implementasi sensor kapasitif dalam sistem kontrol kadar...
Post on 24-Mar-2019
227 Views
Preview:
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)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail: muhammad_rivai@ee.its.ac.id
S (1)
(2)
(3)
2
Gambar 1. Desain 3 Dimensi Sensor
Beda potensial antar batang pada kapasitor merupakan negatif
penjumlahan dari medan listrik diantara luasan selimut batang
silinder yang berhadapan[1]. Diasumsikan bahwa a adalah
radius batang tengah (m) dan b adalah radius dalam batang luar
(m) maka,
𝑉 𝑟 = − 𝜆
𝜀. 2.𝜋. 𝑟.𝑑𝑟
𝑟
𝑎
𝑉 𝑟 = −𝜆
𝜀. 2𝜋𝑙𝑛
𝑟
𝑎
Diketahui bahwa potensial dari konduktor tengah lebih
positif dari pada konduktor luar silinder [1] maka,
𝑉 = −𝜆
𝜀. 2𝜋𝑙𝑛
𝑎
𝑎 − −
𝜆
𝜀. 2𝜋𝑙𝑛
𝑏
𝑎
Karena 𝑙𝑛𝑎
𝑎= 0, 𝑄 = 𝜆. 𝐿 dan 𝑄 = 𝐶. 𝑉 maka,
𝐶 =𝜀. 2𝜋𝐿
𝑙𝑛𝑏
𝑎
Dengan mengacu pada persamaan 4, dilakukan
perancangan sensor, yang memiliki dimensi seperti pada
gambar 1, dengan persamaan matematis sebagai berikut:
𝐶𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 (𝑝𝐹) = 29,1503. 𝜀𝑟
Dimensi dari rongga antara silinder luar dan dalam
dirancang relatif besar agar saat terjadi reaksi ionisasi antara air
(H2O) dan etanol (C2H5OH), ion H+ yang muncul tidak
menimbulkan short circuit diantara kedua silinder konduktif.
Rancangan ini menimbulkan konsekuensi penggunaan rentang
kapasitansi orde pF-nF[9].
Silinder konduktif yang digunakan dalam perancangan
memanfaatkan bahan aluminium tanpa campuran dan coating.
Penggunaan bahan ini didasarkan atas beberapa pertimbangan
antara lain:
konduktivitas listrik relatif tinggi (3,5x107S/m),
tingkat korosi rendah,
bersifat paramagnetik,
dan tidak berbahaya bagi manusia.
C. IC Timer 555 [11]
Untik mengakuisisi sensor kapasitif dibutuhkan sebuah
osilator salah satunya adalah astable multivibrator 555. Berikut
ini merupakan hubungan antara Ra dan Rb (Gambar 2) terhadap
durasi pulsa high(th) dan low(tl):
𝑡ℎ = 0,693. 𝑅𝑎+𝑅𝑏 . 𝐶
𝑡𝑙 = 0,693. 𝑅𝑏 .𝐶
Kedua persamaan tersebut dapat digunakan untuk mencari duty
cycle dari gelombang keluaran osilator sebagai berikut:
𝑑𝑢𝑡𝑦 𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 % =𝑅𝑏
𝑅𝑎 + 𝑅𝑏
Gambar 2. Skematika Rangkaian Astable Multivibrator NE555[11]
Karena 𝑇 = 𝑡ℎ + 𝑡𝑙 maka,
𝑓𝑜𝑠𝑐 𝐻𝑧 =1,44
𝑅𝑎 +2𝑅𝑏 .𝐶
Nilai C pada persamaan 7 merupakan kapasitansi sensor yang
menjadi variabel terukur dari sistem, fosc max 500kHz [12].
D. Sistem Mikrokontroler ATmega16 [14]
ATmega16 merupakan mikrokontroler 8-bit dengan
memori flash sebesar 16KB. Mikrokontroler ini tersusun atas
transistor CMOS sehingga memiliki kecepatan eksekusi
instruksi program setiap clock yang relatif tinggi dengan
konsumsi daya yang rendah.
Adapun pelbagai fitur ATmega16 yang digunakan dalam
perancangan alat antara lain timer interrupt, interrupt eksternal,
kanal PWM (pulse width modulation) dan komunikasi serial
(USART).
