SISTEM INSTRUMENTASI BERBASIS KRISTAL...

SISTEM INSTRUMENTASI BERBASIS KRISTAL FOTONIK

SATU DIMENSI UNTUK PENGUKURAN PARAMETER GAS

NO2 PADA INDEKS STANDAR PENCEMAR UDARA

ERUS RUSTAMI

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012

i

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Sistem Instrumentasi Berbasis

Kristal Fotonik Satu Dimensi untuk Pengukuran Gas NO2 pada Indeks Standar

Pencemar Udara adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan

belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber

informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak

diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam

Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, Agustus 2012

Erus Rustami

NIM G751100051

iii

ABSTRACT

ERUS RUSTAMI. Instrumentation System Based on One Dimensional Photonic

Crystal for NO2 Gas Parameter Measurement in Air Pollutants Index. Under

direction of HUSIN ALATAS and ARIEF SABDO YUWONO.

The objective of this research was to build an integrated instrumentation

based on one dimensional photonic crystal for NO2 gas measurement. The

phenomenon of photonic pass band has been used as an optical detection for

liquid concentration measurement. Photonic crystal, light emitting diode, and

photodiode were designed to operate in NO2 absorption spectra that are in the

range between 500 – 600 nm. The integrated optical instrument consists of three

major subsystems i.e. optical sensor based on photonic crystal, signal

conditioning, as well as control and data processing. The experimental results

showed that the instrument was able to detect and measure the variation of NO2

gas concentration with resolution about 8 bit per µg/m3

equivalent to 14 bit/ppb.

Keywords: photonic crystal, photonic pass band, absorption, photodiode, signal

conditioning.

v

RINGKASAN

ERUS RUSTAMI. Sistem Instrumentasi Berbasis Kristal Fotonik Satu Dimensi

untuk Pengukuran Parameter Gas NO2 pada Indeks Standar Pencemar Udara.

Dibimbing oleh HUSIN ALATAS dan ARIEF SABDO YUWONO.

Tingkat pencemaran udara di kota-kota besar di Indonesia seperti Jakarta,

Bandung, dan Surabaya sangat mengkhawatirkan. Konsentrasi gas pencemar

berupa suspended particulate matter (SPM), nitrogen dioksida (NO2), dan timbal

(Pb) berada di atas standar yang ditetapkan oleh World Health Organization

(WHO). Paparan NO2 dalam rentang waktu dan konsentrasi tertentu dapat

menyebabkan gangguan pada sistem pernafasan berupa asma dan bronkhitis.

Bertolak dari hal tersebut maka penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk

membuat sistem instrumentasi yang dapat mengukur parameter gas NO2 sebagai

bagian dari parameter kualitas udara ambien dalam bentuk indeks standar

pencemar udara (ISPU) berbasis sensor kristal fotonik satu dimensi.

Metode pengukuran gas NO2 di udara ambien yang dilakukan saat ini

berupa passive air sampler (PAS) dan active air sampler (AAS). Keunggulan

yang dimiliki PAS adalah tingkat akurasi yang cukup tinggi dengan biaya yang

relatif murah. Tetapi, metode PAS memiliki kelemahan tidak dapat melakukan

pengukuran secara waktu nyata (real-time) dan in-situ. Karena proses

karakterisasi dilakukan di laboratorium. Sedangkan AAS dapat menangani

pengukuran secara waktu nyata dan in-situ, tetapi biaya operasionalnya sangat

mahal. Dalam penelitian ini dikembangkan metode pangukuran alternatif yang

menggabungkan keunggulan masing-masing metode yaitu dapat beroperasi secara

waktu nyata dan in-situ, memiliki akurasi yang cukup, dan biaya operasional yang

terjangkau. Bagian yang menjadi penghubung diantara kedua metode tersebut

adalah kemampuan sensor kristal fotonik untuk mengukur konsentrasi larutan

tanpa melalui spektroskopi di laboratorium dengan hasil yang akurat dan

berlangsung secara waktu nyata.

Sistem instrumentasi pengukuran gas NO2 yang dibangun terdiri atas tiga

subsistem, yaitu sensor optik berbasis kristal fotonik, rangkaian pengkondisi

sinyal (signal conditioning), serta kontrol dan pemrosesan data (control and data

processing). Analisis desain fungsional dilakukan untuk memilih komponen yang

cocok dengan sistem yang dibangun dilihat dari fungsinya. Pemilihan light

emitting diode (LED), fotodioda, dan desain fotonik kristal didasarkan pada

absorbansi NO2 di dalam reagen Griess-Saltzman. Simulasi dilakukan untuk

mengetahui karakteristik komponen atau rangkaian elektronik yang digunakan.

Simulasi fotodioda, transimpedance amplifier (TIA), instrumentation amplifier

(IA), dan low pass filter (LPF) menggunakan Orcad Capture PSPICE 9.2

Professional dan Isis Proteus 7.7 Professional. Sedangkan pembuatan program

mikrokontroler dilakukan menggunakan Arduino 017.

Pengujian kinerja dilakukan secara bertahap, mulai dari masing-masing

subsistem sampai dengan sistem yang sudah terintegrasi secara utuh. Setiap

pengujian subsistem diikuti dengan evaluasi dan pengembangan. Ketika semua

subsistem dianggap sudah bekerja dengan baik kemudian dilakukan integrasi.

Pengujian akhir sistem instrumentasi berlangsung dengan dua cara, yaitu uji

vi

pengukuran secara waktu nyata dan pengenceran. Uji waktu nyata dilakukan

untuk melihat respon sistem terhadap kehadiran gas NO2 di dalam larutan reagen

yang ditandai dengan perubahan tegangan keluaran. Sedangkan pengenceran

dilakukan untuk mengetahui sensitivitas instrument. Data pengenceran divalidasi

dengan hasil yang didapatkan dari Pusat Penelitian Lingkungan Hidup (PPLH)

IPB.

Berdasarkan literatur nilai absorbansi NO2 di dalam reagen berada pada

rentang 500 – 600 nm. Kristal fotonik didesain memiliki photonic pass band

(PPB) pada nilai 550, tetapi dikarenakan adanya tooling factor pada saat produksi

PPB muncul pada nilai 533.16 nm. Nilai ini masih berada dalam rentang

absorbansi maksimum larutan reagen Griess-Saltzman. Sumber cahaya berupa

LED dan fotodioda menggunakan produk EPIGAP optronic. Panjang gelombang

operasi LED dari 480 sampai dengan 606 nm dan puncaknya pada 525 nm.

Sedangkan fotodioda beroperasi pada panjang gelombang 490 sampai dengan 560

nm. Kesesuaian panjang gelombang operasi dapat mencegah terukurnya interaksi

lain dari lingkungan.

Derau (noise) pada rangkaian TIA bersumber dari capacitor source (Cs)

fotodioda dan nilai input bias current yang terlalu besar dari op amp yang

digunakan. Pengaruh Cs dapat dikurangi dengan menambahkan komponen

capacitor feeedback (CF) yang dipasang paralel resistor feedback (RF). Semakin

besar nilai CF yang ditambahkan maka semakin stabil keluaran yang dihasilkan,

tetapi bandwith pengukuran op amp semakin berkurang akibat proses pengisian

dan pengosongan kapasitor. Berdasarkan kebutuhan sistem yang dibangun maka

didapatkan kombinasi nilai RF = 2,2 M dan CF = 100 nF. Derau yang bersumber

dari op amp dikurangi dengan memilih jenis ultra low input bias current, seperti

tipe LMC660 buatan National Semiconductor yang nilainya mencapai 2 fA.

Tegangan keluaran TIA masih sangat kecil sehingga membutuhkan

penguatan untuk sampai pada nilai yang diharapkan. Penguatan dilakukan oleh IA

PGA 204 buatan Burr-Brown dengan penguatan 100 kali. Hasil pengujian

menggunakan analog to digital converter (ADC) dan osiloskop menunjukkan

adanya derau sebesar 200 mV dengan frekuensi sekitar 50 Hz. Derau hasil

penguatan dapat dikurangi dengan menambahkan rangkaian analog LPF.

Rangkaian ini akan melewatkan sinyal dengan frekuensi dibawah frekuensi

potong (fcutoff) dan memblok frekuensi diatasnya. Rangkaian LPF pasif terdiri dari

resistor dan kapasitor yang dipasang secara seri. Nilai fcutoff yang digunakan

adalah sebesar 1 Hz. Nilai ini didapatkan dari resistor 3.9 k dan kapasitor 47 F.

Hasil pengujian dengan ADC dan osiloskop menunjukkan rangkaian LPF dapat

mengurangi derau, sehingga sinyal keluaran lebih stabil.

