EN-76 0838: Iwan Sugriwan dkk.

PENGEMBANGAN SISTEM SENSOR UNTUK MENGUKURPARAMETER GAS PADA PRODUKSI BIOGAS

Iwan Sugriwan1∗, Ahmad Jauhari Fuadi1, Slamet Riadi1, Rahmadiansyah1, danAbubakar Tuhuloula2

1Program Studi Fisika FMIPA Universitas Lambung Mangkurat BanjarbaruJl. Ahmad Yani KM 36, Banjarbaru 70714

2Program Studi Teknik Kimia FT Universitas Lambung Mangkurat Banjarbaru∗e-Mail: iwan unlam@yahoo.com

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

Penelitian pengembangan sistem sensor untuk mengukur parameter gas pada produksi biogas telah dilakukan. Fokuspenelitian dititikberatkan pada pengembangan alat ukur tekanan dengan sensor MPX2100GP, sensor kelembaban dan temper-atur dengan SHT11 dan sensor temperatur dengan LM35 telah dilakukan pada tahap 1. Pada tahap 2, telah dikembangkanalat pengukur kadar oksigen (O2) dengan sensor KE50, pengukur kadar karbondioksida (CO2) dengan sensor TGS4161 danpengukur kadar metana dengan sensor TGS2611. Untuk merealisasikan ketiga alat ukur ini, telah dikembangkan perangkatkeras yaitu catu daya teregulasi, pengkondisi sinyal dengan OP-07, mikrokontroler dengan ATMega8535, dan antarmuka keLCD karakter 16×2 dan komputer pribadi/laptop dari masing-masing sensor. Proses penelitian selanjutnya adalah kalibrasidan kerakterisasi masing-masing sensor. Kalibrasi dilakukan dengan mengukur variasi kadar O2, CO2 dan CH4 yang dihasil-kan oleh mini digester biogas. Kadar gas di ukur dengan menggunakan gas chromatografi yang proporsional dengan tagangankeluaran dari sensor yang dikembangkan. Pengembangan pengkondisi sinyal, pengembangan mikrokontroler dan antarmukadengan liquid chrystal display (LCD) juga terhadap personal computer (PC) dihubungkan satu sama lain sebagai satu sistempengukuran. Pembuatan perangkat lunak adalah pembuatan software mikrokontroler dan LCD (liquid chrystal displays) sertaPC (personal computer). Software mikrokontroler dibuat dengan Basic Compiler (BASCOM), sedangkan untuk PC denganVisual Basic. Sensor SHT11 telah dapat bekerja dengan baik untuk mendeteksi perubahan temperatur dan kelembaban dalamruang. Pengujian SHT11 dengan cara memberi perubahan kelembaban dari humiditifier dan perubahan temperatur berasaldari lampu halogen. Sensor MPX2100GP telah menunjukkan performa yang sangat baik mengukur tekanan dari aliran udarayang berasal dari tabung dengan jangkauan tekanan dari 1 sampai dengan 100 kPa. Persamaan karakteristik MPX2100GPadalah V = 0.0498P − 0.0816 volt. Sensor LM35 telah mampu mengukur perubahan temperatur dalam sebuah sistem ujidengan persamaan karakteristik sensor V = 0, 0101T + 0.0004 volt. Sensor KE-50 sebagai pengindera kadar oksigen telahmenunjukkan performa yang baik, persamaan karakteristik untuk KE-50 adalah V = 50.419n−14.682 mV dengan jangkauanpengukuran dari 0∼100% oksigen. Sensor TGS4160 sebagai pengindera kadar karbondioksida telah menunjukkan performayang baik, persamaan karakteristik untuk TGS4160 adalah V = 0.3609n+ 14.286 mV dengan jangkauan pengukuran sampaidengan 45000 ppm. Sensor TGS2611 telah menunjukkan unjuk kerja yang sangat baik, dengan persamaan karakteristik sensoradalah V = 0.5059n + 1.7154 mV. Prototipe dari sistem sensor telah diuji coba untuk mengukur kadar oksigen, metana, dankarbondioksida pada mini digester biogas. Minidigester yang dibuat terdiri dari sebuah tabung dengan diameter 30 cm dantingggi 50 cm, dengan bahan baku biogas dari kotoran sapi ditambah air dengan perbandingan 1:1. Dari hasil uji coba terhadapKE50, TGS4161 dan TGS2611 menunjukkan bahwa sistem yang telah dibangun telah menunjukkan performa yang baik. Alatukur yang telah dibangun juga portable dan dapat mengakuisi data hasil pengukuran secara real time, mencatat otomatis danterus-menerus.