E. Kontroler PID
Kontroler PID (Proportional – Integral – Derivatif)
memiliki kemampuan untuk memperbaiki respon plant dengan
menggunakan umpan balik (feedback) sehingga menghasilkan
sistem kontrol yang tertutup (closed loop). Kontroler ini terdiri
atas tiga buah komponen antara lain:
1. Kontroler Proposional
Kontroler ini memberikan pengaruh langsung pada error,
dapat mempengaruhi kestabilan, memperbaiki respon
transien dan mengurangi error steady state.
2. Kontroler Integral
Kontroler ini menghasilkan sinyal kontrol yang berubah
sebanding dengan perubahan besar error, dapat
menghilangkan error steady state, memperburuk respon
transien dan mengurangi kestabilan.
3. Kontroler Derivatif
Kontroler ini menghasilkan sinyal kontrol yang semakin
besar dengan perubahan error yang semakin cepat,
mengurangi error steady state dan memperbaiki respon
transien.
Konstanta setiap kontroler diatas dapat ditentukan melalui
metode tuning ziegler nichols 1. Metode ini memanfaatkan
grafik respon plant dan mencari delay (L) dan rise time (T). Tabel 1.
Tuning PID – Ziegler Nichols 1[15]
Tipe Kontroler Kp Ki Kd
P 𝑇
𝐿 0 0
PI 0,9𝑇
𝐿
𝐿
0,3 0
PID 1,2𝑇
𝐿
1
2𝐿 0,5𝐿
(4)
(6)
(7)
(5)
3
Gambar 3.Diagram Blok Sistem Kontrol Kadar Etanol
F. Pompa Peristaltik
Pompa peristaltik merupakan aktuator pendistribusi fluida
dengan mengadaptasi prinsip kerja tenggorokan pada manusia.
Pompa peristaltik disusun dengan penggerak motor yang
dikopel dengan beberapa roller yang menekan pipa terhadap
dinding roller[13].
Debit dari pompa peristaltik dapat diatur berdasarkan
kecepatan putar dari motor, sehingga kontroler PID dapat
menggunakan sinyal PWM untuk mengubah besar debit pompa
sesuai dengan error plant saat itu.
G. Perancangan Sistem Elektronika
Aquades dimasukkan ke dalam reaktor untuk memulai
proses kalibrasi sensor terhadap nilai TDSnya. Setelah proses
kalibrasi selesai, user memasukkan set point ke dalam
mikrokontroler dalam satuan kadar etanol (%). Mikrokontroler
kemudian mencacah frekuensi gelombang osilator yang
didasarkan pada nilai kapasitansi dari sensor yang terendam
dalam reaktor.
Hasil pencacahan frekuensi dimasukkan dalam algoritma
konversi f to %Et yang diperoleh dari persamaan matematis
data karakterisasi sensor terhadap larutan etanol pelbagai
konsentrasi. Selisih antara set point dan hasil bacaan sensor,
yang disebut sebagai error, dimasukkan ke dalam algortima
PID. Sinyal kontrol kemudian dikirimkan ke salah satu aktuator
berupa pompa peristaltik untuk menambah etanol absolut atau
aquades menuju reaktor. Magnetic Stirrer ditambahkan untuk
mengkatalisis pencampuran etanol dan air.
H. Perancangan Perangkat Lunak
Dalam perancangan alat, dibutuhkan adanya algortima
untuk mengakusisi sensor kapasitif dan kontrol untuk
mengkompensasi galat akibat selisih antara sensor dan set
point. Adapun jenis kontroler yang digunakan adalah PID
digital dengan nilai error yang diperoleh dari selisih antara set
point dan sensor. Jika error mengindikasikan kekurangan
etanol maka PID 1 akan dioperasikan demikian seterusnya.
Keluaran kontroler PID akan dimasukkan dalam akuator
dengan memanfaatkan metode PWM.
Gambar 4. Diagram Blok Algoritma Kontrol PID
III. HASIL DAN ANALISIS
A. Pengujian Sensor Kapasitif
Tujuan dari pengujian ini adalah untuk dapat mengetahui
konsistensi pembacaan oleh sensor terhadap beberapa sampel.
Berdasarkan hasil pengujian sensor pada tabel 2 terlihat
bahwa sensor secara konsisten menghasilkan data hampir
dengan selisih yang relatif rendah selama lima kali percobaan
setiap sampel. Jika diamati pula rerata kapasitansi total
terhadap rerata kapasitansi setiap sampel didapatkan selisih
hingga 1,5nF atau 2,77% dari rerata total. Kondisi yang serupa
juga ditemukan pada tabel 3 dan tabel 4. Tabel 2.