Untuk menghindari muncunya data pencilan (outlier) akibat gangguan

sistem atau keterbatasan ADC internal mikrokontroler maka ditambahkan

penyaring data dalam bentuk digital median filter. Metode yang digunakan dalam

median filter adalah mengambil sejumlah data, mengurutkannya, kemudian

mencari nilai tengahnya (median). Pengurutan data (sorting) menggunakan

metode insertion sorting yang memiliki keunggulan dari sisi waktu, yaitu proses

yang lebih cepat. Nilai median dipilih karena sifatnya yang lebih tegar (robust)

terhadap data pencilan. Hasil penelitian menunjukkan semakin besar jumlah data

yang diambil nilai keluaran menjadi semakin stabil, tetapi waktu yang dibutuhkan

untuk mengeksekusi program menjadi lebih lama. Pada penelitian ini jumlah data

vii

yang digunakan sebanyak 31 buah. Nilai tersebut dipilih dengan pertimbangan

nilai keluaran sudah lebih stabil dan waktu eksekusi masih dalam batas

kemampuan mikrokontroler.

Hasil pengujian sistem instrumentasi secara waktu nyata menunjukkan

bahwa instrumen dapat mendeteksi penambahan konsentrasi gas NO2 yang

terjerap di dalam reagen. Hasil eksperimen menunjukkan data yang fluktuatif,

tetapi secara umum memiliki gradien yang negatif. Selama satu jam pengujian

terjadi penurunan tegangan sebesar 0.28 V atau setara dengan 57 bit. Data yang

fluktuatif mewakili kondisi nyata di lapangan. Indeks bias larutan yang terukur

oleh PPB dapat berubah-ubah dikarenakan pencampuran udara dan reagen yang

berlangsung melalui bantuan pompa vakum. Sangat dimungkinkan terjadi aliran

turbulen di daerah yang menjadi objek pengukuran.

Data eksperimen pengenceran dibandingkan antara hasil pengukuran yang

dilakukan PPLH dan perhitungan secara matematis berdasarkan rumus

pengenceran. Hasil eksperimen menunjukkan konsentrasi hasil PPLH dan

pengenceran memiliki tren yang hampir sama, dengan koefisien determinasi

masing-masing lebih dari 94%. Kemudian dilakukan validasi konsentrasi secara

langsung untuk empat buah data yang didapatkan baik secara perhitungan ataupun

PPLH. Hubungan diantara kedua nilai menghasilkan grafik dengan koefisien

determinasi (R2) mencapai 99.3%. Nilai R

2 yang mendekati satu mengindikasikan

bahwa metode perhitungan dapat digunakan karena menghasilkan data yang tidak

terlalu berbeda. Pengujian sensitivitas instrumen menghasilkan data berupa

perubahan konsentrasi sebesar 34 µg/m3 dideteksi dengan perubahan tegangan

sebesar 1.24 V setara dengan 254 bit. Dapat dikatakan bahwa sistem memiliki

resolusi pengukuran sebesar 8 bit per µg/m3 setara dengan 14 bit/ppb. Nilai

pengujian ini didapatkan setelah melalui pembatasan rentang pengukuran dan

penguatan IA sebesar 1000 kali.

Konsentrasi gas NO2 hasil pengujian yang dilakukan selama satu jam hanya

sekitar 46 µg/m3. Nilai tersebut tidak masuk dalam nilai ISPU, karena untuk gas

NO2 nilai terkecil ISPU mulai terdefinisi pada konsentrasi 1130 µg/m3. Untuk

konsentrasi gas yang lebih besar pendeteksian lebih mungkin untuk dilakukan.

Hanya saja perlu dilakukan penyesuaian di bagian penguatan karena berhubungan

dengan rentang pengukuran yang dapat ditangani. Sistem instrumentasi yang

dibangun dapat mendeteksi perubahan konsentrasi gas NO2 sebagai bagian dari

parameter ISPU menggunakan sensor kristal fotonik satu dimensi. Sistem yang

dibangun dapat digunakan untuk pengukuran parameter ISPU lain dengan

melakukan beberapa perubahan sesuai dengan karakteristik material yang diukur.

Kata kunci: photonic crystal, photonic pass band, signal conditioning, absorpsi,

fotodioda

ix

Hak Cipta milik IPB, tahun 2012

Hak Cipta dilindungi Undang-Undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa

mencantumkan atau menyebutkan sumbernya.

a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian,

penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau

tinjauan suatu masalah; dan

b. Pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar bagi

IPB.

2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya

tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

xi

SISTEM INSTRUMENTASI BERBASIS KRISTAL FOTONIK

SATU DIMENSI UNTUK PENGUKURAN PARAMETER GAS

NO2 PADA INDEKS STANDAR PENCEMAR UDARA

ERUS RUSTAMI

Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Magister Sains pada

Program Studi Biofisika

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012

xii

Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Akhirudin Maddu, S.Si, M.Si

xiii

Judul Tesis : Sistem Instrumentasi Berbasis Kristal Fotonik Satu Dimensi

untuk Pengukuran Parameter Gas NO2 pada Indeks Standar

Pencemar Udara

Nama : Erus Rustami

NIM : G751100051

Disetujui

Komisi Pembimbing

Dr. Husin Alatas, S.Si, M.Si. Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc, Ph.D

Ketua Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi Biofisika Dekan Sekolah Pascasarjana IPB

Dr. Akhirudin Maddu, S.Si, M.Si. Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr

Tanggal Ujian: 3 Agustus 2012 Tanggal Lulus:

xv

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-

Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema utama penelitian ini

adalah pengendalian pencemaran udara khususnya gas NO2 melalui pembuatan

instrumentasi berbasis kristal fotonik untuk pengukuran parameter gas NO2 pada

indeks standar pencemar udara (ISPU). Penelitian yang berlangsung selama 9

bulan di Departemen Fisika IPB ini dibiayai oleh Beasiswa Unggulan Terpadu,

Biro Perencanaan dan Kerjasama Luar Negeri, Kementerian Pendidikan dan

Kebudayaan, Republik Indonesia.

Terima kasih penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Husin Alatas, S.Si, M.Si

dan Bapak Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc, Ph.D atas bimbingan dan arahannya

selama studi dan penelitian berlangsung. Bapak Mamat Rahmat, M.Si selaku

koordinator tim penelitian kristal fotonik atas kesempatan, kepercayaan, dan

bimbingan yang telah diberikan selama ini. Terima kasih juga disampaikan

penulis kepada teman-teman Biofisika 2010 Muhamad Azis, Lius Ahmad, Wenny

Maulina, dan Nita Fitri Wahyuni yang telah berbagi semangat dan kenangan

selama perkuliahan. Teman-teman Fisika S1 bagian dari tim kristal fotonik, Dede

Y, Anggi M, Nissa S, Dita R, Arianti T, atas bantuan selama pengambilan sampel

di lapangan. Disamping itu penghargaaan penulis sampaikan kepada Bapak

Ardian Arief, M.Si dan Bapak Tony Pranoto atas kemudahan penggunaan fasilitas

laboratorium Elektronika, Bapak Junaedi, Bapak Firman, Bapak Asep dan Bapak

Yani atas bantuannya selama melakukan studi dan penelitian di Biofisika.

Ungkapan terima kasih penulis sampaikan secara khusus kepada ayah, ibu, kakak,

serta seluruh keluarga besar atas segala do’a, dukungan, dan kasih sayangnya.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Agustus 2012

Erus Rustami

xvii

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Sukabumi pada tanggal 26 Februari 1983 dari ayah

Sutawijaya dan ibu Lilis Fatimah. Penulis merupakan putra ketiga dari tiga

bersaudara.

Tahun 2001 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Cibadak, Sukabumi dan pada

tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk

IPB (USMI). Penulis memilih mayor Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam dan lulus pada tahun 2008. Pada Tahun 2010 penulis

mendapatkan beasiswa unggulan terpadu dari KEMENDIKBUD untuk

melanjutkan studi di program studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana IPB.

Selama mengikuti perkuliahan di S1, penulis menjadi Asisten elektronika I

dan II pada tahun ajaran 2003/2004, serta mata kuliah Elektronika Digital pada

tahun ajaran 2004/2005. Selama dua tahun dari tahun dari 2002-2004 penulis

mendapatkan beasiswa Peningkatan Prestasi Akademik (PPA). Selama mengikuti

perkuliahan di tingkat di S2 penulis pernah menjadi oral presenter pada 2011

International Conference on Instrumentation, Communication, Information

Technology and Biomedical Engineering (ICCI-BME), 8-9 November di

Bandung. Selain itu, Penulis menerima beasiswa sandwich program dari

KEMENDIKBUD untuk melakukan penelitian di Korean Advanced Institute of

Science and Technology (KAIST)-Korea Selatan selama tiga bulan mulai dari

Maret – Mei 2012.

xix

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ............................................................................................ xxi

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xxiii

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xxv

1. PENDAHULUAN .................................................................................. 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1

1.2 Indentifikasi Masalah ...................................................................... 3

1.3 Perumusan Masalah ......................................................................... 3

1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................. 3

1.5 Pembatasan Masalah........................................................................ 4

1.5 Manfaat Penelitian ........................................................................... 4

2. TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 5

2.1 Nitrogen Dioksida ........................................................................... 5

2.2 Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU) ......................................... 6

