1 Susunan alat pada detektor fotoakustik

Gambar 3.2 Detektor Fotoakustik yang digunakan dalam penelitian. III. C. Keterangan Alat dan Bahan

III.C.1. Alat

Susunan alat pada detektor fotoakustik dapat dilihat pada gambar 3.1

sedangkan detektor yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada gambar

3.2 . Bagian-bagian penting pada detektor fotoakustik:

Laser CO 2

Laser berfungsi sebagai sumber cahaya. Laser CO digunakan sebagai sumber

cahaya karena intensitas spektralnya yang tinggi dan dapat ditala sehingga dengan

laser ini pengukuran sangat sensitive dan juga dapat mengukur secara on-line

[Persijn, 2007]. Komponen laser terdiri dari cermin (11), kisi (9), tabung laser

CO 2 (10). Kisi digerakan atau diatur sudutnya oleh stepermotor yang dapat diatur

melalui komputer. Tabung laser didinginkan dengan air yang mengalir secara


31

terus menerus selama laser hidup. Air dialirkan dari tempat penampungan air (7a)

kemudian masuk tabung laser dibuang ke tempat pembuangan air (7b). Piezo (12)

berfungsi mengoptimalkan daya laser. Laser dimodulasi oleh chopper (15). Daya

laser ditangkap oleh detektor (13) dan diukur oleh powermeter (14).

Sel fotoakustik

Sel fotoakustik merupakan ruang konversi cahaya menjadi sinyal akustik.

Bagian-bagian penting dari sel fotoakustik adalah resonator (3) dan mikropon (4).

Gas dari tabung gas (1) akan menuju ke tempat sampel (2) sebagai gas pembawa.

Gas produksi sample kemudian akan dibawa ke dalam sel fotoakustik. Setelah

terjadi konversi cahaya menjadi sinyal akustik, sinyal akan ditangkap oleh

mikropon (4). Oleh mikropon akan dikirim ke lock-in amplifier (5) dan kemudian

akan diolah dan ditampilkan pada computer (7)

III.C.2. Bahan

Gas (Udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen)

Ketiga gas tersebut berfungsi sebagai gas pembawa. Gas pembawa adalah

gas yang berfungsi sebagai membawa gas sample menuju sel fotoakustik akustik.

Selain itu gas ini juga berfungsi sebagai medium pada detektor fotoakustik.

III. C. Pengoperasian Alat

Gambar 3.1 merupakan susunan dari komponen-komponen detektor

fotoakustik.

Menentukan garis laser


32

Langkah yang harus dilakukan sebelum menentukan frekuensi resonansi

detektor fotoakustik yaitu menentukan daerah garis laser. Garis laser ini

menyatakan dimana daerah yang memiliki daya laser. Untuk menentukan garis

laser dilakukan dengan membuka menu “POWER & SAMPLE STEP GRAPH”,

menu ini selain memperlihatkan adanya garis laser juga memperlihatkan tingginya

daya laser serta besarnya sinyal akustik yang ditimbulkan pada daya tersebut.

Grafik hubungan antara daya laser, sinyal akustik dan posisi stepermotor hanya

akan ditemukan pada band tertentu sehingga harus mengetahui interval band

tersebut. Kemudian menscan daerah yang sudah ditentukan.

Menentukan frekuensi Resonansi gas

Dari garis yang sudah diperoleh, dimanfaatkan untuk menentukan frekuensi

resonansi detektor fotoakustik. Frekuensi resonansi ditentukan dengan mengatur

manual control “chopper” dan mengamati sinyal akustik yang dihasilkan.

Frekuensi resonansi detector fotoakustik merupakan frekuensi pada saat sinyal

maksimum.

Menentukan konsentrasi gas

Dalam mengukur konsentrasi gas kita harus mengetahui terlebih dahulu gas

apa yang ada di dalam sel fotoakustik Setelah itu diset frekuensi resonansi sesuai

gas yang ada di dalam sel fotoakustik. Kemudian pengukuran konsentrasi dapat

dilakukan.


33

BAB. IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.A. Hasil

IV.A.1. Menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik

Gambar 4.1 dan 4.2 merupakan gambar hasil penscanan untuk menentukan

garis laser pada setiap posisi stepermotor pada medium udara. Posisi stepermotor

terkait dengan panjang gelombang lasernya. Grafik hubungan antara daya laser

terhadap posisi stepermotor dapat dilihat pada gambar 4.1 sedangkan grafik

hubungan antara sinyal akustik terhadap posisi stepermotor pada gambar 4.2.

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6100 6300 6500 6700 6900

Stepermotor

Daya

lase

r (w

att)

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi stepermotor


34

-0,50,00,51,01,52,02,53,03,54,04,5

6100 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900

Stepermotor

Sin

yal a

kutik

(mV)

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap posisi stepermotor

pada gas etilen.

