ISSN 2654-5926
Buletin Profesi Insinyur 6.
072Ae076 http://dx.
org/10.
20527/bpi.
Detektor Analisis dan Perekaman Database Konsentrasi Gas Hasil Reaksi Fischer-Tropsch Berbiaya Murah Menggunakan Sensor Gas Berbasis Arduino Jimmy1 Aryuanto Soetedjo2 1 Program Studi Program Profesi Insinyur.
Universitas Lambung Mangkurat 2 Program Studi Elektro.
Institut Teknologi Nasional Malang AAj_roring@yahoo.
Perkembangan teknologi sensor dan antarmuka komputer yang sangat pesat dapat dimanfaatkan untuk membangun suatu peralatan yang dapat digunakan untuk pengukuran dan perekaman konsentrasi gas hasil penelitian secara cepat.
Pengembangan peralatan sensor gas sekaligus perekaman data secara kontinyu berbiaya murah, diperlukan untuk meningkatkan performa penelitian khususnya dalam pengolahan hasil penelitian.
Salah satu penelitian yang memerlukan data konsentrasi gas secara kontinyu adalah reaksi Fischer-Tropsch.
Gas yang lolos dari kondensor terakhir terdiri dari CO.
H2.
N2.
CO2.
CH4.
C2-4 yang diencerkan dengan udara pada pada rasio udara/gas buang sebesar 150, selanjutnya dilewatkan kotak yang berisi sensor gas CO (Arduino MQ-7, kapasitas pembacaan 20-2000 pp.
CO2 (Arduino MG-811, kapasitas pembacaan 350-10.
dan CH4 (Arduino MQ-4, kapasitas pembacaan 000 pp.
Pengenceran dilakukan untuk mengakomodasi batas pembacaan masing-masing Ketiga sensor ini dihubungkan dengan sebuah komputer untuk perekaman data kadar CO sisa dan CO2 dan CH4 yang terbentuk.
Hasil implementasi pengukuran sensor yang diproses menggunakan Arduino ditampilkan dalam sebuah layar Liquid Crystal Display (LCD) dalam satuan ppm .
art per millio.
dan datanya disimpan dalam Microsoft Excel.
Jarak waktu perekaman dapat diatur dalam program Kalibrasi diperlukan untuk mengukur akurasi sensor.
Tingkat kesalahan .
pada kalibrasi yang membandingkan konsentrasi gas standar dengan konsentrasi gas sampel adalah 14,91% untuk CH4.
17,98% untuk CO2 dan 14,60% untuk CO.
Kata kunci: detektor gas, karbonmonoksida, karbondioksida, metana.
Arduino.
Diajukan: 25 Januari 2023 Direvisi: 28 April 2023 Diterima: 28 Juli 2023 Dipublikasikan online: 30 Juli 2023 Pendahuluan Pengukuran konsentrasi gas merupakan kebutuhan utama berbagai penelitian yang berhubungan dengan reaksi yang melibatkan gas maupun penelitian yang berhubungan dengan kondisi lingkungan yang dipengaruhi oleh gas-gas berbahaya.
Selama ini, konsentrasi gas diperoleh menggunakan analisis Gas Chromatography dengan detektor TCD (GC-TCD) yang memiliki keterbatasan seperti biaya analisis yang tinggi, perlu waktu untuk analisis dan ada jeda penyimpanan sampel sebelum dianalisis.
Permasalahan ini dapat diatasi dengan GC-TCD yang dihubungkan secara online dengan produk gas luaran reaktor.
Namun kondisi ini memerlukan biaya yang relatif mahal dan masih belum bisa dipenuhi oleh semua penelitian yang ada (Andrew Oktorizal 2010.
Jati and Lelono 2.
Heng et al (US 2015/0010438A.
merancang peralatan portabel untuk deteksi bahan kimia menggunakan antarmuka peralatan pintar .
mart devic.
yang terdiri dari sebuah sensor, sebuah mikrokontroler dan modul bluetooth.