2.3 Sensor Kristal Fotonik ..................................................................... 7

2.4 Fotodioda ......................................................................................... 8

2.5. Transimpedance Amplifier (TIA) .................................................... 9

2.6. Low Pass Filter (LPF) ..................................................................... 10

2.7. Instrumentation Amplifier (IA) ........................................................ 10

2.8. DFRduino Mega1280 ...................................................................... 11

2.5 Digital Median Filter ...................................................................... 12

3. METODOLOGI PENELITIAN ............................................................. 13

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................... 13

3.2 Alat dan Bahan Penelitian ............................................................... 13

3.3 Metode Penelitian ............................................................................ 13

3.3.1 Analisis Desain Fungsional dan Simulasi .............................. 13

3.3.2 Pembuatan dan Pengujian Subsistem ..................................... 14

3.3.3 Integrasi dan Uji Kinerja Sistem ............................................ 15

4. HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................. 17

4.1 Kristal Fotonik dan Transduser Optik ............................................. 17

4.2 Kinerja Transimpedance Amplifier (TIA) ....................................... 18

4.3 Rangkaian Pengkondisi Sinyal ........................................................ 21

4.4. Uji Digital Median Filter ................................................................ 24

4.5. Uji Kinerja Sistem Instrumentasi .................................................... 25

xx

5. KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 29

5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 29

5.2 Saran ................................................................................................ 29

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

LAMPIRAN ..................................................................................................... 35

xxi

DAFTAR TABEL

Halaman

1 Batas Indeks Standar Pencemar Udara (SI)

(T = 25oC, P = 760 mmHg) .................................................................... 6

2 Pengaruh indeks standar pencemar udara untuk setiap parameter

pencemar ................................................................................................. 7

xxiii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1 Spektra photonic pass band (PPB) ....................................................... 8

2 Rangkaian ekuivalen fotodioda ............................................................ 9

3 Rangkaian transimpedance amplifier (TIA) ........................................ 10

4 Rangkaian low pass filter (LPF) pasif ................................................. 11

5 Rangkaian instrumentation amplifier (IA) ........................................... 11

6 Modul DFRduino ATmega1280 .......................................................... 11

7 Perbandingan waktu proses beberapa teknik pengurutan data ............. 12

8 Skema sistem instrumentasi pengukur gas NO2. .................................. 14

9 Subsistem sensor optik berbasis kristal fotonik ................................... 14

10 Set up instrumentasi pengukuran gas NO2 ........................................... 15

11 Karakteristik spektra komponen optik ................................................. 18

12 Rangkaian ekuivalen fotodioda dan TIA ............................................. 19

13 Pengaruh penambahan kapasitor feedback (CF) ................................... 19

14 Variasi nilai kapasitor feedback (CF) menggunakan ADC ................... 20

15 Variasi nilai kapasitor feedback (CF) menggunakan osiloskop ............ 20

16 Keluaran ADC tanpa penguatan (a) dan penguatan 100 kali (b) ......... 21

17 Pengaruh penguatan sinyal dengan osiloskop ...................................... 21

18 Tegangan keluaran rangkaian LPF untuk frekuensi berbeda ............... 22

19 Nilai keluaran ADC dengan dan tanpa filter ........................................ 23

20 Sinyal keluaran LPF dengan dan tanpa filter menggunakan osiloskop 23

21 Tahapan dalam digital median filter ................................................... 24

22 Variasi jumlah data digital median filter .............................................. 24

23 Keluaran ADC pada pengujian secara waktu nyata ............................. 25

24 Konsentrasi gas NO2 hasil perhitungan dan PPLH IPB ....................... 26

25 Validasi nilai kosentrasi gas NO2 ......................................................... 26

26 Nilai keluaran ADC untuk konsentrasi NO2 berbeda ........................... 27

xxv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1 Sistem kontrol mekanik, catu daya dan signal conditioning .................. 37

2 Alur kerja sistem berupa kontrol mekanik dan akuisisi data .................. 39

3 Diagram pewaktuan sistem kontrol mekanik ......................................... 41

4 Data pengujian pengukuran gas NO2 secara waktu nyata ...................... 43

5 Source code akuisisi data dan kontrol mekanik. ..................................... 45

1

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Tingkat pencemaran udara di kota-kota besar di Indonesia seperti Jakarta,

Bandung, dan Surabaya sangat mengkhawatirkan. Konsentrasi gas pencemar

berupa suspended particulate matter (SPM), nitrogen dioksida (NO2), dan timbal

(Pb) berada di atas standar yang ditetapkan oleh World Health Organization

(WHO) (Soedomo et al. 1991; Resosudarmo 2002). Gurjar et al. (2008)

memasukkan Jakarta sebagai salah satu kota dengan nilai Mega-cities Pollution

Indices (MPI) tertinggi setara dengan Beijing, lebih tinggi dari Karachi dan Kairo.

Pencemaran udara di negara berkembang, termasuk Indonesia, disebabkan oleh

urbanisasi dan industrialisasi (Hertel & Goodsite 2009).

Dampak polusi udara bagi kesehatan manusia dipengaruhi oleh jenis

polutan, konsentrasi, lama waktu paparan, dan kerentanan masing-masing

individu (Mishra 2003). Secara umum paparan NO2 dalam waktu lama dan

konsentrasi tinggi berdampak buruk pada kesehatan, terutama bagi anak-anak,

seperti berkurangnya fungsi paru-paru, gangguan pernafasan, dan asma (Galan et

al. 2003; Gauderman et al. 2005; O’Connor et al. 2008). Gangguan kesehatan

akibat polusi udara juga berimbas pada sektor ekonomi. Patankar dan Trivedi

(2011) melaporkan beban keuangan total, termasuk beban individu, belanja negara

dan biaya sosial akibat gangguan kesehatan di India mencapai sekitar $218.10 juta

untuk kenaikan 50 g/m3 gas NO2.

Pengukuran paparan NO2 dilakukan melalui metode passive air samplers

(PAS) atau active air samplers (AAS). Metode PAS dapat digunakan untuk

melengkapi AAS dengan keunggulan biaya operasional yang lebih murah (Gouin

et al. 2005; Moodley et al. 2011). Tetapi, metode PAS tidak dapat melakukan

pengukuran secara waktu nyata (real time) dan in-situ. Karena karakterisasi

dilakukan di laboratorium. Pengukuran parameter NO2 untuk Indeks Standar

Pencemar Udara (ISPU) menggunakan metode PAS yang sudah distandarisasi

oleh Standar Nasional Indonesia (SNI).

2

Telah banyak dikembangkan sensor pendeteksi gas NO2 berbasis

semikonduktor (Meixner et al. 1995; Bei et al. 2004; Wei et al. 2004), lapisan

tipis (Tsiulyanu et al. 2001; Shishiyanu et al. 2005) dan nanowire (Zhang et al.

2004; Ahn et al. 2008; Choi et al. 2008). Sementara itu, metode pendeteksian

berbasis optik juga telah mengalami perkembangan yang cukup pesat. Kristal

fotonik merupakan salah satu material optik yang banyak digunakan sebagai

sensor (Asher et al. 2003; Whu et al. 2003; Konorov et al. 2005; Chuang et al.

2011). Indeks bias telah digunakan sebagai parameter dalam pendeteksian berbasis

kristal fotonik (Kita et al. 2008; Chen et al. 2008).

Alatas et al. (2006) mengembangkan sensor indeks bias berbasis kristal

fotonik satu dimensi dengan dua cacat (defect). Penambahan dua cacat pada

kristal menghasilkan fenomena yang disebut photonic pass band (PPB). Intensitas

PPB sangat sensitif terhadap perubahan indeks bias cacat kedua. Aplikasi sensor

kristal fotonik untuk mengukur konsentrasi larutan gula secara waktu nyata

menghasilkan data dengan nilai koefisien determinasi (R2) mencapai 98%

(Rahmat 2009). Prinsip yang sama dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi

gas NO2 di udara ambien (lingkungan) yang terjerap di dalam larutan reagen

spesifik.

Sinyal keluaran sensor optik sebagian besar terlalu lemah untuk diukur

secara langsung, selain itu juga masih mengandung banyak derau (noise). Sinyal

dari sensor harus dikondisikan terlebih dahulu sebelum diproses di tahapan

selanjutnya dengan melakukan penguatan (amplification) dan penyaringan

(filtering). Telah banyak dikembangkan teknik penguatan dan penyaringan yang

dapat digunakan untuk menghasilkan nilai keluaran yang akurat dan stabil.

Diperlukan kajian ilmiah yang mendalam untuk membangun instrumentasi

pengukuran parameter gas NO2 di udara ambien sebagai bagian dari ISPU

berbasis sensor kristal fotonik. Lingkup kajian meliputi desain dan implementasi

rangkaian elektronika untuk akuisisi data, pengkondisi sinyal, serta kontrol dan

pemrosesan data. Semua aktivitas kajian ilmiah tersebut dituangkan dalam sebuah

penelitian dengan tema “Sistem Instrumentasi Berbasis Kristal Fotonik Satu

Dimensi untuk Pengukuran Parameter Gas NO2 pada Indeks Standar Pencemar

Udara”.