Telah dilakukan penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakutik untuk

medium udara. Gambar 4.3 merupakan gambar grafik hubungan antara sinyal

akustik terhadap frekuensi pada satu panjang gelombang untuk dua daya laser

yang berbeda. Pada satu garis laser tersebut, sinyal yang dihasilkan pada setiap

frekuensi untuk dua daya laser yang berbeda tinggi sinyalnya juga berbeda.

Frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium udara = (1720± 5) Hz.

1720 Hz

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800

Frekuensi (Hz)

Siny

al a

kust

ik (m

V)

Daya laser 1

Daya laser 2

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium udara untuk dua daya laser yang berbeda .


35

Selanjutnya dengan cara yang sama dilakukan juga pada medium

Nitrogen. Gambar grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk

medium nitrogen dapat dilihat pada gambar 4.4 dan 4.5 Frekuensi resonansi

detektor fotoakustik untuk medium gas Nitrogen = (1741± 5)Hz.

1741 Hz

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

1500 1600 1700 1800

Frekuensi (Hz)

Siny

al a

kust

ik (m

V)

Daya laser 1Daya laser 2

Gambar 4.4 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium gas nitrogen untuk dua daya laser yang berbeda.

Gambar 4.5 merupakan gambar grafik hubungan antara sinyal akustik

terhadap frekuensi pada medium gas Nitrogen untuk tiga panjang gelombang laser

yang berbeda.


36

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800

Frekuensi (Hz)

Siny

al a

kust

ik (m

V)

panjanggelombang 1

panjanggelombang 2

panjanggelombang 3

Gambar 4.5 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium gas nitrogen untuk dua panjang gelombang yang berbeda.

Gambar 4.6 merupakan grafik penentuan frekuensi resonansi detektor

fotoakustik untuk medium gas Oksigen. Frekuensi resonansi detektor fotoakustik

untuk medium gas Oksigen = (1628± 5) Hz.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800

Frekuensi (Hz)

Sin

yal a

kust

ik (m

V)

Gambar 4.6. Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk medium gas Oksigen

Selanjutnya gambar 4.7 merupakan grafik hubungan antara sinyal akustik

terhadap frekuensi untuk tiga medium yaitu udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen.


37

00,20,40,60,8

11,21,4

1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800

Frekuensi (Hz)

Siny

al a

kust

ik (m

VUdaraOksigenNitrogen

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk tiga medium berupa udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen IV.A.4. Mengukur Konsentrasi gas apel

Setelah diperoleh nilai frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk

beberapa medium, nilai tersebut dimanfaatkan untuk melakukan pengukuran

konsentrasi gas etilen yang diproduksi oleh buah apel.

Grafik 4.8 merupakan grafik hubungan antara konsentrasi gas etilen yang

dipoduksi oleh buah apel terhadap waktu. Sampel diberi tiga perlakuan, yang

pertama, kodisi A gas pembawa sampel gas Nitrogen dan gas yang ada pada sel

fotoakustik juga Nitrogen sehingga pada kondisi A, frekuensi resonansi diset pada

1741 Hz. Kondisi B, kondisi B merupakan waktu transisi pengesetan mengubah

perlakuan pada semple yang awalnya dialiri gas Nitrogen kemudian dialiri udara.

Kondisi C, gas pembawa dan medium pada sel fotoakustik udara, sehingga untuk

frekuensi resonansinya diset pada 1720 Hz.


38

Berikut ini juga merupakan pengukuran konsentrasi gas yang diproduki

buah apel merah. Pada kondisi A sampel dialiri udara dan medium pada sel

akustiknya juga berupa udara, sehingga frekuensi resonansinya diset 1720 Hz.

Kemudian kondisi B, sampel dialiri gas Nitrogen dan untuk medium pada sel

fotoakustik juga berupa gas Nitrogen, sehingga pada kondisi B frekuensi

resonansinya diset pada 1741 Hz. Sedangkan untuk kondisi C gas nitrogen

dialirkan tanpa dilewatkan pada sampel.


A B C

-1.000

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

Waktu (jam)

Kon

senr

asi (

ppb)

Gambar 4. 9 Grafik hubungan antara konsentrasi gas produksi buah apel terhadap waktu

IV.B. Pembahasan

Penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk tiga medium

yaitu Udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen. Dalam penentuan frekuensi resonansi,

yang dilakukan terlebih dahulu menentukan garis laser. Hasil penentuan garis

laser dapat dilihat pada grafik (4.1) dan (4.2). Gambar (4.1) merupakan gambar

grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi stepermotor. Posisi stepermotor

terkait dengan panjang gelombang laser. Dari gambar tersebut dapat dilihat

bahwa daya laser untuk masing-masing panjang gelombang berbeda-beda.