Peralatan tersebut diaplikasikan dalam pengukuran temperatur, kelembaban, konsentrasi gas CO.
CO2, elpiji yang dapat dilakukan dalam sebuah sensor.
Aplikasi lainnya adalah pengukuran temperatur, kelembaban, konsentrasi gas CO dan NO2.
Namun invensi ini tidak mengakomodasi perekaman data untuk analisis khusus (Daugela et al.
Heng and Shaojin Zhang 2015.
Tahir.
Ridwan, and Nasibu 2.
Wiseman et al (US 8,185,101 B.
merancang sebuah peralatan deteksi gas portabel yang memanfaatkan teknologi sensor berbasis Arduino menggunakan realtime tracking secara nirkabel.
Peralatan tersebut diaplikasikan pada deteksi kondisi lingkungan secara umum (James M.
Wiseman et al.
Gonia et al (US 9,978,251 B.
merancang sebuah detektor konsentrasi gas yang dibangun secara nirkabel dan pelacakan berdasarkan posisi (GPS) untuk mendeteksi kondisi akibat gas-gas berbahaya.
Perekaman konsentrasi gas berdasarkan lokasi dan waktu dapat disimpan dan ditampilkan secara grafis Cara mensitasi artikel ini:
Jimmy.
Soetedjo.
Detektor Analisis dan Perekaman Database Konsentrasi Gas Hasil Reaksi Fischer-Tropsch Berbiaya Murah Menggunakan Sensor Gas Berbasis Arduino.
Buletin Profesi Insinyur 6.
BPI, 2023 | 72
ISSN 2654-5926
Buletin Profesi Insinyur 6.
072Ae076 http://dx.
org/10.
20527/bpi.
untuk mempelajari sejarah informasinya (Gonia and Kolavennu 2.
Salah satu penelitian yang memerlukan data konsentrasi gas secara kontinyu adalah reaksi FischerTropsch.
Reaksi ini menggunakan gas karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H.
sebagai reaktan dan menghasilkan produk cair dan gas.
Produk cair terdiri dari alkana, alkena dan produk samping lainnya yang merupakan material biofuel.
Produk gas yang terdiri dari gas reaktan sisa (CO dan H.
serta produk gas seperti metana, etana, propana, butana.
Gas CO.
CH4 dan CO2 merupakan parameter penting dalam pembahasan reaksi Fischer-Tropsch.
Gas CO digunakan sebagai reaktan pembatas yang digunakan untuk perhitungan kinetika reaksi dan aktivitas katalis.
Gas CO2 merupakan parameter keberadaan reaksi Water Gas Shift (WGS) yang merupakan reaksi samping dan perlu diminimalkan.
Gas CH4 merupakan produk samping yang harus diminimalkan dan besarnya dapat diatur dengan perubahan kondisi reaksi .
emperatur, tekanan dan laju alir ga.
Pengembangan peralatan sensor gas sekaligus perekaman data secara kontinyu berbiaya murah, diperlukan untuk meningkatkan performa penelitian khususnya dalam pengolahan hasil Perkembangan teknologi sensor dan antarmuka komputer yang sangat pesat dapat dimanfaatkan untuk membangun suatu peralatan yang dapat digunakan untuk membaca konsentrasi gas tersebut di atas sekaligus merekam datanya di komputer melalui Microsoft Excel untuk dapat diolah lebih lanjut.
Berbagai sensor gas berbasis Arduino banyak dijual harga relatif murah.
Sensor gas CO (Arduino MQ-.
memiliki kapasitas pembacaan 20-2000 ppm.
CO2 (Arduino MG-.
memiliki kapasitas pembacaan 35010.
000 ppm dan CH4 (Arduino MQ-.
memiliki kapasitas pembacaan 200-10.
000 ppm (Winsen 2014a, 2014b.
Sensor berbasis Arduino merupakan sensor gas berbasis oksida logam.
Sensor oksida logam tersebut merupakan sensor gas dengan harga yang sangat terjangkau dan memiliki sensitivitas yang cukup baik pada beberapa jenis gas.