Kata Kunci: sistem sensor, sistem akuisisi, antarmuka, real time monitoring.

I. PENDAHULUANBiogas sebagian besar mengandung gas metana

(CH4) dan karbon dioksida (CO2), disamping itu biogasjuga mempunyai kandungan lain yang jumlahnya kecildiantaranya hidrogen (H2), hidrogen sulfida (H2S) danammonia (NH3).[1] Digesti anaerob adalah sebuah reak-tor yang dihubungkan dengan metode dalam produksi

gas metana pada produksi biogas. Hasil yang diperolehtergantung pada banyaknya variabel termasuk karak-teristik limbah, kandungan air, temperatur, pH, keterse-diaan nutrisi dan mikroba, serta kehadiran inhibitorseperti: oksigen, logam, dan sulfat.[2] Digesti anaerobjuga efektif untuk mengolah berbagai jenis limbah cair,seperti limbah cair industri makanan/minuman, perta-

Prosiding InSINas 2012

0838: Iwan Sugriwan dkk. EN-77

nian, pulp/ kertas, kimia, petrokimia, farmasi dan lain-lain.[3]

Implementasi penggunaan biogas sebagai salah satusolusi krisis energi masih menyisakan masalah karenagas yang dihasilkan dari produksi biogas dengan tek-nologi digesti anaerob kurang efisien sehingga perluadanya teknologi terobosan untuk meningkatkan efi-siensi dan volume gas yang dihasilkan. Salah satuupaya untuk mengetahui ketidakefisiensian pada se-tiap tahapan proses dapat dilakukan dengan monito-ring pada setiap tahap produksi biogas yaitu saat ba-han dimasukkan ke reaktor biogas (biogas digester)sampai gas sudah tidak diproduksi lagi. Monitoringakan dilakukan dengan memasang sensor, yaitu sensormetana, sensor karbondioksida, sensor oksigen, sen-sor kelembaban dan temperatur serta sensor tekanan.Pada penelitian ini, dirancang dan dibuat suatu per-alatan yang dapat digunakan untuk mengukur konsen-trasi gas metana (CH4), gas karbondioksida (CO2), gasoksigen (O2), suhu, tekanan dan kelembaban udara.

II. METODOLOGIMonitoring parameter gas pada produksi biogas

dalam digester anaerob serta mengembangkan sistemsensor yang digunakan dalam pengukuran memer-lukan tahapan proses perencanaan dan implementasisistem instrumentasi.[4] Tahapan yang dilakukan dalampenelitian ini adalah menyiapkan peralatan dan ba-han penelitian, perancangan dan pembuatan perang-kat keras serta perangkat lunak dan implementasi sis-tem instrumen pada mini digester skala lab dan dikebun percobaan peternakan Fakultas Pertanian Un-lam di Pelaihari Banjarmasin. Perangkat keras yangtelah dibuat adalah rangkaian catu daya untuk sen-sor MPX2100GP, SHT11, LM35, KE50, TGS4160 danTGS2611. pembuatan dan kalibrasi sensor temperaturdengan LM35, sensor tekanan dengan MPX2100GP,sensor kelembaban dan temperatur dengan SHT11,sensor oksigen KE-50, sensor karbondioksida denganTGS4160 dan sensor metana dengan TGS2611.

Penguat instrumentasi untuk alat ukur tekananMPX2100GP, penentuan fungsi transfer untuk SHT11,penguat non-inverting untuk sensor KE-50 danTGS4160 serta pembagi tegangan yang dihubungkandengan penguat non-inverting untuk TGS2611.Rangkaian penguat instrumentasi dan penguat non-inverting mengaplikasikan IC OP-07. Blok mikrokon-troler di antarmuka dengan LCD karakter 16×2 untukmenampilkan hasil pengukuran, sedangkan untukakuisisi data telah dibuat sistem antarmuka dengankomputer pribadi atau laptop.