3

1.2 Identifikasi Masalah

Berdasarkan informasi yang disampaikan pada bagian latar belakang, maka

dapat diidentifikasi yang menjadi permasalahan adalah:

a. Tingkat pencemaran udara, khususnya gas NO2 di kota besar di Indonesia

telah mencapai tahap yang membahayakan bagi kesehatan manusia.

b. Proses pengukuran parameter gas NO2 udara ambien berdasarkan metode

yang ada tidak dapat secara waktu nyata dan in-situ.

c. Besaran listrik yang dikeluarkan sensor optik sebagai respon atas perubahan

lingkungan masih sangat lemah dan mengandung derau.

1.3 Perumusan Masalah

Berdasarkan hasil identifikasi permasalahan yang telah disampaikan, maka

dapat dirumuskan:

a. Perlu segera dibangun sistem pengukuran parameter gas NO2 udara ambien

yang dapat mengambil data secara cepat dengan ketelitian yang tinggi.

b. Perancangan dan desain instrumentasi untuk mengukur gas NO2 didasarkan

pada karakteristik optik gas NO2 di dalam larutan reagen.

c. Bagaimana menggabungkan metode pengukuran gas NO2 berbasis reaksi

kimia yang distandarisasi SNI dengan sensor fotonik kristal yang mampu

melakukan pengukuran secara waktu nyata?

d. Bagaimana membangun sistem instrumentasi berbasis optik-elektronik yang

mampu menghasilkan keluaran yang stabil dan akurat?

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

a. Membangun sistem instrumentasi berbasis kristal fotonik satu dimensi untuk

pengukuran gas NO2 yang termasuk parameter kualitas udara ambien.

b. Menguji kinerja sistem instrumentasi untuk pengukuran konsentrasi gas

NO2 yang terjerap di dalam reagen spesifik.

c. Mewujudkan kemandirian teknologi melalui penggunaan sumber daya

dalam negeri berupa material dan keilmuan pada proses pembuatan sistem

instrumentasi.

4

1.5.1 Pembatasan Masalah

Pembatasan masalah dalam penelitian ini adalah:

a. Penjerapan gas NO2 dalam reagen spesifik berdasarkan pada metode reaksi

kimia yang sudah distandarisasi SNI.

b. Sistem instrumentasi yang dibangun memiliki dua mekanisme utama, yaitu

mekanisme akuisisi dan pengolahan data serta mekanisme kontrol mekanik

instrumen.

1.6 Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini dari aspek kesehatan adalah

dapat mengukur NO2 di udara ambien yang termasuk parameter ISPU secara

akurat, in situ, dan waktu nyata untuk terwujudnya kehidupan yang lebih sehat.

Dari sisi ekonomi, perancangan dan pembuatan yang dilakukan di dalam negeri

menjadikan biaya produksi sistem instrumentasi ini lebih ekonomis, dan pada

akhirnya lebih banyak pihak yang mampu menggunakan dan mengakses sistem

instrumentasi ini.

5

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Nitrogen Dioksida

Nitrogen dioksida merupakan salah satu bagian dari nitrogen oksida (NOx)

yang paling mendapat perhatian terkait dengan polusi udara dan kesehatan

manusia. Konsentrasi terbesar NO2 di atmosfir berasal dari pembentukan secara

sekunder. Emisi secara langsung dari sumber sebagian besar dalam bentuk

nitrogen monoksida (NO) dan hanya sebagian kecil NO2. Tetapi, pada kondisi

lingkungan biasa NO akan dioksidasi menjadi NO2. Proses konversi ini

berlangsung dalam waktu yang sangat cepat, yaitu kurang dari satu menit (WHO

2000; Brunekreef 2007; Esplugues et al. 2007).

Secara umum, NO2 dihasilkan dari aktivitas manusia (antrophogenic) dan

alam (biogenic). Emisi NO2 yang dihasilkan dari alam bersumber dari gangguan

nitrogen oksida di stratosfer, aktivitas gunung berapi dan bakteri, serta halilintar.

Dikarenakan emisi dari alam terdistribusi di seluruh permukaan bumi, maka

konsentrasi NO2 di atmosfir menjadi sangat kecil. Aktivitas manusia berupa

pembakaran bahan bakar fosil telah diidentifikasi sebagai sumber utama kehadiran

gas NO2 di atmosfir (USEPA 2008). Sektor transportasi menjadi penyumbang

terbesar emisi nitrogen dioksida di Asia dan Amerika selain pembangkit daya dan

industri (Streets et al. 2003; USEPA 2006). Berdasarkan jenis sumbernya,

pencemaran udara akibat NO2 dikategorikan sebagai outdor air pollution (OAP)

(Larsen 2008).

Karakteristik fisik dan kimia gas NO2 diantaranya bersifat larut dalam air,

berwarna merah kecoklatan, memiliki bau yang menyengat, dan pengoksida yang

kuat. Sedangkan karakteristik optik yang paling sering digunakan dalam

pendeteksian adalah sifat absorbansinya. Budiarti (2011) melaporkan bahwa

absorbansi maksimum NO2 yang terjerap dalam larutan reagen Griess-Saltzman

berada pada rentang panjang gelombang 500 - 600 nm, dengan puncak tertinggi

pada nilai 550 nm. Hal ini berarti, interaksi terbesar antara energi cahaya dan gas

NO2 yang terjerap dalam reagen terjadi pada rentang gelombang tersebut.

6

2.2 Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU)

Pencemaran udara didefinisikan sebagai masuknya atau dimasukkannya zat,

energi, dari komponen lain ke dalam udara ambien oleh kegiatan manusia,

sehingga mutu udara turun sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan udara

ambien tidak dapat memenuhi fungsinya.

Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU) adalah angka yang tidak

mempunyai satuan yang menggambarkan kondisi kualitas udara ambien di lokasi

dan waktu tertentu yang didasarkan kepada dampak terhadap kesehatan manusia,

nilai estetika dan makhluk hidup lainnya. Substansi fisik yang dikategorikan

sebagai parameter ISPU diantaranya partikulat matter (PM10), sulfur dioksida

(SO2), karbon monoksida (CO), nitrogen dioksida (NO2), dan ozon (O3) (MNLH

1997). Kelima material ini menjadi obyek utama dalam pengukuran zat pencemar

udara dan hasilnya dijadikan sebagai parameter penentuan kualitas udara ambien

di suatu tempat.

Penyampaian ISPU kepada masyarakat wajib memuat informasi berupa:

waktu pelaporan, ketentuan waktu, lokasi, nilai ISPU, dan sebagainya. Informasi

ini dapat disebarkan melalui media massa baik cetak ataupun elektronik, ataupun

melalui papan peraga di tempat umum. Penyampaian informasi ISPU kepada

masyarakat dilakukan setiap hari (BAPEDAL 1997).

Angka ISPU dihitung dari konsentrasi zat pencemar yang didapatkan selama

waktu pengujian tertentu. Tabel 1 menunjukkan nilai batas ISPU untuk

konsentrasi masing-masing gas pada satuan standar internasional (SI). Sedangkan

pengaruh setiap parameter ISPU terhadap kesehatan ditampilkan pada Tabel 2.

Tidak ada indeks yang dapat dilaporkan pada konsentrasi rendah dengan waktu

pemaparan yang pendek.

Tabel 1 Batas Indeks Standar Pencemar Udara (SI) ( T = 25oC dan

P = 760 mmHg).

Indeks Standar

Pencemar

Udara

24 jam PM10

µg/m3

24 jam SO2

µg/m3

8 jam CO

µg/m3

1 jam O3

µg/m3

1 jam NO2

µg/m3

50 50 805 5 120 (2)

100 150 365 10 235 (2)

200 350 800 17 400 1130

300 420 1600 34 800 2260

400 500 2100 46 1000 3000

500 600 2620 57.5 1200 3750

7

Tabel 2. Pengaruh indeks standar pencemar udara untuk setiap parameter pencemar.

Sumber: (Kep. Ka.BAPEDAL No. 107 tahun 1997).

2.3 Sensor Kristal Fotonik

Kristal fofonik dapat dianalogikan dengan struktur kisi kristal pada meterial

elektronik seperti logam. Kristalinitas akan memunculkan potensial periodik

terhadap elektron yang menjalar di dalamnya. Model Kronig-Penney dapat

digunakan untuk membangun diagram pita energi pada atom silikon terisolasi dan

kisi silikon periodik satu dimensi semu. Jika potensial kisi cukup kuat, maka celah

pita energi (energy band gap) akan melebar dan menutupi semua kemungkinan

arah penjalaran, menghasilkan celah pita sempurna (complete band gap) (Li 2006;

Joannopaulus et al. 2008).