Sedangkan mikrokontroler Arduino merupakan papan elektronik open source yang memiliki komponen utama berupa mikrokontroler yang bekerja sesuai dengan alur program yang diunggah ke papan tersebut.
Ketiga sensor ini dihubungkan dengan sebuah komputer melalui mikrokontroler Arduino tersebut, untuk penggabungan dan perekaman data kadar gas yang keluar dari reaktor.
Metode Reaksi Fischer-Tropsch Sintesis Fischer-Tropsch dilakukan dalam sebuah rangkaian reaktor yang terdiri dari tabung gas sintesis dengan komposisi 30% CO, 60% H2 dan 10% N2.
Pengujian kinerja katalis dengan memasukkan katalis Fe-Co/HZSM-5 dalam reaktor Fischer-Tropsch.
Reaktor yang digunakan bertipe fixed bed yang akan dioperasikan pada tekanan 20 bar dengan laju alir 25 mL/menit.
Produk hidrokarbon cair (C5 ke ata.
dipisahkan dalam hot trap, sedangkan hidrokarbon rantai pendek (C1-C.
, produk samping CO2 dan sisa gas reaktan (CO dan H.
Produk cair ini dianalisis menggunakan GCMS untuk mengetahui komposisi hidrokarbon yang terbentuk.
Gas yang lolos dari kondensor terakhir terdiri dari CO.
H2.
N2.
CO2.
CH4.
C2-4 yang diencerkan dengan udara pada pada rasio udara/gas buang sebesar 150, selanjutnya dilewatkan kotak yang berisi sensor gas CO (Arduino MQ-7, kapasitas pembacaan 20-2000 pp.
CO2 (Arduino MG811, kapasitas pembacaan 350-10.
000 pp.
dan CH4 (Arduino MQ-4, kapasitas pembacaan 200-10.
Pengenceran dilakukan untuk mengakomodasi batas pembacaan masing-masing sensor.
Ketiga sensor ini dihubungkan dengan sebuah komputer untuk perekaman data kadar CO sisa dan CO2 dan CH4 yang terbentuk (Jimmy et al.
Hasil implementasi pengukuran sensor yang diproses menggunakan Arduino ditampilkan dalam sebuah layar LCD dalam satuan ppm .
art per millio.
dan datanya disimpan dalam Microsoft Excel.
Jarak waktu perekaman dapat diatur dalam program tersebut.
Kalibrasi diperlukan untuk mengukur akurasi sensor.
Perancangan Sistem Diagram blok deteksi dan monitoring gas luaran reaktor Fischer-Tropsch ditunjukkan pada Gambar 2.
Output Hanwei Electronics memiliki tiga sensor yang dibagi menjadi 2 kelompok yaitu sensor dengan catu daya 6 V dan 5 V.
Tegangan output dari masing-masing sensor akan diproses oleh Arduino dan kemudian dilakukan perhitungan sesuai dengan algoritma yang Khusus untuk keluaran sensor MG-811, harus diproses melalui buffer sebagai pengubah impedansi dari keluaran sensor (Faris and Mahmood Yuliani et al.
Tombol tekan digunakan untuk memilih opsi tampilan, sedangkan hasil Gambar 1.
Foto modul sensor gas berbasis Arduino untuk pengukuran konsentrasi gas CO.
CO2 dan CH4
dalam luaran produk sintersis Fischer-Tropsch
BPI, 2023 | 73
ISSN 2654-5926
Buletin Profesi Insinyur 6.
072Ae076 http://dx.
org/10.
20527/bpi.
perhitungan konsentrasi gas ditampilkan pada suatu layar LCD 16x2.
harga terukur - harga sebenarnya skala maksimum y 100% .
Hasil dan Pembahasan Hasil Perancangan Sistem Deteksi Gas Gambar 2.
Sistem diagram blok papan Arduino Mega (Hanwei Electronic.