Gambar (4.2) merupakan gambar hubungan antara sinyal akustik terhadap posisi

stepermotor atau panjang gelombang lasernya. Dari gambar (4.1) dan (4.2) untuk

konsentrasi gas (Cg) yang sama sepanjang pengukuran, dengan konstanta sel (C)

tetap, dapat ditentukan koefisien serapanya dengan persamaan (2.3).


2

Dengan garis laser yang diperoleh, kemudian dimanfaatkan untuk

menentukan frekuensi resonansi. Indikator terjadinya frekuensi resonansi adalah

adanya sinyal akustik maksimum. Jadi dengan mengetahui frekuensi pada saat

sinyal maksimum maka diperoleh frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk

medium yang digunakan. Dari perumusan dasar teori disampaikan bahwa sinyal

akustik dipengaruhi oleh konstanta sel, konsentrasi gas, koefisien serapan dan

daya laser.

Konstanta sel terkait dengan frekuensi resonansi. Dari beberapa grafik

hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi dapat diamati bahwa sinyal

akustik untuk setiap frekuensi tidak sama dan frekuensi resonansinya berada pada

sinyal maksimumnya.

Sinyal akustik dipengaruhi oleh daya lasernya, hal tersebut dapat dilihat

dari gambar 4.3 dan 4.4. Gambar tersebut diperoleh pada satu gelombang tertentu,

dengan dua daya laser yang berbeda. Dari grafik hubungan sinyal akustik dengan

frekuensi untuk dua daya laser yang berbeda dapat dilihat bahwa untuk dua daya

laser berbeda menghasilkan tinggi sinyal akustik yang berbeda, sehingga daya

laser mempengaruhi besarnya sinyal. Pada kondisi tersebut letak sinyal

maksimum tetap pada frekuensi yang sama, dapt dikatakan juga frekuensi

resonansi tidak dipengaruhu daya lasernya.

Koefisien serapan, dapat dilihat dari grafik hubungan antara sinyal akustik

terhadap frekuensi untuk tiga panjang gelombang yang berbeda. Setiap panjang

gelombang memiliki daya laser dan koefisien serapan tertentu. Dari Grafik 4.5

dapat dilihat bahwa untuk tiga panjang gelombang yang berbeda tinggi sinyal


3

yang dihasilkan juga berbeda, sehingga selain daya laser, koefisien serapan juga

mempengaruhi tinggi sinyal akustik yang dihasilkan. Dari gambar tersebut juga

dapat dilihat frekuensi pada saat sinyal maksimum sama, sehingga frekuensi

resonansi tidak dipengaruhi koefisien serapanya.

Gambar 4.7 grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi

untuk tiga jenis gas, frekuensi resonansi untuk ketiga jenis tersebut berbeda dan

tertentu. Dengan persamaan (2.11):

MRT

Lf

effr

γ2

1=

Telah dilakukan penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk

medium udara, gas Nitrogen dan Oksigen. Dalam perhitungan, sebelum

menentukan frekuensi resonansi, kecepatan bunyi ( v ) pada suhu medium pada

saat penelitian dihitung terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan (2.6)

2730Tvv =

Dengan 0v adalah kecepatan bunyi pada suhu 0 0 , nilai 0v diperoleh dari

tabel kecepatan bunyi pada medium dengan suhu 0 0 [Anderson,H.L.1989] dan T

adalah suhu medium pada saat pengukuran yaitu 300K. Setelah diperoleh

kecepatan bunyi pada suhu 300K, kemudian ditentukan frekuensi resonansinya,

dengan persamaan

vLf effr 21

=


4

Tabel 4.1 Penentuan frekuensi resonansi

Medium 0v (m/s) v (m/s)

(t = 27 C)

fr perhitungan

(Hz)

fr penelitian

(Hz)

Udara 331,45 346,98 1745, 38 1720

Nitrogen 334 350,13 1761,2 1741

Oksigen 316 331,26 1666,29 1628

Hasil penentuan frekuensi resonansi dapat dilihat dari perhitungan dan

penelitian pada tabel 4.1 dari tabel tersebut terlihat besarnya frekuensi resonansi

pada perhitungan dan penelitian sesuai baik dari nilainya yang relatif sama

(mendekati) ataupun dari segi perbandingan nilai untuk ketiga jenis mediumnya.

Perbedaan tersebut muncul, ada beberapa kemungkinan yang menyebabkan

munculnya perbedaan tersebut; adanya kemungkinan gas yang berada pada sel

fotoakustik tidak murni, adanya perubahan temperatur pada saat melakukan

pengukuran, dari sinyal akustik yang fluktuatif saat menentukan frekuensi

resonansi detektor fotoakustik.

