PROGRAM KREATIFITAS MAHASISWA

DESAIN DAN PEMBUATAN DETEKTOR KEBOCORAN

LIQUIFIED PETROLEUM GAS (LPG) YANG EKONOMIS UNTUK

APLIKASI RUMAH TANGGA

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

BIDANG KEGIATAN :

PKM-AI

Diusulkan oleh:

13307049 Silvia Widya Mardiana (2007)

13307011 Suksmandhira Harimurti (2007)

13307119 Aditia Rifa’i (2007)

13309008 Luhur Setyo Pambudi (2009)

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

BANDUNG

2011

LEMBAR PENGESAHAN

1. Judul Kegiatan DESAIN DAN PEMBUATAN DETEKTOR KEBOCORAN LIQUIFIED PETROLEUM GAS (LPG) YANG EKONOMIS UNTUK APLIKASI RUMAH TANGGA

2. Bidang Kegiatan : PKM-AI

3. Ketua Pelaksana Penelitian a. Nama lengkap : Silvia Widya Mardiana b. NIM : 133 07 049 c. Jurusan : Teknik Fisika d. Universitas/Institut/Politeknik : Institut Teknologi Bandung e. Alamat Rumah dan No. Tel/HP : Jl. Pelesiran 81A/56

Bandung/ 08997810112 f. Alamat Email : phiamardiana@gmail.com

4. Anggota Pelaksana Kegiatan/Penulis : 4 orang

5. Dosen Pendamping a. Nama lengkap dan Gelar : Dr.Ir. Brian Yuliarto b. NIP : 132320061 c. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Jl. Bojong Kaler no.30

Cigadung, Bandung / 0811220 2602

Bandung, 10 Maret 2011

Menyetujui,

Ketua Program Studi Ketua Pelaksana Kegiatan

Deddy Kurniadi Dr.Eng Silvia Widya Mardiana

NIP. 131 801 344 NIM. 133 07 049

Kepala Dosen Pendamping

Lembaga Kemahasiswaan

Dr. Ir. Brian Yuliarto Dr.Ir. Brian Yuliarto

NIP. 130528323 NIP. 132320061

I. PENDAHULUAN

Seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk Indonesia, semakin meningkat pula kebutuhan akan s umber daya energi di indonesia. LPG (liquefied petroleum gas) menawarkan solusi bagi pemenuhan salah satu aspek kebutuhan energi di kehidupan sehari-hari masyarakat indonesia. Karena pangsa pasar yang sedemikian besarnya (masyarakat), LPG diproduksi dalam jumlah yang besar. Sehingga tidaklah mengherankan jika tingkat pemakaian LPG relatif tinggi. Oleh karena itu, LPG mesti memiliki tingkat standar keamanan yang tinggi pula. Akan tetapi, kerap terjadi kecelakaan yang disebabkan oleh kegagalan berbagai piranti LPG yang tak sedikit berakhir pada timbulnya korban jiwa. Sesuai sifatnya yang sulit untuk diketahui keberadaannya ketika sudah keluar dari tabung, menjadikan ledakan LPG sangat rentan untuk menimpa siapa saja. Bukanlah hal yang mungkin untuk seketika menjadikan berbagai piranti LPG aman 100%. Oleh karena itu hendaknya tingkat keamanan pemakaiannya dari berbagai aspek yang riskan akan kecelakaan (berdasarkan statistik kejadian ledakan LPG) dapat ditingkatkan.

Sensor kebocoran gas dapat diajukan guna memberi solusi akan sulitnya deteksi mengenai kegagalan sistem tabung dalam menyimpan gas LPG. Teknologi sensor yang mengaplikasikan prinsip resistanse alart ini bekerja ketika mendapatkan suatu keadaan di mana kadar LPG di suatu ruangan memungkinkan untuk terjadinya suatu ledakan. Ketika sensor mendapatkan keadaan dengan tingkat gas LPG di luar yang tinggi, sensor akan memberikan suatu pemberitahuan dalam bentuk lampu dan alarm bagi orang yang di luar ruangan. Dengan begitu, diharapkan orang yang di luar ruangan mampu melakukan evakuasi sekitar ataupun membuka ventilasi ruangan sekitar agar gas LPG dapat keluar dari ruangan secepat mungkin. Teknologi alternatif ini diharapkan dapat dilanjutkan untuk menjadi aset produksi industri rumahan yang berpangsa pasar yang besar.