Pembuatan perangkat lunak meliputi program am-bil data dari sensor LM35, MPX2100GP, SHT11, KE-50, TGS4160 dan TGS2611. Langkah berikutnya adalahmembangun program konversi tegangan sensor ana-

log menjadi digital untuk ketiga sensor supaya men-jadi sebuah sistem pengukuran. Untuk proses an-tarmuka, program yang telah dibuat adalah programmenampilkan data pada peraga display LCD 16×2,dan program antarmuka dengan komputer pribadi de-ngan format serial RS-232 juga via universal serial bus.Software mikrokontroler dibuat dengan Basic Compiler(BASCOM), sedangkan untuk PC dengan Visual Basicdan Delphi. Kedua tahapan tadi akan diimplemen-tasikan pada instalasi biogas baik skala lab dan digesterskala kecil.

III. HASIL DAN PEMBAHASANA. RHTmeter dengan SHT11

HT11 terdiri dari blok-blok rangkaian elektronisyang membentuk suatu sistem sehingga menjadi se-buah alat ukur terdiri dari rangkaian catu daya,kaskade antara SHT11 dengan port mikrokontroler AT-Mega8535, antarmuka modul mikrokontroler denganLCD karakter, antarmuka mikrokontroler dengan kom-puter pribadi melalui port serial RS-232 dan antarmukamikrokontroler dengan laptop melalui USB.[5] Real-isasi alat ukur kelembaban dan temperatur ditunjukkanpada Gambar 1 di bawah ini:

GAMBAR 1: Realisasi alat ukur SHTmeter

Program antarmuka antara alat ukur kelembabandan temperatur berbasis SHT11, dengan komputerpribadi atau laptop dibangun dengan program Delphi6.0. Tampilan pada layar monitor komputer/laptopditunjukkan pada GAMBAR 2. Dengan program antar-muka ini, pembacaan hasil pengukuran dengan alatukur kelembaban dan temperatur secara portable.[6]

Mekanisme pengujian ditunjukkan pada GAMBAR 3,sedangkan grafik yang berpadanan ditunjukkan padaGAMBAR 4 untuk temperatur dan GAMBAR 5 untukkelembaban. Dari grafik pada GAMBAR 4 dan GAM-BAR 5 menunjukkan bahwa sensor SHT11 telah dapatmengindera perubahan temperatur dan kelembaban.

B. Manometer Digital dengan MPX2100GPSensor tekanan yang digunakan adalah MPX2100GP.

Sensor ini memerlukan tegangan catu (Vccs) sebesar 12V. MPX2100GP mempunyai 4 kaki, yaitu kaki 1 dan 3

Prosiding InSINas 2012

EN-78 0838: Iwan Sugriwan dkk.

GAMBAR 2: Tampilan hasil pengukuran pada PC/laptop

GAMBAR 3: Pengamatan suhu dan kelembaban yang disemprotkanuap air

GAMBAR 4: Pengamatan suhu yang diberi uap air pada SHT11

berfungsi sebagai ground (GND) dan Vccs, kaki 2 seba-gai tegangan keluaran positif (V+) dan kaki 4 sebagaitegangan keluaran negatif (V−).[7]

Rangkaian sensor yang telah dihubungkan ke pen-guat instrumentasi ditunjukkan oleh GAMBAR 6.

Karakterisasi sensor dilakukan untuk mengetahui

GAMBAR 5: Pengamatan kelembaban yang diberi uap air padaSHT11

GAMBAR 6: Rangkaian sensor dan penguat instrumentasi

perbandingan sebenarnya antara tegangan keluaransensor terhadap tekanan yang diberikan pada P1.

Perbandingan tegangan masukan dan tegangankeluaran ditunjukkan oleh GAMBAR 7.