Di dalam kristal fofonik, pengaruh atom atau molekul digantikan oleh media

makroskopik dengan konstanta dielektrik berbeda. Sedangkan potensial periodik

digantikan oleh fungsi dielektrik periodik. Jika konstanta dielektrik dari material

penyusun kristal cukup berbeda, maka berlangsung mekanisme yang mirip dengan

yang terjadi akibat potensial atom pada meterial elektronik. Elektron tidak dapat

menempati level energi tertentu yang disebut dengan energy band gap, dan dapat

menempati level energi selainnya (Joannpoulos et al. 2008).

Kategori RentangKarbon Monoksida

(CO)

Nitrogen Dioksida

(NO2)Ozon (O3)

Sulfur Dioksida

(SO2)Partikulat

Baik 0 - 50 Tidak ada efek Sedikit berbau

Luka pada

beberapa spesies

tumbuhan akibat

kombinasi dengan

SO2 (selama 4 jam)

Luka pada

beberapa spesies

tumbuhan akibat

kombinasi dengan

O3 (selama 4 jam)

Tidak ada efek

Sedang 51 - 100

Perubahan kimia

darah tapi tidak

terdeteksi

Berbau

Luka pada

beberapa spesies

tumbuhan

Luka pada

beberapa spesies

tumbuhan

Terjadi penurunan

jarak pandang

Tidak Sehat 101 - 199

Peningkatan pada

kardiovakular pada

perokok yang sakit

jantung

Bau dan

kehilangan warna.

Peningkatan

reaktivitas

pembuluh

tenggorokan pada

penderita asma

Penurunan

kemampuan pada

atlit yang berlatih

keras

Bau, meningkatkan

kerusakan

tanaman

Jarak pandang

turun dan terjadi

pengotoran debu

di mana-mana

Sangat Tidak

Sehat200 - 299

Meningkatnya

kardioveskular

pada orang bukan

perokok yang

berpenyakit

jantung, dan akan

tampak beberapa

kelemahan yang

terlihat secara

nyata

Meningkatnya

sensitivitas pasien

yang penyakit

asma dan bronhitis

Olah raga ringan

mengakibatkan

pengaruh

pernapasan pada

pasien yang

berpenyakit paru-

paru kronis

Meningkatnya

sensitivitas pasien

yang penyakit

asma dan bronhitis

Meningkatnya

sensitivitas pasien

yang penyakit

asma dan bronhitis

Berbahaya 300 - lebih Tingkat yang berbahaya bagi semua populasi yang terpapar

8

Pemantulan Bragg (Bragg reflection) dalam struktur dielektrik periodik

merupakan penyebab umum terjadinya photonic band gap (PBG), fenomena optik

yang mencegah penjalaran cahaya dalam arah dan frekuensi tertentu. Ketika

periodisitas kristalnya dirusak dengan adanya cacat (defect), lokalisasi mode cacat

akan muncul dalam daerah PBG akibat perubahan interferensi cahaya. Kemudian

akan ada cahaya dengan frekuensi tertentu yang dapat menjalar pada daerah PBG.

Fenomena ini disebut sebagai photonic pass band (PPB) (Alatas et al. 2006;

Schmidt et al. 2007). Gambar 1 menunjukkan spektra PPB hasil numerik.

Intensitas PPB sangat sensitif terhadap perubahan indeks bias material

lapisan cacat. Perubahan indeks bias pada cacat pertama menghasilkan pergeseran

panjang gelombang PPB. Sifat ini dapat diaplikasikan sebagai filter optik.

Sedangkan perubahan indeks bias pada cacat kedua menghasilkan perubahan

intensitas PPB. Sifat ini dapat diaplikasikan pada proses pendeteksian berbasis

absorbansi cahaya dengan menggunakan transduser optik seperti fotodioda.

2.4 Fotodioda

Sensor merupakan alat yang menerima rangsangan atau masukan dalam

bentuk besaran fisis dan mengubahnya menjadi sinyal listrik yang sesuai. Proses

deteksi secara optik meliputi perubahan energi secara langsung dari energi optik

(dalam bentuk foton) menjadi sinyal listrik (dalam bentuk elektron). Detektor

radiasi elektromagnetik dalam rentang spektra dari ultraviolet (UV) sampai far

infrared (FIR) disebut sebagai detektor cahaya, seperti fotodioda, fototransistor,

light dependet resistor (LDR), dan sebagainya (Fraden 2010).

Gambar 1 Spektra photonic pass band (PPB).

9

Fofodioda merupakan sensor optik yang sering digunakan, tersusun atas

sambungan p-n (p-n junction) yang dipanjar mundur (reverse bias). Arus yang

dihasilkan dari fotodioda (Io) berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang

datang. Depletion region di daerah persambungan p-n berperilaku seperti sebuah

kapasitor (Cp) yang menahan muatan di kedua sisinya. Fotodioda juga memiliki

hambatan (Rsh dan Rs) yang merupakan karakteristik internal material penyusun

fotodioda. Fotodioda ideal memiliki nilai Cp dan Rs yang sangat kecil serta nilai

Rsh yang sangat besar, sehingga arus yang dihasilkan mengalir secara keseluruhan

ke rangkaian berikutnya (Johnson 2003). Gambar 2 menunjukkan rangkaian

ekuivalen fotodioda.

2.5 Transimpedance Amplifier (TIA)

Rangkaian TIA berfungsi untuk mengubah arus yang dihasilkan fotodioda

(Io) menjadi tegangan dengan menggunakan operational amplifier (op amp). Op

amp dihubungkan dengan resistive feedback yang disediakan oleh resistor beban

(RL), sedangkan masukan non inverting dihubungkan dengan ground. Tegangan

yang dihasilkan (Vo) dihitung berdasarkan persamaan:

Vo = -Io.RL (1)

Tanda negatif menunjukkan penguatan inverting yang memiliki fase berkebalikan,

tetapi tidak berpengaruh terhadap rangkaian secara keseluruhan.

Kehadiran kapasitor intrinsik fotodioda (Cp) mempengaruhi kestabilan

keluaran rangkaian TIA. Op amp dengan resistive feedback dan kapasitansi pada

masukan inverting akan menghasilkan osilasi yang tidak diharapkan. Salah satu

solusi yang dapat dilakukan adalah dengan menambahkan kapasitor feedback (CF)

yang dipasang paralel dengan RL. Gambar 3 menunjukkan rangkaian TIA yang

dihubungkan dengan fotodioda.

Gambar 2 Rangkaian ekuivalen fotodioda.

10

Gambar 3 Rangkaian transimpedance amplifier (TIA).

2.6 Low Pass Filter (LPF)

Rangkaian LPF berfungsi untuk melewatkan sinyal dengan frekuensi

rendah dan memblok sinyal yang memiliki frekuensi tinggi. Terdapat dua jenis

rangkaian LPF yaitu pasif dan aktif. LPF dikatakan aktif karena memiliki

komponen aktif berupa op amp yang berfungsi sebagai buffer dan penguatan.

Sementara LPF pasif berupa kombinasi resistor dan kapasitor yang disusun secara

seri sebagaimana yang ditunjukkan oleh Gambar 4. Nilai batas frekuensi (fcutoff)

pada LPF pasif ditentukan menggunakan persamaan (Winder 2002):

(2)

Penguatan yang dilakukan LPF pasif dirumuskan:

(3)

2.7 Instrumentation Amplifier (IA)

Rangkaian IA memiliki dua masukan dan satu keluaran. Perbedaan dengan

penguatan biasa adalah nilai penguatannya tertentu, memiliki buffer pada tiap

masukan, dan mampu menghasilkan tegangan keluaran yang nilainya sebanding

dengan perbedaan tegangan diantara dua masukannya, sebagaimana ditulis dalam

persamaan:

Vout = a(V+ - V-) = aV (4)

V+ dan V- adalah tegangan masukan non inverting dan inverting, a adalah

besarnya penguatan. IA memiliki nilai common-mode rejection ratio (CMRR)

tinggi, sehingga sinyal keluaran tidak terpengaruh oleh nilai masukan. Saat ini

sudah tersedia IA dalam bentuk integrated circuit (IC), tetapi dapat juga dibangun

dari beberapa. Gambar 5 menunjukkan rangkaian IA.

11

Gambar 4 Rangkaian low pass filter (LPF) pasif.

Gambar 5 Rangkaian instrumentation amplifier (IA).

2.8 DFRduino Mega1280

DFRduino Mega1280 merupakan modul berbasis mikrokontroler ATmega

1280 buatan Atmel Corporation. ATmega 1280 merupakan mikrokontroler AVR

8-bit dengan arsitektur Harvard (memori dan bus data serta program dipisahkan).

Selain itu juga sudah menerapkan RISC (reduced instruction set computing),

sehingga eksekusi instruksi dapat berlangsung sangat cepat dan efisien. Beberapa

fasilitas ATmega1280 diantaranya konsumsi daya rendah, memiliki 128 KB ISP

flash memory, 8KB SRAM, 4KB EPROM, 86 pin masukan dan keluaran, 16

channel 10-bit analog to digital converter (ADC), dan sebagainya.

Pemrograman DFRduino menggunakan bahasa C dengan library tambahan,

sehingga lebih mudah digunakan. Pemrograman ini bersifat open source dan

pertama kali dikembangkan oleh Arduino. Gambar 6 menunjukkan modul

DFRduino ATmega 1280.