Selain fungsinya yang penting dalam menjaga kenyamanan pemakaian kompos gas, teknologi sensor kebocoran LPG yang dikembangkan ini juga menawarkan pengaplikasian teknologi terbaru di bidang zinc oxide (ZnO) dengan metoda chemical bath deposition menggunakan Zn(NO3)2.6H2O (Zinc Nitrate Heksahydrate) dan Zn(CH3COO)2.2H2O (Zinc Acetate Dihydrate) sebagai prekursor, Deionized Aqua sebagai pelarut dan (NH2)2CO (Urea) sebagai agen penumbuh. Teknologi ini memiliki keunggulan yaitu dapat beroperasi pada temperatur yang relatif rendah (2000C), proses pembuatan tidak memerlukan teknologi tinggi, dapat dilakukan dengan proses yang sederhana, dan hasil pengujian karakteristik serta performansi menunjukkan sensitivitas sensor, respon waktu, dan waktu pulih elemen sensor yang cukup baik.

Dengan dilakukannya penelitian ini, diharapkan indonesia dapat memulai pengembangan dan pembuatan sensor dalam negeri. Hal itu sekaligus dapat menghilangkan paradigma impor sensor yang selama ini kerap kali dilakukan oleh para pelaku perindustrian dan instrumentasi di indonesia. Selain itu, penelitian ini diharapkan menjadi pelopor penguasaan teknologi sensor berbasis material nano serta menjadi embrio bagi pendirian Industri detektor kebocoran LPG yang pertama di Indonesia.

II. TUJUAN

Penelitian ini dilakukan dengan tujuan:

1. Mengembangkan teknologi sensor berbasis teknoligi nano di Indonesia. 2. Mensisntesis material metal oksida berstruktur nano yang dapat digunakan

sebagai sensor LPG. 3. Mendesain detektor LPG dengan elemen sensor metal oksida struktur nano

disertai heater dan rangkaian elektronik detektor. 4. Membuat detektor kebocoran aplikasi rumah tangga LPG yang ekonomis. 5. Menginisiasi produksi prototipe detektor LPG secara keseluruhan dari mulai

elemen sensor, rangkaian, hingga perakitan sebagai embrio penguasaan teknologi sensor di Indonesia

III. METODE

Penelitian dilakukan secara komprehensif. Material sensor dipersiapkan mulai pemilihan komposisi penyusun lapisan tipis ZnO berpori dengan perbandingan persen mol doping Fe(NO3)3.9H2O terhadap mol Zn sebagai variabel. Setelah diketahui sampel sensor dengan karakteristik terbaik, dilakukan pengujian performansi pada sistem pengujian sampel. Data perubahan resistansi terhadap kadar LPG kemudian menjadi acuan dalam pembuatan rangkaian detektor LPG. Secara garis besar, penelitian dilaksanakan mengikuti prosedur seperti skema berikut:

Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

3.1 Pembuatan Elemen Sensor

Elemen sensor merupakan bagian nose dari detektor kebocoran LPG.

Pembua

tan

Desain

dan

Desain dan

pembuatan

Pembuata

n dan

Gambar 2. Diagram Alir Penelitian Pembuatan Elemen Sensor

3.1.1 Pembuatan Sepasang Elektroda Perak dengan Metode Screen Printing

Pada penelitian ini digunakan substrat alumina berukuran 12,5 mm x 12,5 mm. Di atas substrat tesebut dilapisi perak (Ag) sebagai sepasang elektroda dengan metode screen printing. Pembuatan elektroda ini dilakukan di Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) LIPI, Bandung.

3.1.2 Pembuatan Larutan ZnO

Larutan ZnO disintesis dari pencampuran precursor zinc nitrate hexahydrate dan urea di dalam deionized water. Berdasarkan penelitian yang dilakukan sebelumnya di Laboratorium Proses Material Teknik Fisika ITB, konsentrasi ZnO pada larutan yang tepat untuk membuat lapisan tipis berpori adalah 0,15M dengan perbandingan katalis urea terhadap pelarut adalah 1:5. Penambahan Fe(NO3)3.9H2O sebagai dopan dengan perbandingan mol terhadap mol Zn sebesar 0, 0.5, 1.5 dan 3%.

3.1.3 Sintesis ZnO pada Substrat dengan Menggunakan Metode Chemical Bath

Deposition

Substrat alumina yang telah dibersihkan direndam dan diletakkan dalam posisi berdiri pada larutan ZnO dalam pot zalp. Substrat didiamkan dalam tungku pemanas selama 48 jam dengan temperatur 60oC. Kemudian substrat yang telah terdeposisi dikeluarkan dari tempat perendaman dan dicuci menggunakan aceton untuk menghentikan pertumbuhan kristal, kemudian dilakukan pengeringan pada suhu ruangan selama 20 menit. Langkah terakhir adalah perlakuan panas terhadap lapisan pada suhu 300oC selama 30 menit kemudian didinginkan hingga mencapai suhu ruangan secara perlahan.