GAMBAR 7: Grafik antara tekanan dan tegangan setelah IA

GAMBAR 8 menunjukkan tampilan program pencatatdata saat dijalankan. Bagian utama yang ditampilkanadalah tekanan terukur dalam satuan kPa yang secaralangsung juga disajikan dalam bentuk grafik waktu-tekanan, Kompilasi kode program menghasilkan ap-likasi program dengan format ∗.exe yang bisa diberinama sesuai keinginan.

Prosiding InSINas 2012

0838: Iwan Sugriwan dkk. EN-79

GAMBAR 8: Tampilan program pencatat data hasil pengukuranotomatis

C. Termometer Digital dengan LM35Sensor suhu yang digunakan adalah LM35.[8] Sensor

ini beroperasi pada tegangan catu sebesar 4 volt sam-pai 30 volt. Sensor LM35 mempunyai 3 kaki, yaitu Vcc,Ground dan Output. Sensor suhu LM35 dikalibrasi de-ngan cara menghubungkan kaki Vcc dari sensor ke kakipositif +5 volt catu daya, kaki ground sensor ke kakinegatif +5 volt catu daya, kaki output sensor ke posi-tif multimeter dan dari kaki negatif catu daya ke kakinegatif multimeter. Susunan kalibrasi sensor LM35 di-tunjukkan pada GAMBAR 9 dan grafik kalibrasi ditun-jukkan pada GAMBAR 10.

GAMBAR 9: Kalibrasi sensor suhu LM35

Program tampilan pada PC termometer digitaldibuat menggunakan software Visul Basic 6.0 yangmemiliki fasilitas ComPort untuk menjalankan koneksidengan port serial. ditunjukkan pada GAMBAR 11.

D. O2meterSensor KE-50 tidak memerlukan catu tegangan un-

tuk operasinya. Keluaran dari KE-50 untuk kon-

GAMBAR 10: Grafik hasil kalibrasi sensor LM35

GAMBAR 11: Hasil pengukuran yang terbaca di PC

sentrasi oksigen 100% adalah antara 200 sampai de-ngan 300 mV,[9] sedangkan jangkauan tegangan untukmikrokontroler adalah dalam orde volt, yaitu 5 volt (un-tuk catu tegangan mikrokontroler 5 volt). Untuk me-ningkatkan keluaran KE-50 berada dalam jangkauantegangan masukan ADC internal pada mikrokontroler,maka diperlukan sebuah rangkaian penguat yang men-gaplikasikan IC OP-07 yang dikonfigurasi sebagai pen-guat tak membalik. Penguat tak membalik menguatkanpolaritas sinyal tegangan masukan positif sebesar gaindari op-amp yang ditentukan oleh pemilihan resistorinput (Rin) dan resistor umpan balik (Rf). Rin sebesar 1kΩ dan resistor feedback dipasang resistor variabel de-ngan nilai 100 kΩ. Penguatan (gain) di set pada nilaisekitar 19 kali.

GAMBAR 12 adalah grafik karakteristik sensor KE-50 setelah mendapat penguatan sebesar 19 kali. Per-samaan karakteristik antara tegangan vesus konsentrasi

Prosiding InSINas 2012

EN-80 0838: Iwan Sugriwan dkk.

diberikan dengan persamaan V = 50,419 n - 14,682 volt,dengan V sebagai tegangan dalam volt dan n adalahkonsentrasi dalam persen (%). Persamaan karakteristikini akan menjadi data proses untuk ADC internal padamikrokontroler ATMega8535.

GAMBAR 12: Grafik karakteristik sensor KE-50 setelah penguatandengan gain 19 kali

Hasil pengukuran kadar oksigen pada produksi bio-gas dapat dibaca melalui peraga LCD 16x2 karakterseperti telah ditunjukkan pada GAMBAR 13. Sensor KE-50 yang dihubungkan dengan mikrokontroler dan hasilpembacaan pada LCD merupakan alat ukur kadar ok-sigen secara digital, di mana prosentasekadar oksigendapat langsung dibaca. Namun demikian, untuk keper-luan penyimpanan data hasil pengukuran, pemantauanpengukuran secara terus-menerus dan realtime tidakdapat dipenuhi sekedar oleh alat ukur kadar oksigendigital (O2meter digital), untuk keperluan ini maka sen-sor KE-50 harus diantarmuka dengan komputer pribadiatau laptop. Susunan alat akuisisi yang diantarmukadengan laptop ditunjukkan pada GAMBAR 13. Sedang-kan tampilan akuisisi data secara real time pada layarlaptop ditunjukkan pada GAMBAR 14.