Gambar 6 Modul DFRduino ATmega 1280.

12

Selain menggunakan software yang open source secara software, modul

DFRduino Mega1280 juga bersifat open hardware yang berarti setiap orang

diperbolehkan untuk memodifikasi dan mengembangkan modul tersebut.

Kelebihan lain modul yang memiliki platform Arduino adalah dapat digabungkan

dengan modul compatible yang disebut shield yang fungsi-fungsi tertentu, seperti

komunikasi wireless, GPS, dan sebagainya.

2.9 Digital Median Filter

Digital filter merupakan teknik teknik penyaringan secara digital untuk

mengurangi pengaruh data pencilan (outlier) akibat gangguan sistem atau

pengaruh lingkungan. Proses yang dilakukan berupa pengumpulan data (data

sampling), pengurutan (sorting), dan pemilihan nilai tengah urutan (median). Nilai

median dipilih karena memiliki sifat lebih tegar (robust) terhadap kehadiran data

pencilan. Semua tahapan dilakukan secara digital oleh mikrokontroler melalui

bahasa pemrograman.

Proses pengurutan data dilakukan menggunakan teknik insertion sorting,

yaitu menyisipkan datum dalam urutan data melalui perbandingan nilai. Teknik

ini memiliki keunggulan waktu proses yang lebih cepat dibandingkan teknik

lainnya. Karakteristik ini cocok untuk aplikasi berbasis mikrokontroler yang

memiliki kecepatan eksekusi program terbatas. Perbandingan waktu proses teknik

sorting ditunjukkan oleh Gambar 7 (Astrachan 2003).

Gambar 7 Perbandingan waktu proses beberapa teknik pengurutan data.

13

III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian akan dilakukan selama sekitar 9 bulan terhitung dari bulan

Oktober 2011 sampai bulan Juni 2012 di Laboratorium Material, Laboratorium

Spektroskopi, Laboratorium Elektronika dan Mikrokontroler. Semua laboratorium

yang digunakan berkedudukan di departemen Fisika FMIPA IPB.

3.2 Alat dan Bahan Penelitian

Bahan yang dibutuhkan diantaranya sensor fotonik kristal untuk NO2,

tabung penjerap, modul DFRduino ATmega1280, modul power supply unit

(PSU), light emitting diode (LED), fotodioda, LMC660, PGA204, resistor,

kapasitor, dan solenoide valve. Alat yang digunakan diantaranya osiloskop

Kenwood CS-4135A, analog trainer ED-1000BS, multimeter, dan solder, pompa

vakum, flowmeter, dan termometer.

Beberapa software yang digunakan untuk simulasi diantaranya Orcad

Capture PSPICE 9.2 Professional, Proteus 7.7 Professioanal, dan Arduino 017.

3.3 Metode Penelitian

3.3.1 Analisis Desain Fungsional dan Simulasi

Sistem instrumentasi yang dibangun tersusun atas tiga subsistem utama,

yaitu sensor optik berbasis kristal fotonik, rangkaian pengkondisi sinyal (signal

conditioning), serta kontrol dan pemrosesan data (control and data processing).

Analisis desain fungsional dilakukan melalui pemilihan komponen penyusun

sensor optik dan pengkondisi sinyal yang didasarkan pada fungsi yang

dibutuhkan. Komponen tersebut diantaranya kristal fotonik, LED, fotodioda, op

amp, dan IA. Gambar 8 menunjukkan skema sistem instrumentasi yang dibangun.

Simulasi dilakukan untuk mengetahui karakteristik komponen atau

rangkaian elektronik yang digunakan. Simulasi fotodioda, TIA, dan LPF

menggunakan Orcad Capture PSPICE 9.2 Professional. Sedangkan untuk

komponen elektronika lainnya menggunakan Isis Proteus 7.7 Professional.

14

Gambar 8 Skema sistem instrumentasi pengukur gas NO2.

3.3.2 Pembuatan dan Pengujian Subsistem

Pada tahapan ini masing-masing subsistem dibuat dan diuji kinerjanya.

Subsistem sensor optik berbasis kristal fotonik dibangun dengan menempatkan

larutan reagen sebagai sumber indeks bias pada cacat kedua kristal fotonik. LED

dan fotodioda disimpan di kedua ujung kristal fotonik. Integrasi komponen

penyusun sensor optik berbasis kristal fotonik dapat dilihat pada Gambar 9.

Rangkaian pengkondisi sinyal tersusun atas rangkaian TIA, LPF, dan IA.

Ketiga rangkaian tersebut dibangun menggunakan komponen analog berupa IC.

Proses pengontrolan aktuator berupa solenide valve dilakukan pada mekanisme

pengisian dan pembuangan reagen (reagent inlet dan outlet), serta pengaturan

buka dan tutup katup udara (air inlet dan outlet). Bagian penyusun sistem kontrol

mekanik ditunjukkan pada Lampiran 1. Pemrosesan data dilakukan dalam bentuk

digital filter dan pengiriman data dilakukan melalui komunikasi serial.

Pengujian dilakukan pada setiap subsistem secara terpisah untuk mengetahui

karakteristik dan kinerja masing-masing rangkaian, selain itu juga untuk

memudahkan dalam penelusuran apabila terjadi kesalahan. Pengujian pada sensor

optik dan rangkaian pengkondisi sinyal dikatakan berhasil apabila perubahan

cahaya dapat dibaca oleh sensor menjadi tegangan yang sesuai dan stabil.

. Gambar 9 Subsistem sensor optik berbasis kristal fotonik.

15

3.3.3 Integrasi dan Uji Kinerja Sistem

Setelah semua subsistem berfungsi dengan baik kemudian dilakukan

integrasi menjadi sistem yang utuh. Uji kinerja sistem dilakukan dengan

mengukur parameter gas NO2 di lapangan sesuai dengan panduan yang telah

distandarisasi oleh SNI. Gambar 9 menunjukkan set up instrumentasi yang

digunakan dalam eksperimen. Bagian

Kriteria keberhasilan instrumentasi yang dibangun adalah sistem mampu

mendeteksi kehadiran NO2 di udara, memprosesnya secara elektronik, mengubah

menjadi besaran digital, kemudian mengolahnya menjadi besaran ISPU. Uji

kinerja dilakukan melalui dua cara, yaitu pendeteksian NO2 yang terjerap dalam

larutan reagen secara waktu nyata dan pengukuran gas NO2 dilapangan yang

dilanjutkan dengan pengenceran di laboratorium. Hasil pengukuran pada uji kedua

divalidasi dengan data yang didapatkan dari pusat penelitian lingkungan hidup

(PPLH) IPB.

Kriteria keberhasilan lainnya adalah sistem mampu melakukan pengontrolan

mekanik instrumen pada saat inisialisasi sistem, pengosongan tabung penjerap,

pengisian reagen, dan isi ulang reagen ketika sudah mendekati batas jenuh. Semua

proses berlangsung secara paralel untuk masing-masing parameter ISPU dengan

tidak menggangu mekanisme akuisisi dan pengiriman data melalui komunikasi

serial. Mekanisasi proses Alur kerja sistem berupa kontrol mekanik dan akuisisi

data dapat dilihat pada Lampiran 2.

Gambar 10 Set up instrumentasi pengukuran gas NO2.

17

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Kristal Fotonik dan Transduser Optik

Pemilihan komponen sensor optik disesuaikan dengan karakteristik

absorbansi gas NO2 dalam larutan reagen Griess-Saltzman. Absorbansi

maksimum terjadi pada rentang panjang gelombang 500 nm - 600 nm, dengan

puncak tertinggi pada nilai 550 nm (Budiarti 2011). Hal ini berarti, interaksi

terbesar antara energi cahaya dan gas NO2 yang terjerap dalam reagen terjadi pada

rentang panjang gelombang 500 nm sampai dengan 600 nm. Pendeteksian pada

panjang gelombang absorbansi maksimum dapat memberikan informasi paling

tepat tentang karakteristik gas NO2 di dalam larutan reagen.

Untuk meningkatkan sensitivitas maka PPB kristal fotonik didesain

beroperasi pada panjang gelombang 550 nm. Tetapi pengaruh dari tooling factor

pada proses produksi menyebabkan PPB beroperasi pada nilai 533.16 nm. Nilai

ini masih berada dalam rentang absorbansi maksimum larutan reagen Griess-

Saltzman. Sumber cahaya berupa LED dan fotodioda menggunakan produk

EPIGAP optronic. Panjang gelombang operasi LED dari 480 sampai 606 nm

dengan puncak pada 525 nm. Sedangkan fotodioda beroperasi pada antara panjang

gelombang 490 sampai 560 nm. Gambar 2 menunjukkan spektra komponen optik

penyusun sensor berbasis kristal fotonik.

Gangguan pengukuran akibat adanya interaksi dari luar yang terukur dapat

dikurangi dengan penggunaan komponen optik yang memiliki panjang gelombang

operasi bersesuaian. Kemungkinan terukurnya cahaya selain dari LED dapat

dikurangi dengan desain lebar celah cacat yang sangat sempit, sekitar 1 mm.