Nilai Sensor dengan Sampel Air Mineral Aquase
Sampel Percobaan Ke- Csensor (nF) Mean Csensor (nF)
Sampel 1
1 57,56
58,112
2 58,29
3 58,16
4 58,21
5 58,34
Sampel 2
1 55,56
56,086
2 56,43
3 56,44
4 56,17
5 55,83
Sampel 3
1 57,32
57,054
2 56,67
3 56,72
4 57,16
5 57,40
Sampel 4
1 58,48
58,974
2 59,14
3 59,21
4 58,66
5 59,38
Sampel 5
1 58,63
58,216
2 58,32
3 58,45
4 57,98
5 57,70
Rerata Kapasitansi Percobaan (nF) 57,684
Tabel 3.
Nilai Sensor dengan Sampel Air Mineral Flow
Sampel Percobaan Ke- Csensor (nF) Mean Csensor(nF)
Sampel 1
1 67,01
66,714
2 66,77
3 66,76
4 66,49
5 66,54
Sampel 2
1 65,06
65,284
2 65,50
3 65,33
4 65,21
5 65,32
Sampel 3
1 66,25
66,024
2 66,20
3 65,84
4 66,11
5 65,72
Sampel 4
1 65,64
65,926
2 65,66
3 66,13
4 66,11
5 66,09
Sampel 5
1 66,22
65,956
2 65,87
3 65,86
4 66,04
5 65,79
Rerata Kapasitansi Percobaan (nF) 65,981
4
Tabel 4.
Nilai Sensor dengan Sampel Aquades
Sampel Percobaan Ke- Csensor(nF) Mean Csensor(nF)
Sampel 1
1 3,221
3,204
2 3,221
3 3,186
4 3,200
5 3,194
Sampel 2
1 2,334
2,458 2 2,355
3 2,419
4 2,602
5 2,580
Sampel 3
1 2,340
2,249
2 2,334
3 2,253
4 2,111
5 2,205
Sampel 4
1 2,437
2,375 2 2,333
3 2,330
4 2,422
5 2,355
Sampel 5
1 2,420
2,400
2 2,422
3 2,370
4 2,411
5 2,377
Rerata Kapasitansi Percobaan (nF) 2,537
Tabel 5. Nilai Sensor dengan Sampel Etanol Absolut
Sampel Sampel Ke- Csensor(nF) Mean Csensor(nF)
Sampel 1
1 0,730
0,696 2 0,692
3 0,681
4 0,688
5 0,690
Dengan membandingkan rerata kapasitansi total pada
tabel 2 dan tabel 3, diperoleh selisih sebesar 8,297nF. Selisih ini
meningkat ketika dibandingkan rerata kapasitansi total pada
tabel 2 dan tabel 3 terhadap tabel 4, berturut-turut diperoleh
selisih sebesar 55,147nF dan 63,444nF. Perbedaan selisih ini
dipahami sebagai pengaruh total dissolved substance (TDS)
berupa mineral pada sampel pada tabel 2 dan tabel 3 sedangkan
aquades memiliki nilai TDS mendekati 0.
Dari data pengujian pada tabel 5, diketahui pula bahwa
sensor memiliki konsistensi nilai dengan sampel uji etanol
absolut (96%), dibuktikan dengan selisih nilai kapasitansi
setiap sampel terhadap reratanya yang rendah hingga 0,034nF.
Untuk mengetahui tingkat akurasi dari sensor, diketahui
pada tabel 4 bahwa Caquades=2,537nF, berdasarkan persamaan 5
diperoleh:
𝜀𝑟 =2,537 × 10−9
29,1503 × 10−12= 87,032
Diketahui dari tabel 5 bahwa Cetanol=0,699nF, berdasarkan
persamaan 5 diperoleh,
𝜀𝑟 =0,696 × 10−9
29,1503 × 10−12= 23,876
Jika dibandingkan εr air dan etanol secara teoritis berturut
turut 80,4 dan 24,3[8][10]; εr dari hasil perhitungan data dengan
Tabel 6.