GAMBAR 13: Antarmuka antara oksigenmeter dengan perangkatakuisisi (laptop)

GAMBAR 14: Tampilan akuisisi data secara waktu nyata pada layarlaptop/PC

E. CO2meter dengan Sensor TGS4160Sensor TGS4160 adalah modul sensor yang da-

pat mendeteksi gas karbondioksida.[10] Keluaran dariTGS4160 (kaki 2) sudah dalam bentuk sinyal tegan-gan sehingga dapat langsung dihubungkan denganrangkaian penguat yang mengaplikasikan IC OP-07yang dikonfigurasi sebagai penguat tak membalik. Pen-guat tak membalik menguatkan polaritas sinyal tegan-gan masukan positif sebesar gain dari op-amp yang di-tentukan oleh pemilihan resistor input (Rin) dan resis-tor umpan balik (Rf). Pada GAMBAR 15 tampak rangka-ian catu daya, penguat tak membalik dan mikrokon-troler dalam satu box rangkaian Rin sebesar 1 kΩ danresistor feedback dipasang resistor variabel dengan ni-lai 100 kΩ.

GAMBAR 15: Rangkaian catu daya, penguat tak membalik danAtmega8535

GAMBAR 16 adalah grafik karakteristik dari sen-sor TGS4160 dengan persamaan karakteristik V =0, 3609n+14, 286mV , dengan V adalah tegangan dalammV dan n adalah konsentrasi dalam ppm. Grafik karak-teristik ini diperoleh dengan cara memberikan variasi

Prosiding InSINas 2012

0838: Iwan Sugriwan dkk. EN-81

konsentrasi CO2 pada sensor dan mencatat teganganyang proporsional dengan masukan konsentrasinya.

GAMBAR 16: Grafik karakteristik sensor TGS4160 konsentrasiversus tegangan

Data yang dihasilkan dapat dimonitor secara terusmenerus setiap satu detik, pembacaan yang real timedan hasil pembacaan disimpan dalam ekstensi .TXT.GAMBAR 18 adalah tampilan monitoring kadar CO2

pada layar laptop. Program aplikasi ini dikembangkandengan menggunakan bahasa pemrograman visual ba-sic 6.

GAMBAR 17: Antarmuka dengan LCD dan laptop/PC

Pada prinsipnya, sensor TGS2611 memerlukan catutegangan, penguat dan sistem akuisisi yang hampirsama ketika merealisasikan O2meter dengan sensor KE-50.[11] Hasil kalibrasi memberikan persamaan karakter-istik seperti yang ditunjukkan pada GAMBAR 19, yaituV = 0, 5059n + 1, 7154mV dengan V adalah tegangandalam milivolt dan n adalah konsentrasi dalam ppm(part per milion).

Tampilan CH4meter secara digital dapat diamatipada LCD 16×2 yang ditunjukkan pada GAMBAR 20. Se-dangkan untuk monitoring secara real time, pencatatanotomatis dan pengukuran secara terus-menerus dengan

GAMBAR 18: Tampilan real time monitoring pada layar laptop/PCKadar Metana dengan Sensor TGS2611

GAMBAR 19: Grafik karakteristik sensor TGS2611, konsentrasiversus tegangan

waktu cuplik setiap satu detik ditampilkan pada GAM-BAR 21. Program aplikasi ini dikembangkan dengan ba-hasa pemrograman visual basic 6.

GAMBAR 20: Tampilan kadar CH4 pada LCD karakter 16×2 padabox rangkaian

Prosiding InSINas 2012

EN-82 0838: Iwan Sugriwan dkk.