Selain itu, fotodioda yang digunakan memiliki sudut penerimaan yang kecil yaitu

20 derajat. Kombinasi kedua karakteristik tersebut menyebabkan intensitas PPB

yang diterima fotodioda hanya bersumber dari interaksi kristal fotonik dengan

reagen. Perubahan intensitas PPB hanya dipengaruhi oleh perubahan indeks bias

larutan.

18

Gambar 11 Karakteristik spektra komponen optik.

4.2 Kinerja Transimpedance Amplifier (TIA)

Rangkaian TIA dibangun menggunakan IC LMC660 buatan National

Semiconductor sebagai inti pengubah arus ke tegangan dan penguatan. Pemilihan

komponen ini didasarkan pada nilai input bias current yang sangat kecil, yaitu

sekitar 2 fA. Semakin kecil nilai input bias current, semakin kecil juga derau yang

dihasilkan. IC LMC660 mampu beroperasi secara single supply, sehingga tidak

membutuhkan catu daya negatif.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa derau akibat Cs dapat dikurangi dengan

menambahkan capasitor feedback (CF) yang dipasang paralel dengan RF.

Kombinasi RF dan Cs menghasilkan low pass filter yang memiliki fase negatif.

Fase loop pada jalur feeedback mengalami pengurangan dan sinyal menjadi tidak

stabil. Penambahan CF pada jalur feedback dan Rs dari fotodioda menjadi

rangkaian high pass filter yang memiliki fase positif dan menambah fase loop

pada jalur feedback. Kehadiran high pass filter menjadi kompensasi atas low pass

filter yang disebabkan oleh Cs, sehingga sinyal keluaran menjadi lebih stabil.

Gambar 12 menunjukkan rangkaian ekuivalen fotodioda yang digabungkan

dengan rangkaian TIA, sedangkan hasil simulasi ditunjukkan oleh Gambar 13.

19

Sinyal tegangan setelah penambahan CF sebesar 2 pF terlihat halus dengan

sedikit overshoot. Sinyal yang lebih halus didapatkan dengan memperbesar nilai

CF. Tetapi, kenaikan nilai CF membawa dampak negatif berupa berkurangnya

bandwidth op amp. Karena dibutuhkan waktu lebih lama untuk proses pengisian

dan pengosongan kapasitor. Nilai bandwith sangat berguna pada pengukuran

dengan kecepatan tinggi. Proses pengambilan data pengukuran NO2 di udara tidak

berlangsung dalam orde yang sangat cepat, sehingga pengaruh bandwidth tidak

terlalu diperhatikan. Kombinasi yang tepat antara CF dan RF dapat menghasilkan

sinyal yang stabil dengan kecepatan pengukuran yang masih memadai.

Gambar 12 Rangkaian ekuivalen fotodioda dan TIA.

Gambar 13 Pengaruh penambahan kapasitor feedback (CF).

Tanpa CF

CF = 2 pF

20

Hasil eksperimen menunjukkan fenomena yang sama dengan simulasi, yaitu

semakin besar nilai CF maka semakin kecil juga derau yang dihasilkan.

Penggunaan CF dengan nilai 100 nF menghasilkan data keluaran paling stabil

sebagaimana yang ditampilkan pada Gambar 14 yang melakukan pengukuran

menggunakan ADC internal mikrokontroler. Gambar 15 menunjukkan perbedaan

bentuk sinyal keluaran rangkaian TIA sebagai hasil dari variasi nilai CF

menggunakan osiloskop. Derau sinyal semakin berkurang seiring dengan

pertambahan nilai CF. Hasil yang sama antara pengujian dengan ADC dan

osiloskop mengindikasikan bahwa subsistem akuisisi data mampu mengubah data

tegangan yang dihasilkan oleh rangkaian TIA menjadi data digital.

Gambar 14 Variasi nilai kapasitor feedback (CF) menggunakan ADC.

Gambar 15 Variasi nilai kapasitor feedback (CF) menggunakan osiloskop.

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

0 10 20 30 40 50 60

Bit

Data

tanpa Cf

10 pF

1 nF

10 nF

100 nF

21

4.3 Rangkaian Pengkondisi Sinyal

Bagian utama rangkaian pengkondisi sinyal adalah penguatan dan LPF.

Penguatan dipilih menggunakan instrumentation amplifer PGA 204 buatan Burr-

Brown yang dapat menguatkan sinyal sampai dengan 1000 kali. Penguatan sinyal

memiliki dampak negatif yaitu derau dari rangkaian sebelumnya ikut mengalami

penguatan seperti yang terlihat pada Gambar 16 dan Gambar 17.

Gambar 16 Keluaran ADC tanpa penguatan (a) dan penguatan 100 kali (b).

Gambar 17 Pengaruh penguatan sinyal dengan osiloskop.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30

Bit

Data

900

910

920

930

940

950

960

970

980

990

1000

0 5 10 15 20 25 30

Bit

Data

(a)

(b)

Tanpa penguatan Penguatan 100x

22

Nilai yang terukur ADC sebelum penguatan terlihat stabil tanpa adanya

perubahan nilai. Hal ini bukan berarti bahwa rangkaian tidak memiliki derau.

Hasil pengukuran menggunakan osiloskop (Gambar 17) memperlihatkan bahwa

tegangan yang terukur memiliki lebar tegangan sekitar 4 mV. Artinya, tegangan

keluaran dapat memiliki nilai yang berbeda-beda dalam rentang 4 mV. Nilai

tersebut masih berada dibawah resolusi ADC 10 bit dengan referensi tegangan 5

V, yaitu 4.88 mV. Perubahan tegangan yang berlangsung tidak dideteksi oleh

ADC dalam bentuk perubahan bit.

Kondisi yang berbeda terjadi pada saat dilakukan proses penguatan. Selain

sinyal yang bersumber dari sensor, derau juga ikut mengalami penguatan oleh IA

sehingga memberikan pengaruh yang signifikan. Pengukuran menggunakan

osiloskop memperlihatkan bahwa derau setelah penguatan 100 kali bernilai 200

mV dengan frekuensi sekitar 50 Hz. Nilai tersebut setara dengan 40 bit pada data

digital. Melihat pola sinyal yang periodik sangat dimungkinkan derau berasal dari

rangkaian catu daya yang mengubah arus bolak-balik menjadi searah.

Untuk mengatasi munculnya derau akibat penguatan maka ditambahkan

rangkaian LPF pasif dengan frekuensi potong 1 Hz. Perubahan sinyal akibat derau

dengan frekuensi diatas 1 Hz akan diblok. Rangkaian hanya melewatkan nilai

sebenarnya dari rangkaian sebelumnya. Frekuensi potong 1 Hz didapatkan dari

kombinasi resistor 3.9 k dan kapasitor 47 F. Tegangan keluaran rangkaian LPF

hasil perhitungan (Gambar 18) memperlihatkan pola yang sama dengan hasil

eksperimen menggunakan ADC (Gambar 19) dan osiloskop (Gambar 20).

Gambar 18 Tegangan keluaran rangkaian LPF untuk frekuensi berbeda.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 10 20 30 40 50

Tega

nga

n K

elu

aran

(V

)

Frekuensi (Hz)

23

Gambar 19 Nilai keluaran ADC dengan dan tanpa filter.

Gambar 20 Sinyal keluaran LPF dengan dan tanpa filter menggunakan osiloskop

Berdasarkan hasil perhitungan, tegangan keluaran rangkaian LPF untuk

sinyal dengan frekuensi kurang atau sama dengan 1 Hz memiliki tegangan

keluaran yang sama dengan sumbernya yaitu 5 V. Semakin besar nilai frekuensi

sumber maka kontribusi terhadap tegangan keluaran semakin kecil. Sinyal dengan

frekuensi 50 Hz memiliki tegangan keluaran mendekati 0 V. Hal ini berarti, sinyal

yang berubah secara periodik dengan frekuensi di atas 1 Hz tidak akan

memberikan pengaruh terhadap tegangan keluaran.

Hasil eksperimen menggunakan ADC memperlihatkan penambahan

rangkaian LPF dengan frekuensi potong 1 Hz dapat mengurangi kehadiran derau

dalam jumlah yang signifikan. Terlihat adanya penurunan data sekitar 15 bit atau

sekitar 75 mV dari data tertinggi sebelum menggunakan LPF. Penurunan tersebut

selain oleh mekanisme signal blocking yang dilakukan LPF juga dimungkinkan

oleh adanya tegangan jatuh di resistor pada rangkaian LPF yang menyebabkan

nilai keluaran lebih kecil dari nilai sumber.