Data Hasil Pembacaan Frekuensi Osilator oleh ATmega16
Sampel Frekuensi Terukur
Osiloskop (Hz) Frekuensi Terukur
ATmega16 (Hz) Galat (Hz)
Udara
458701 458702 1 459224 459225 1 459174 459175 1 458855 458856 1 459230 459230 0
Aquades 1
113777 113778 1 114101 114102 1 114340 113340 0 113800 113800 0 113980 113980 0
Aquades 2
86400 86400 0 85992 85992 0 86501 86500 1 86388 86389 1 86240 86240 0
jenis sampel yang bersesuaian, memiliki selisih yang relatif
rendah..
Berikut ini merupakan nilai selisih rerata kapasitansi total
tabel 2, tabel 3 dan tabel 4 terhadap tabel 5 berturut-turut:
56,988nF, 65,285nF dan 1,841nF. Ketiga nilai selisih tersebut
menunjukkan bahwa sensor mampu membedakan jenis larutan
antara air (air mineral dan aquades) dan etanol absolut.
B. Pengujian Algortima Pencacah Frekuensi
Pada pengujian sensor sebelumnya, akuisisi kapasitansi
dilakukan menggunakan LCRmeter; dalam sistem kontrol ini
memanfaatkan hasil cacahan frekuensi oleh ATmega16 dari
gelombang keluaran osilator sensor.
Berdasarkan data perbandingan hasil pencacahan
frekuensi oleh osiloskop dan algoritma dalam ATmega16
diperoleh error (galat) maksimum sebesar 1Hz. Relatif
rendahnya tingkat error menunjukkan ATmega16 memiliki
kemampuan pencacahan frekuensi cukup baik karena
didukung oleh penggunaan duty cycle gelombang osilator
sebesar 33,3%.
𝑑𝑢𝑡𝑦 𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 =10𝑘
10𝑘 + 2.10𝑘% = 33,3%
C. Pengaruh TDS Larutan Terhadap Sensor Kapasitif
Berdasarkan tabel 7 dapat dianalisis sebagai perubahan
frekuensi osilator akibat perubahan nilai TDS (total dissolved
substance) yang terdapat dalam sampel aquades uji dengan
hubungan terbalik.
Tabel 7.
Data Perbandingan Frekuensi Osilator Terhadap Nilai TDS Aquades
No TDS (ppm) Frekuensi (kHz) ΔTDS (ppm)
Δf (kHz) 1 0,42 134,615
2 0,49 133,705 0,07 -0,910
3 0,59 132,336 0,10 -1.369
4 0,70 131,039 0,11 -1,297
5 0,71 130,879 0,01 -0,660
6 0,81 129,658 0,10 -1,221
7 0,90 128,137 0,09 -1,121
8 2,45 108,421 1,55 -19,716
9 2,51 107,583 0,06 -0,838
10 2,55 107,081 0,04 -0,502
11 3,15 106,247 0,06 -0,834
12 5,13 81,437 1,98 -24,810
13 5,14 81,283 0,01 -0,154
14 5,15 81,123 0,01 -0,160
15 5,15 81,117 0 -0,006
5
Tabel 8.
Data Perbandingan Frekuensi Osilator Terhadap Nilai TDS Etanol
Jenis Sampel TDS Larutan (ppm)
Aquades 0,4 10% Etanol 0,4 20% Etanol 0,4 30% Etanol 0,4 40% Etanol 0,42 50% Etanol 0,42 60% Etanol 0,42 70% Etanol 0,43 80% Etanol 0,43 90% Etanol 0,43
Hubungan tersebut dapat dimodelkan secara matematis
dimana:
𝑡𝑑𝑠 =𝑓𝑜𝑠𝑐 − 135600
12000+ 0,4
Nilai135600 merupakan representasi frekuensi osilator dengan
sampel uji aquades TDS 0,4ppm. Nilai 12000 diperoleh sebagai
selisih penurunan frekuensi 1200Hz setiap kenaikan TDS
sebesar 0,1ppm (tabel 7).
Tabel 8 menunjukkan bahwa penambahan etanol absolut
dalam aquades tidak meningkatkan nilai TDS larutan secara
siginifikan sehingga perubahan frekuensi disebabkan hanya
karena penambahan etanol absolut.
D. Karakterisasi Sensor Terhadap Konsentrasi Etanol
Gambar 5. Grafik Karakterisasi Sensor Terhadap Konsentrasi Etanol
%𝐸𝑡 = 5,674327 × 103 − 2,033161 × 10−1 × 𝑓𝑜𝑠𝑐
+2.792765 × 10−6 × 𝑓𝑜𝑠𝑐2 − 1.866451 × 10−11 × 𝑓𝑜𝑠𝑐
3
+6.124657 × 10−17 × 𝑓𝑜𝑠𝑐4 − 7.910844 × 10−23 × 𝑓𝑜𝑠𝑐
5
Gambar 6.Respon Plant – 0%-10%
Tabel 9.