3.2 Desain dan Pembuatan Heater dan Rangkaian Elektronik Detektor

Heater diperlukan untuk memanaskan elemen sensor hingga temperatur optimum operasinya yaitu sekitar 1500C. Heater dibuat dengan menggunakan material PTC (Positve Coefficient Temperature). Rangkaian elektronik dibuat pada PCB (Printed Circuit Board) yang terdiri dari Op-amp sebagai komparator, catu daya dan LED serta buzzer sebagai indikator.

3.3 Karakterisasi dan Pengujian Performansi Lapisan Sensitif ZnO Berpori

sebagai Sensor LPG

3.3.1 Karakterisasi Lapisan Sensitif ZnO

Karakterisasi lapisan ZnO dilakukan dengan SEM (Scanning Electron Microscopy) dan XRD (X-Ray Difraction).

3.3.2 Pengujian Performansi Lapisan Sensitif ZnOBerpori sebagai Sensor LPG

Pengujian sampel melibatkan ruang uji, sensor referensi TGS6810, rangkaian pengolah sinyal (wheatstone) dan beberapa peralatan lainnya (Gambar 3). Sensor referensi dan wheatstone berfungsi menunjukkan kadar LPG yang mengalir melalui ruang uji. Sementara itu, nitrogen yang dialirkan dijaga tetap konstan dan besar alirannya ditunjukkan dengan flowmeter digital. Temperatur ruang uji diatur secara manual dengan menggunakan voltage regulator. Resistansi dari sampel diukur dengan multimeter digital.

Gambar 3. Sistem Pengujian Performansi Sampel Elemen Sensor

Data hasil pengukuran yang berupa resistansi terhadap waktu tersebut dapat dihitung performansi sensor yang dinyatakan sebagai sensitivitas, waktu respon dan waktu pulih sensor sebelum dan sesudah dialirkan LPG. Langkah-langkah pengujiannya adalah sebagai berikut: 1. Ruang uji dipanaskan hingga mencapai suhu pengujian (100oC). 2. Gas nitrogen dialirkan ke dalam ruang sampel yang terdapat sensor ZnO

dengan aliran yang tetap dan dicatat data resistansi hingga mencapai keadaan tunak setiap selang 10 detik.

3. Setelah resistansi mencapai keadaan tunak maka LPG dialirkan.

4. Gas LPG (200 ppm) dialirkan ke dalam ruang sampel yang terdapat sensor ZnO dan catat perubahan resistansi tiap 10 detik hingga resistansi sensor menuju ke keadaan tunak.

5. Setelah resistansi mencapai keadaan tunak maka aliran LPG dimatikan. 6. Mengulangi proses 2-5 pada kadar LPG yang sama sebanyak 2 kali. 7. Mengulangi proses 2-6 pada kadar LPG 400 ppm. 8. Mengulangi proses 1-7 pada temperatur 100oC,150oC, 200oC, 250oC

dan300oC. 9. Melakukan proses 1-8 pada sensor ZnO dengan komposisi doping Fe yang

berbeda.

IV. HASIL DAN ANALISIS

4.1 Variasi Sampel Elemen Sensor Lapisan Sensitif ZnO

Dalam melakukan sintesis elemen sensor, dilakukan variasi berupa pemberian konsentrasi dopan Fe yang beragam. Pemberian dopan ini dimaksudkan untuk menambah jumlah pembawa muatan (charge carrier) sehingga akan meningkatkan konduktivitas dan sesitivitas sensor. Berikut merupakan detail variasi dopan Fe yang digunakan.

Gambar 4. Sampel Elemen Sensor Lapisan Tipis ZnO

Keterangan gambar: 1: Sampel tanpa doping Fe 2: Sampel dengan doping Fe 0.5% 3: Sampel dengan doping Fe 1.5% 4: Sampel dengan doping Fe 3% 4.2 Karakterisasi Sampel Elemen Sensor Lapisan Sensitif ZnO

Lapisan tipis ZnO dikarakterisasi dengan metode-metode berikut ini:

• X-Ray Diffraction

Struktur kristal dari ZnO dianalisis dengan X-Ray Diffractometer menggunakan Philips Analytical X-Ray di Laboratorium Metalurgi FTTM ITB dan pola difraksi didapat dengan radiasi Cu (λ = 1.54060 Å) melalui tegangan generator 40 kV dan arus 25 mA. Alat diatur pada mode step scan dengan ukuran step 0,02o 2θ dan waktu step 0.5 detik pada rentang sudut 2θ 20o-90o.