Setiap grafik karakteristik masing-masing sensor saat mendeteksi gas dapat dibuat persamaan matematis yang menyatakan hubungan antara tegangan keluaran masing-masing sensor dengan konsentrasi gas yang terdeteksi.
Karena hampir semua grafik pada datasheet merupakan grafik logaritma, maka rumus pendekatan yang dibuat memiliki error yang masih cukup besar.
Kesalahan ini dapat diminimalisir dengan memecah rentang konsentrasi menjadi beberapa bagian sehingga setiap bagian baru memiliki formula sendiri.
Hal ini dilakukan agar jarak antar nilai pada sumbu y sebagai nilai konsentrasi menjadi lebih teratur.
Dengan keteraturan nilai pada sumbu y maka rumus yang digunakan untuk pendekatan akan lebih tepat sehingga dapat meminimalisir kesalahan.
Dengan cara ini rata-rata kesalahan pengukuran dapat dikurangi dari kisaran antara 1,05-15,13% menjadi antara 0-8,84%.
Kesalahan terhadap harga sebenarnya dalam proses:
harga terukur - harga sebenarnya harga sebenarnya y100% Kesalahan dalam persen terhadap harga penuh :
Prinsip kerja sensor gas berdasarkan reaksi senyawa oksida dengan gas yang akan dideteksi.
Oksida SnO2 dalam sebuah sensor gas merupakan senyawa ringan, kecil, mudah ditemukan dan memiliki sensitivitas tinggi.
Mekanisme utama reaksi gas dengan oksida logam terjadi pada temperatur tinggi yang berkisar antara 200 sampai 6000 C (Andrew Oktorizal 2.
Skema sirkuit sensor gas (Gambar .
dapat dijelaskan menggunakan prinsip pembagian sirkuit tegangan.
Penghalang sensor total (RS) dan resistansi beban (RL) disusun secara seri.
Apabila sirkuit yang diberi tegangan VC, area pemanasan pada sensor menjadi aktif dan bereaksi dengan gas target sehingga harga RH .
esistansi pana.
akan menurun, selanjutnya akan menurunkan harga RS secara keseluruhan dan meningkatkan harga VL.
Harga output berikutnya dari VL akan dibaca sebagai harga tegangan output yang tergantung dati gradien perubahan RS dan dapat dihitung menggunakan persamaan (Rusnur, 2.
! "
dengan VL adalah tegangan beban .
RL adalah resistansi beban .
RS adalah resistansi sensor total .
dan VC adalah tegangan sumber .
Arduino merupakan papan mikrokontroler yang memiliki 14 pin input/output digital, 6 output analog, resonator keramik 16 MHz, koneksi USB, pasokan listrik, kepada ICSP dan tombol reset.
Modul ini mengandung semua yang diperlukan sebuah mikrokontroler yang dihubungkan dengan sebuah komputer dengan kabel USB.
Gambar menjelaskan tentang blok diagram mikrokontroler Arduino.
Blok diagram ini dapat dijelaskan sebagai berikut (Susanto 2.
: .
UART (Universal Asynchronous Receiver or Transmitte.
adalah antarmuka yang digunakan untuk komunikasi.
Gambar 3.
Mekanisme sistem deteksi dan perekaman konsentrasi gas CO.
CO2 dan CH4
berbasis Arduino
BPI, 2023 | 74
ISSN 2654-5926
Buletin Profesi Insinyur 6.
072Ae076 http://dx.
org/10.
20527/bpi.
1 kb RAM berfungsi sebagai penyimpan data sementara .
ilang saat daya dimatika.
yang biasanya digunakan sebagai variabel dalam program, .
32 kb RAM Flash Memory Function untuk menyimpan program yang dipanggil pada sebuah komputer dan dapat menyimpan data secara tetap .
on-volati.
, .
1 kb fungsi EEPROM untuk data yang tidak dapat hilang ketika daya dimatikan, .
CPU merupakan bagian menjalankansetiap instruksi dari program, .
Port input/output yang disebut sebagai penerima data digital atau analog .
dan menghasilkan data digital dan analog .