Pemodelan Kontroler Pompa Etanol
Jenis Kontroler Kp Ki Kd
P 6,182 0 0
PID 7,418 0,455 0,550
Gambar 7. Respon Plant – 20%-10%
Tabel 10.
Pemodelan Kontroler Pompa Aquades
Jenis Kontroler Kp Ki Kd
P 4,689 0 0
PID 5,628 0,172 1,450
E. Tuning PID
Nilai delay time dan time constant yang diperoleh dari
respon plant pada gambar 6 dan gambar 7, dimasukkan dalam
persamaan pada tabel 1. Hasil dari perhitungan menjadi
pemodelan dua jenis kontroler, yakni P dan PID untuk dua
aktuator, yang ditampilkan pada tabel 9 dan 10.
Melalui pengamatan hasil respon kontroler P dan PID
berturut-turut memiliki rise time 12s dan 10,2s; sehingga jenis
kontroler yang memiliki respon lebih baik adalah PID.
Tabel 11.
Respon Plant Sistem Kontrol Kadar Etanol (1)
Set point (%)
Konsentrasi Terukur (%)
Error (%) Rise Time
(s) Settling Time (s)
10 10 0 38 67 10 0 35 62 10 0 37 65
20 20 0 71 137 20 0 75 141 20 0 68 133
30 30 0 126 238 29 3,33 113 221 30 0 132 240
40 40 0 178 421 40 0 181 422 42 5 194 439
Tabel 12.
Respon Plant Sistem Kontrol Kadar Etanol (2) Set point
(%) Konsentrasi Terukur (%)
Error (%) Rise Time
(s) Settling Time (s)
10 9 10 24 45 20 18 10 41,5 59 30 28 6,67 42 72 40 37,5 6,25 66 109 50 47 6 104 135 10 10 0 36 62 20 20 0 41 59 30 28 6,67 49,5 76 40 38 5 69 115 50 47 6 112 143 10 10 0 36 60 20 20 0 45 59 30 29,5 1,67 48 71 40 38 5 67 112 50 48 4 108 136
6
Tabel 13.
Data Respon Sistem Akibat Gangguan
Gangguan Konsentrasi Terukur (%) Error (%)
50 ml Aquades 9 10
150 ml Aquades 10 0
300 ml Aquades 10 0
Gambar 8. Respon Sistem dengan Gangguan 150ml Aquades
F. Pengujian Sistem Kontrol Kadar Etanol
Hasil pengujian sistem kontrol pada tabel 11
menunjukkan bahwa capaian respon sistem semakin menurun
seiring dengan bertambah tingginya set point yang dituju.
Walaupun demikian dari 12 kali percobaan sistem memiliki
error relatif rendah hingga 5%. Data respon yang identik
ditunjukkan oleh tabel 12, namun pengujian dengan
pengubahan set point menambah tingkat error sistem hingga
mencapai angka 10%.
Data pada tabel 13 menunjukkan kemampuan sistem
kontrol dalam menangani gangguan yang diberikan ke dalam
plant untuk mensimulasikan terjadinya pengurangan kadar
akibat penguapan etanol dari larutan aquades. Dari data
tersebut diketahui bahwa error relatif rendah hingga mencapai
angka 10%.
G. Pengaruh pH Larutan Terhadap Sensor Kapasitif
Menurut data pada tabel 14, penurunan pH diluar kondisi
normalnya mengindikasikan terjadinya reaksi ionisasi dengn
jumlah yang tidak wajar. Hal ini dapat diindikasikan dengan
penurunan atau peningkatan pH larutan seperti yang ditemui
pada tabel 14 dengan set point 10% saat percobaan ketiga.
Perubahan pH ini mengakibatkan error pembacaan oleh sensor.
Dari data tabel 14 juga diketahui bahwa penurunan pH
akan menyebabkan peningkatan konduktivitas hal ini dapat
diamati dari setiap percobaan pada satu set point.