(a)

(b) Gambar 6. Hasil Pengujian XRD pada Sampel (a) tanpa doping Fe dan (b)

doping Fe 0.5% Data hasil XRD yang telah pada gambar 6 menunjukkan terbentuknya

kristal dengan fasa zincite setelah melalui perhitungan.

• Scanning Electron Microscopy SEM digunakan untuk menganalisis morfologi dari sampel ZnO. Analisis

SEM dilakukan di Laboratorium Instrumentasi Basic Science Centre A ITB.

(a)

(b)

(c )

(d)

Gambar 5. Hasil Pengujian SEM Sampel (a) tanpa doping Fe, (b) doping Fe 0.5%, (c) doping Fe 1.5% dan (d) doping Fe 3%.

Sensor memerlukan material dengan koneksi antar grain yang bagus serta pori berukuran meso atau nano agar luas permukaan kontak besar. Morfologi lapisan yang terbentuk pada substrat dilihat melalui pengujian SEM. Dari hasil SEM, sampel dengan tanpa doping Fe (a) dan 0.5% (b) serta 1.5% (c) memiliki morfologi lapisan sheet flower like. Pada sampel dengan doping Fe 3% (d) , morfologi lapisan tidak sheet flower like akibat jumlah Fe cukup besar sehingga berpengaruh terhadap growth rate. Hal ini dibuktikan pada hasil pengukuran sensitivitas sensor, sampel (a), (b), dan (c) menunjukkan performansi yang baik sedangkan sampel (d) kurang baik. Dengan demikian, komposisi doping Fe berpengaruh terhadap morfologi lapisan dan struktur morfologi lapisan berpengaruh pada performansi sensor.

4.3 Karakteristik Dinamik Performansi Lapisan Sensitif ZnO

Gambar 7. Karakteristik Dinamik Sensor

Gambar 7 memperlihatkan tipikal karakteristik dinamik sensor ZnO. Pada gambar diatas ditampilkan data untuk komposisi doping Fe 1.5 % pada temperatur 200oC dan 200 ppm. Gambar menunjukkan ketika gas LPG mulai dialirkan maka resistansi sensor akan turun samapai pada harga tertentu dan kembali naik ketika aliran gas LPG dihentikan. Nilai resistansi pada keadaan tanpa aliran gas LPG sekitar 73 kΩ sedangkan setelah stabil LPG resistansi menjadi 64 KΩ. Aliran LPG dimatikan menyebabkan resistansi kembali naik hingga nilai 74 KΩ.

4.4 Desain Heater

Gambar 8. Desain Heater

Heater yang digunakan merupakan material PTC yang disusun di bawah elemen sensor seperti pada Gambar 8. Heater dihubungkan ke sumber tegangan 220 VAC melalui heating power source. Temperatur elemen sensor ketika heater telah stabil sekitar 1250C. Heater ini merupakan komponen yang sangat penting pada detektor ini karena heater berfungsi untuk memberikan sejumlah energi termal kepada elemen sensor sehingga semikonduktor metal oksida menjadi aktif (elektron dapat bertransisi dari pita valensi ke pita konduksi).

4.5 Desain Rangkaian Elektronik Detektor

Gambar 9. Skematik Rangkaian Detektor LPG

Sensor LPG yang telah dibuat dirangkai dengan rangkaian detektor. Sampel sensor yang digunakan adalah sampel dengan doping Fe 1.5% karena performansinya paling baik diantara sampel lainnya. Rangkaian detector (Gambar 9) terdiri dari komparator (LM311D), transistor (2N2222), LED, buzzer, resistor dan catu daya. Rs merupakan resistansi elemen sensor, elektroda pada elemen sensor dihubungkan ke rangkaian elektronik detektor. Komparator berfungsi sebagai pembanding tegangan antara masukan pada kaki inverting(Vin) dan non-inverting (Vref). Apabila resistansi sensor berubah (akibat keberadaan gas LPG), maka nilai tegangan pada kaki inverting (Vref) berubah. Perubahan masukan tegangan dari kaki inverting mengakibatkan LED dan buzzer berada pada kondisi menyala atau mati. LED dan buzzer menyala ketika LPG dialirkan di sekitar detektor.