GAMBAR 21: Tampilan program aplikasi untuk akuisisi dataTGS2611 pada laptop

IV. KESIMPULANBerdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulakan se-

bagai berikut:

1. Sensor SHT11 telah dapat bekerja dengan baik un-tuk mendeteksi perubahan temperatur dan kelem-baban dalam ruang. Pengujian SHT11 dengan caramemberi perubahan kelembaban dari humiditi-fier dan perubahan temperatur berasal dari lampuhalogen. Sensor MPX2100GP telah menunjukkanperforma yang sangat baik mengukur tekanan darialiran udara yang berasal dari tabung denganjangkauan tekanan daro 1 sampai dengan 100 kPa.Persamaan karakteristik MPX2100GP adalah V =0.0498P − 0.0816 volt. Sensor LM35 telah mampumengukur perubahan temperatur dalam sebuahsistem uji dengan persamaan karakteristik sensorV = 0, 0101T + 0.0004 volt. Sensor KE-50 seba-gai pengindera kadar oksigen telah menunjukkanperforma yang baik, persamaan karakteristik un-tuk KE-50 adalah V = 50.419n−14.682 mV denganjangkauan pengukuran dari 0∼ 100% oksigen. Sen-sor TGS4160 sebagai pengindera kadar karbon-dioksida telah menunjukkan performa yang baik,persamaan karakteristik untuk TGS4160 adalahV = 0.3609n + 14.286 mV dengan jangkauanpengukuran sampai dengan 45000 ppm. SensorTGS2611 telah menunjukkan unjuk kerja yang sa-ngat baik, dengan persamaan karakteristik sensoradalah V = 0.5059n+ 1.7154 mV.

2. Alat ukur yang telah direalisasikan adalah Digi-tal Termometer dengan sensor LM35, Digital HT-meter dengan sensor SHT11, Digital Manometerdengan sensor MPX2100GP, Digital O2-meter de-ngan sensor KE-50, Ditial CO2-meter dengan sen-sor TGS4160 dan Digital CH4-meter dengan sen-sor TGS2611. Keenam alat ukur menampilkanhasil pembacaan parameternya pada LCD karak-

ter 16×2 dan hasil pengukuran juga ditampilkanpada layar monitor PC/laptop dan dapat dimon-itor secara real time, mencatat secara otomatis danmelakukan secara terus-menerus.

3. Dari hasil uji coba pada mini digester yang dikem-bangkan di Laboratorium Elektronika dan In-strumentasi Program Studi Fisika FMIPA Unlam,keenam alat ukur telah menunjukkan performayang sangat baik.

DAFTAR PUSTAKA[1] Sullavan T, 2007. Embedded Control System for

Biogas Digesters. A Dessertation Faculty of En-gineering & Surveying University of SouthernQueensland

[2] Navickas K, 2007. Biogas for Farming, Energy Con-version and Environment Protection. Departmentof Agroenergetics Lithuanian University of Agri-culture

[3] Rogulska M, Kunikowski G, 2009. Biogas produc-tion in Polanddrivers and barriers. European Con-ference on Biomethane Fuel Gteborg, 8 September,2009

[4] Sugriwan, I. 2010. Perancangan Sistem Instrumen-tasi untuk Pengukuran Derajat Layu pada Pengo-lahan The Hitam. Tesis Program Magister JurusanFisika FMIPA ITS. Surabaya.

[5] Ward et al, 2008. Software sensor monitoring andexpert control of biogas production.

[6] Sensirion, 2010. Datasheet SHT1x, Humidity andTemperature Sensor. Sensirion the Sensor Com-pany. [online] available: www.sensirion.com

[7] Data Sheet. 2008. MPX2100 Series: 10 kPa On-ChipTemperatur Compensated and Calibrated SiliconPresure Sensor. Freescale Semiconductor Inc.

[8] Data Sheet LM35. 2000.LM35/LM35A/LM35C/LM35CA/LM35D Preci-sion Centigrade Temperature Sensors. NationalSemiconductor

[9] Figaro Technical Information, 2005. Technical In-formation for GS Oxygen Sensor KE-Series. FigaroUSA, inc.

[10] Figaro Product Information, 2005. TGS 4161 - forthe detection of Carbon Dioxide. Figaro USA, inc.

[11] Figaro Datasheet, 2005. TGS 2611 - for the detectionof Methane. Figaro USA, inc.

Prosiding InSINas 2012