Tabel 14.
pH dan Konduktivitas Larutan Etanol dari Sistem Kontrol
Set point (%)
Konsentrasi Terukur (%)
Error (%)
pH [H+] Konduktivitas
(uS)
10 10 0 6,96 10-6,96 3,472
10 0 6,96 10-6,96 3,484 9 10 6,89 10-6,89 3,484
20 20 0 6,91 10-6,93 3,355
21 5 6,95 10-6,95 3,333 20 0 6,9 10-6,90 3,367
30 30 0 6,87 10-6,87 3,164
30 0 6,88 10-6,88 3,164 30 0 6,86 10-6,86 3,164
40 40 0 6,65 10-6,65 2,777
41 5 6,72 10-6,72 2,762 40 0 6,63 10-6,63 2,777
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan pengujian dan analisis data dari alat pada
penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan antara
lain sensor kapasitif yang telah dirancang mampu
menghasilkan nilai kapasitansi yang berbeda untuk sampel
larutan yang berbeda sebagai fungsi konstanta dielektrik
relatif (εr).
Peningkatan nilai TDS (total dissolved substance)
aquades sebagai pelarut menyebabkan penurunan frekuensi
osilator sensor sebesar 1200Hz pada ΔTDS sebesar 0,1ppm.
Namun penambahan etanol absolut pada aquades tidak
menaikkan TDS larutan secara signifikan karena tidak
terjadi penambahan mineral atau senyawa logam.
Algoritma pencacah frekuensi yang dirancang mampu
mendeteksi perubahan frekuensi sebesar 1Hz dengan error
maksimum 0,6%. Konstanta PID berdasarkan Ziegler
Nichols 1 untuk pompa etanol adalah 7,4(Kp), 0,45(Ki) dan
0,55(Kd); untuk pompa aquades adalah 5,63(Kp), 0,17(Ki)
dan 1,45(Kd). Secara keseluruhan, sistem kontrol yang
dirancang mampu menghasilkan dan menjaga konsentrasi
larutan etanol dengan error hingga 10% pada tingkat
konsentrasi uji 0%-50%.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Anonim, “Cylindrical Capacitor”, <URL:http://www.phys.uri.
edu/~gerhard?PHY204/tsl105.pdf>, 23 April 2014.
[2]. O’Neil, M.J., “The Merck Index: An Encyclopedia of Chemicals,
Drugs, and Biologicals (14th ed.)”, Merck, New Jersey, 2006.
[3]. Anonim, “Selection and Use of Chemical Disinfectans” ,<URL:
http://www.memphis.edu/ehs/pdfs/disinfectan.pdf>, pp 1-4, 20 April
2014.
[4]. Fisher Scientific, “Material Safety Datasheet, Ethyl Alcohol”, <URL:
http://www.nafaa.org/ethanol.pdf>, 20 April 2014.
[5]. Anonim, “Farmakope Indonesia Edisi IV”, Departemen Kesehatan
Republik Indonesia, Jakarta, pp. 63 , 1996
[6]. Zumdahl, S. dan DeCoste D.J., “Introductory Chemistry: A
Foundation, Hybrid Edition”, Brooks/Cole, Belmont, pp.187, 2011.
[7]. Anonim, “Department of Electronics Course Notes”, Massachusetts
Institute of Technology”, Cambridge, Ch. 5, 2014.
[8]. Anonim, “The Dielectric Constant”, <URL:
http://physics.bu.edu/~duffy/semester2/c08_dielectric_constant.html
>, 22 April 2014.
[9]. Honma, M. dan Iwabashi, K., “Alcohol Concentration Detecting
Device”, United States Patent, Patent Number 5.033.292, pp. 3-18,
Alexandria, Juli, 1991.
[10]. Elert, G., “Dielectrics”, <URL:http://physics.info/dielectrics/>, 23
April 2014.
[11]. Texas Instruments, “555 Precision Timer Series”,
<URL:www.datasheetcatalog.com>, 23 April 2014.
[12]. STMicroelectronics, “NE555 General Purpose Single Bipolar Timer”
<URL:www.st.com>, 23 April 2014.
[13]. Anonim, “Peristaltic Pump”, <URL: http://en.wikipedia
.org/wiki/Peristaltic_pump>, 23 April 2014.
[14]. Atmel Corporation, “Datasheet ATmega16”,
<URL:http://www.atmel.com>, 23 April 2014.
[15]. Copeland, B.R., “The Design of PID Controllers using Ziegler Nichols
Tuning” <URL: http://educypedia.karadimov.info/
library/Ziegler_Nichols.pdf>, pp. 2-4, Maret, 2008.
top related