Dari hasil perolehan frekuensi resonansi kita dapat memanfaatkanya dalam

pengukuran konsentrasi. Gambar 4.8 merupakan pengukuran konsentrasi gas Apel

pada kondisi awal konsentrasi cukup tinggi karena dimungkinkan adanya

penimbunan gas produksi apel. Selanjutya sampel dialiri dengan gas Nitrogen hal

ini berarti bahwa lingkungan apel berupa gas Nitrogen. Setelah beberapa saat

konsentrasi gas etilen yang produksi apel mengalami penurunan, menuju kondisi

konstan tetapi lebih rendah dari pada kondisi awalnya. Kemudian nitrogen

dialirkan tanpa melewati sample, berarti tidak ada gas produksi apel yang terukur


5

konsentrasinya, sehingga konsentrasinya nol seperti pada kondisi B. Setelah itu

gas pembawa dan medium akustik pada sel fotoakustik diganti dengan udara,

frekuensi resonansi diset pada 1720 Hz dan yang terjadi adalah adanya

peningkatan konsentrasi gas produksi apel. Pada kondisi ini nilai dari konsentrasi

gas etilen yang diproduksi buah apel pada lingkungan udara lebih rendah dari

pada lingkungan gas Nitrogen, karena pada kondisi ini merupakan kondisi

transisi.

Pada Gambar 4.9 pengambilan data diawali dengan mengalirkan udara

pada sample, pada gambar terjadi penurunan, penurunan tersebut bukan karena

udara menghambat produki gas apel tetapi karena diawali dengan penimbunan gas

produksi apel. Penurunan tersebut menuju kondisi normal kemudian setelah itu

baru mengalami peningkatan produksi gas. Pada kondisi B, sample dialiri dengan

Nitrogen, yang terjadi penurunan konsentrasi. Diakhir gas Nitrogen dialirkan

tanpa melewati sample, sehingga konsentrasinya menuju nol.

Dengan memahami proses penentuan frekuensi resonansi detektor

fotoakustik untuk tiga jenis medium dan menggunakan frekuensi tersebut dalam

pengukuran konsentrasi gas. Pengesetan frekuensi resonansi yang sesuai harus

dilakukan karena frekuensi resonansi detektor merupakan salah satu faktor yang

mempengaruhi optimalisasi detektor fotoakustik, sehingga ketika menggunakan

medium gas tertentu, frekuensi resonansi detektor fotoakustik juga harus diset

dengan nilai tertentu sesuai dengan frekuensi resonansinya.


6

BAB. V

PENUTUP

V. A. KESIMPULAN

1. Penggunaan detektor fotoakustik dapat dioptimalkan dengan bekerja

pada frekuensi resonansinya.

2. Frekuensi resonansi dipengaruhi mediumnya.

3. Frekuensi resonansi tidak dipengaruhi oleh daya laser dan koefisien

serapanya.

V. B. SARAN

Untuk melakukan pengukuran konsentrasi gas dengan berbagai perlakuan

pada sample tanpa harus mengubah frekuensi resonansi sepanjang pengukuran

dapat digunakan klep gas. Klep gas merupakan alat untuk mengatur aliran gas

seperti pada gambar 5.1. Hal tersebut dilakukan supaya gas atau medium yang

berada pada sel fotoakustik konstan, hasilnya dapat dilihat pada tabel 5.1 Untuk

mengatur aliran gas seperti pada gambar 5.1 dengan menggunakan klep secara

elektronik. Klep Gas terdiri dari 3 bagian (lubang alir) input Oksigen 2O , Jalur On

dan Off.


7

Tabel 5.1 Penggunaan klep gas

Tempat sampel Sel fotoakustik

Off 2N 2N + 2O

On 2N + 2O 2N + 2O


8

Daftar Pustaka

Anderson,H.L.1989.A Phisicist’s Desk Reference.New York:American Institute of

Physics.

Besson,J.P. 2006. “Photoacoustic Spectroscopy for Multi-Gas Sensing Using Near

Infrared. Lasers”.http:// bibion.epfl.ch/

EPFL/theses/2006/3070/3670_abs.pdf.

Diakses pada tanggal, 6 November 2007.

Haisch, C & Niessner, R. 2002. “Light and sound – Potoacoustic

Spectroscopy”.http://www.spectroscopyerupe.com/ PAS iu_5. pdf.


Persijn,S. 2007. Sensitive gas Detection using CO2 Laser Photoacoutic

Spectrocopy. Makalah kursus singkat laboratorium analisa kimia

fisika pusat. Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Santosa, I. E. 2003. Pengukuran Konentrasi Gas dengan Detektor Fotoakustik.

Makalah seminar dosen Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam. Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Spike, B.T. 2006. “The Photoacoustic Effec”. http://

uw.physics.wisc.edu/timbie/P325/ Spike-photoacoustic effect.pdf.



SKRIPSI - USD Repository

Documents