Gambar 10. Foto Detektor Kebocoran LPG (tampak atas)

4.6 Perhitungan Biaya Pembuatan Detektor Kebocoran LPG

Perkiraan Harga Produksi Detektor Kebocoran LPG (skala laboratorium)

Kom

pone

n ra

ngka

ian

ele

ktro

nik

transistor 1 IDR 2,000 Baterai 9V 1 IDR 6,000 resistor 3 IDR 300 buzzer 1 IDR 7,500 LED 1 IDR 250 LM311 1 IDR 6,000 Pembuatan PCB 1 IDR 6,000 substrat alumina 1 IDR 15,000

larutan ZnO 1 IDR 10,000 heater 2 IDR 3,320

Pembuatan detektor 1 IDR 3,000

TOTAL ESTIMASI BIAYA IDR 59,370 Tabel 1: Perkiraan Harga Produksi Detektor Kebocoran LPG (skala laboratorium)

Sesuai data yang disuguhkan dari tabel 1. Dapat kita simpulkan jika harga sensor kebocoran LPG di atas hanya membutuhkan modal sebesar Rp 60.000,00. Hal itu jauh lebih murah ketimbang sensor kebocoran gas yang beredar di pasaran yaitu sebesar Rp 170.000,00. Menyadari adanya kemungkinan untuk mendapatkan harga yang relatif cukup murah dan terjangkau untuk adanya subsidi, nampaknya akan lebih tepat jika pemerintah melakukan subsidi terhadap pemberian sensor ini ke masyarakat pada program konversi minyak tanah ke LPG. Hal itu perlu dilakukan demi meningkatkan tingkat keamanan dan kenyamanan pemakaian kompor gas pada masyarakat.

V. KESIMPULAN

1. Pembuatan sensor teknologi nano yang diproduksi secara mandiri sebagai embrio teknologi sensor di Indonesia telah berhasil dilakukan di laboratorium Proses Material Teknik Fisika ITB.

2. Elemen sensor lapisan tipis ZnO dibuat dengan metode Chemical Bath Deposition. Hasil SEM dan XRD menunjukkan struktur lapisan yang terbentuk. Performansi elemen sensor tebaik diperoleh dengan penambahan Fe 1.5%.

3. Lapisan tipis yang dihasilkan kemudian disusun dalam suatu detektor dengan penambahan heater dan rangkaian elektronik detektor. Indikator LED dan buzzer menyala saat dialirkan LPG di sekitar detektor.

4. Dalam pengembangan sesnor ini dipertimbangkan biaya pembuatan seekonomis mungkin dengan sasaran masyarakat ekonomi menengah ke bawah.

VI. DAFTAR PUSTAKA

Indonesia Goverment. (2010, November) [Online]. http://www.indonesia.go.id

World LP Gas Association. 2001 The Future with LP Gas. Paris.

Shell New Zealand Limited. 2005. Shell LPG Material Safety Data Sheet. Wellington.

(2010, Juli) vivanews. [Online]. http://metro.vivanews.com/news/read/164143-pagi-tadi--terjadi-dua-ledakan-tabung-gas

Julia, Sri. 2008. Pembuatan Lapisan Tipis Zinc Oxide Nanopori dengan Menggunakan Metode Chemical Bath Deposition. ITB, Bandung, Tugas Akhir S1.

Iqbal, Muhammad. 2010.Pembuatan Sensor Liquified Petroleum Gas (LPG) Menggunakan Lapisan Tipis Zinc Berpori. ITB, Bandung, Tugas Akhir S1.

Gupta SK, Aditee Joshi, and Manmeet Kaur. 2010.Development of Gas Sensors Using ZnO Nanostructures, Journal Chemical Science. vol. 122,pp. 57 - 62.

Wen-hui Zhang, Wei-De Zhang, and Jue-Fei Zhou. 2010. Solvent Thermal Synthesis and Gas Sensing Properties of Fe-doped ZnO, Jounal Material Science.

Ismail B., Abaab M. A., and Rezig B., .2001. Structural and Electrical Properties of ZnO Films Prepared by Screen Printing Technique, Thin Solid Films. vol. 383, pp. 92 – 94.

Z. M. Jarzebzki, , R. B. Pamplin. 1973.Ed. Oxford: Pergamon Press.

Shinde V. R., Gujar T. P., and Lokhande C. D. 2007. LPG Sensing Properties of ZnO Films Prepared by Spray Pyrolysis Method: Effect of Molarity of Precursor Solution, Sensors and Actuators B. pp. 551 - 559.

Ohring, Milton. 1991.The Materials Science of Thin Films. New York: Academic Press.