Hasil Perancangan Unit Detektor Gas Peralatan sensor gas dirancang dalam sebuah pipa kotak sebagai tempat mengalirnya gas luaran reaktor.
Gas akan masuk melalui pipa gas inlet melewati sensor gas MQ-7.
MG-811 dan MQ-4 yang disusun di sepanjang dinding pipa bagian dalam sehingga harga konsentrasi pipa akan terdeteksi sepanjang perjalanan melewati ketiga sensor tersebut sebelum keluar melalui pipa outlet gas ke udara terbuka.
Pengenceran menggunakan udara bebas sebanyak 150 kali dilakukan untuk mengakomodasi batasan pengukuran masingmasing sensor.
Hasil implementasi pengukuran sensor yang diproses menggunakan Arduino ditampilkan dalam sebuah layar LCD dalam satuan ppm .
art per millio.
dan datanya disimpan dalam Microsoft Excel.
Jarak waktu perekaman dapat diatur dalam program Inlet gas Outlet gas CO Sensor (MQ-.
CO2 Sensor (MG-.
CH4 Sensor (MQ-.
Gambar 4.
Skema unit detector gas CO.
CO2 dan CH4 Hasil Pengujian Kalibrasi Detektor Gas Kalibrasi diperlukan untuk mengukur akurasi sensor.
Hasil pengukuran ini sudah mengakomodasi pengenceran dengan udara dan dikonversi ke harga konsentrasi yang sebenarnya.
Harga Ro adalah harga resistansi sensor yang diuji dalam udara terbuka, dimana harga Ro digunakan sebagai konstanta dalam perhitungan rasio RS/Ro ketika mengukur RS, disebut sebagai resistansi sensor saat pengukuran gas.
Harga Ro hasil kalibrasi adalah 8301,45 .
ntuk MQ-.
dan 5626,86 .
ntuk MG-.
Hasil pengukuran dikalibrasi dengan membandingkan data hasil pengukuran dan hasil analisis GC-TCD yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Tingkat kesalahan .
yang terjadi adalah 14,91% untuk CH4.
17,98% untuk CO2 dan 14,60% untuk CO.
Pada hasil perhitungan kesalahan alat yang diperoleh pada pengujian gas dan pada pengujian sampel gas terukur, kesalahan harga sebenarnya menggunakan persamaan 1 dan persamaan 2.
Nilai kesalahan pada sensor CH4 yang diuji pada kedua sampel tersebut cukup kecil yaitu pada kisaran 1,32 - 7,17% pada uji kesalahan alat dari nilai sebenarnya, sedangkan pada uji kesalahan skala penuh nilainya 1,32-4%.
maka dengan data yang diperoleh dapat menunjukkan bahwa alat ini cukup akurat.
Pada pengujian sensor CO2 nilai errornya sangat besar yaitu berkisar antara 70,87 hingga 82,01% pada pengujian nilai error alat terhadap nilai sebenarnya proses dan 26,79 hingga 82,01% pada pengujian nilai error alat terhadap skala penuh.
Data ini menunjukkan bahwa perangkat sensor jauh dari akurat dan perlu diperbaiki pada pemrograman.
Tabel 1.
Perbandingan pengukuran konsentrasi gas
antara GC-TCD dan unit detektor gas
Pengukuran Pengukuran Gas
GC-TCD
Sensor Gas Error (%) .
CH4
14,91%
CO2
17,98%
14,60%
Kesimpulan Tingkat kesalahan .
pada kalibrasi yang membandingkan konsentrasi gas standar dengan konsentrasi gas sampel adalah 14,91% untuk CH4.
17,98% untuk CO2 dan 14,60% untuk CO.
Tingkat error yang diperoleh dari perhitungan harga sebenarnya untuk sensor CH4 sebesar 1,32-7,17% dan untuk CO2 sebesar 26,79-82,01%.
Data ini menunjukkan bahwa tingkat akurasi perangkat sensor masih kurang dan perlu diperbaiki pada pemrograman selanjutnya.
Referensi