920

925

930

935

940

945

950

955

0 5 10 15 20 25 30

Bit

Data

tanpa filter

filter 1 Hz

24

4.4 Uji Digital Median Filter

Pengujian median filter dilakukan menggunakan ADC internal yang

ditampilkan melalui komunikasi serial. Tahapan berupa data sampling, data

sorting, dan mencari nilai median diperlihatkan pada Gambar 21. Jumlah data

yang diambil mempengaruhi kestabilan nilai yang terukur. Semakin banyak data

yang dijadikan sampel sinyal keluaran menjadi semakin stabil seperti yang terlihat

pada Gambar 22. Tetapi, perlu diperhatikan juga waktu untuk melakukan proses

tersebut. Semakin banyak data berarti semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk

melakukan digital filter. Jumlah data optimum yang diujikan pada penelitian ini

adalah 31 data. Nilai tersebut diambil dengan pertimbangan nilai keluaran sudah

lebih stabil dan waktu eksekusi masih dalam batas kemampuan mikrokontroler.

Gambar 21 Tahapan dalam digital median filter.

Gambar 22 Variasi jumlah data digital median filter.

180

190

200

210

220

230

240

250

260

0 5 10 15 20 25 30

Bit

Data

tanpa filter

3 data

5 data

11 data

31 data

25

4.5 Uji Kinerja Sistem Instrumentasi

Hasil pengujian akuisisi data secara waktu nyata selama satu jam

memperlihatkan bahwa sistem mampu merespon gas NO2 yang terjerap di dalam

reagen. Hal tersebut ditandai dengan adanya penurunan nilai tegangan yang

dibaca ADC seperti yang terlihat pada Gambar 23. Penurunan tegangan bermakna

intensitas yang diterima fotodioda berkurang akibat larutan yang semakin pekat

seiring bertambahnya konsentrasi NO2. Data yang fluktuatif mewakili kondisi

nyata di lapangan. Indeks bias larutan yang terukur oleh PPB dapat berubah-ubah

dikarenakan pencampuran udara dan reagen yang berlangsung melalui bantuan

pompa vakum. Sangat dimungkinkan terjadi aliran turbulen di daerah yang

menjadi objek pengukuran.

Uji kinerja sistem instrumentasi dengan teknik pengenceran divalidasi

dengan data yang didapatkan dari PPLH IPB. Besaran akhir yang dihasilkan

dalam bentuk konsentrasi dengan satuan µg/m3. Konsentrasi larutan reagen hasil

perhitungan merujuk pada penentuan konsentrasi larutan menggunakan rumus

pengenceran. Gambar 24 Menunjukkan perbandingan konsentrasi gas NO2 hasil

perhitungan dengan hasil pengukuran PPLH IPB dengan metode pengenceran.

Walaupun data yang didapatkan dari PPLH IPB hanya empat data, tetapi secara

umum metode perhitungan dan pengukuran PPLH memiliki tren yang hampir

sama dengan nilai R2 masing-masing lebih dari 94%. Hal ini berarti metode

perhitungan dapat menduga nilai konsentrasi larutan hasil pengenceran mendekati

nilai yang diukur oleh PPLH IPB, sehingga layak untuk digunakan dalam proses

pengukuran konsentrasi larutan selanjutnya.

Gambar 23 Keluaran ADC pada pengujian secara waktu nyata.

820

830

840

850

860

870

880

890

0 10 20 30 40 50 60

Bit

Menit

26

Gambar 24 Konsentrasi gas NO2 hasil perhitungan dan PPLH IPB.

Untuk lebih melihat korelasi antara hasil perhitungan dan pengukuran maka

dilakukan validasi pada setiap nilai konsentrasi. Data hasil perhitungan dan

pengukuran dibandingkan secara langsung seperti yang terlihat pada Gambar 25.

Dari empat data yang ditampilkan didapatkan R2 sebesar 99.3%. Nilai R

2 yang

mendekati satu mengindikasikan bahwa metode perhitungan dapat digunakan

karena menghasilkan data yang tidak terlalu berbeda.

Respon sistem instrumentasi terhadap perubahan konsentrasi gas NO2 dalam

larutan reagen terlihat pada Gambar 26. Perubahan konsentrasi sebesar 34 µg/m3

dideteksi dengan perubahan tegangan sebesar 1.24 V setara dengan 254 bit. Dapat

dikatakan bahwa sistem memiliki resolusi pengukuran sebesar 8 bit per µg/m3

atau setara dengan 14 bit/ppb. Nilai pengujian ini didapatkan setelah melalui

pembatasan rentang pengukuran dan penguatan IA sebesar 1000 kali.

Gambar 25 Validasi nilai kosentrasi gas NO2.

y = 59.28e-0.08x

R² = 0.965

y = 68.72e-0.11x

R² = 0.949

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25

Ko

nse

ntr

asi N

O2

(g/

m3 )

Volume (mL)

Perhitungan

PPLH

y = 0.894x + 5.238R² = 0.993

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50

Ko

nse

ntr

asi N

O2

pe

rhit

un

gan

(g/

m3)

Konsentrasi NO2 PPLH (g/m3)

27

Gambar 25 Nilai keluaran ADC untuk konsentrasi NO2 berbeda.

Konsentrasi gas NO2 hasil pengujian yang dilakukan selama satu jam hanya

sekitar 46 µg/m3. Nilai tersebut tidak dapat didefinisikan dalam nilai ISPU, karena

untuk gas NO2 nilai terkecil ISPU terdefinisi untuk konsentrasi sebesar 1130

µg/m3. Sistem sudah dapat mendeteksi perubahan konsentrasi gas NO2 meskipun

dalam jumlah yang sedikit. Untuk konsentrasi gas yang lebih besar pendeteksian

lebih mungkin untuk dilakukan. Hanya saja perlu dilakukan penyesuaian di bagian

penguatan karena berhubungan dengan rentang pengukuran yang dapat ditangani.

Sistem instrumentasi yang dibangun dapat digunakan untuk pengukuran

parameter ISPU lain dengan melakukan beberapa perubahan sesuai dengan

karakteristik material yang diukur. Penyesuaian terutama dilakukan pada

pemilihan komponen subsistem sensor optik berbasis kristal fotonik seperti LED,

kristal fotonik, dan fotodioda. Adapun subsistem pengkondisi sinyal hanya perlu

menyesuaikan level penguatan yang akan digunakan. Sedangkan penyesuaian

pada subsistem kontrol dan pemrosesan data hanya pada proses konversi

konsentrasi menjadi nilai ISPU sesuai dengan kriteria parameter yang diukur.

Hasil pengujian sistem kontrol mekanik menunjukkan instrumentasi dapat

melakukan proses inisialisasi berupa pengosongan tabung, pengisian reagen, dan

akuisisi data untuk lima parameter ISPU. Sistem didesain untuk melakukan isi

ulang reagen secara otomatis apabila reagen sudah mendekati kejenuhan tanpa

mengganggu proses pengiriman data paramter ISPU lainnya. Proses otomatisasi

sistem kontrol mekanik dalam bentuk diagram pewaktuan dapat dilihat pada

Lampiran 3.

y = 984.6e-0.01x

R² = 0.946

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

10 20 30 40 50

Bit

Konsentrasi NO2 (g/m3)

29

V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Kesimpulan dari penelitian ini adalah:

1. Sistem instrumentasi berbasis sensor kristal fotonik satu dimensi untuk

mengukur gas NO2 yang termasuk parameter kualitas udara ambien

telah berhasil dibangun.

2. Sistem dapat merespon perubahan konsentrasi gas NO2 di dalam larutan

reagen dalam bentuk perubahan tegangan. Resolusi pengukuran sistem

instrumentasi sebesar 8 bit per µg/m3 atau setara dengan 14 bit/ppb.

3. Kemandirian teknologi baru dapat diwujudkan dalam hal penguasaan

keilmuan dan rekayasa. Penggunaan material dari dalam negeri

mencapai kisaran 40% dari total material yang dibutuhkan untuk

membangun sistem instrumentasi. Sisanya masih harus didatangkan

dari luar negeri, terutama untuk komponen elektronika dengan

spesifikasi khusus.

5.1 Saran

Pengembangan dapat difokuskan pada beberapa bagian, diantaranya:

1. Peningkatan stabilitas rangkaian secara analog melalui pemilihan

komponen yang lebih sensitif dan minim derau.

2. Penggunaan teknik modulasi sumber cahaya untuk mengurangi

gangguan dari lingkungan.

3. Penggunaan komponen IA yang mode penguatannya lebih fleksibel.

31

DAFTAR PUSTAKA

Ahn MW et al. 2008. Gas sensing properties of defect-controlled ZnO-nanowire

gas sensor. Applied Physics Letters 93:263103.

Alatas H, Mayditia H, Hardhienata H, Iskandar AA, Tjia MO. 2006. Single

frequency refractive index sensor based on finite one-dimensional photonic

crystal with two defects. Japanese Journal of Applied Physics 45 (8B) pp.

6754.

Asher SA et al. 2003. Photonic crystal carbohydrate sensors: low ionic strength

sugar sensing. J. Am. Chem. Soc. 125:3322-3329.

Astrachan O. 2003. An archaeological algorithmic analysis. Di dalam: SIGCSE

Technical Symposium on Computer Science Education; Nevada, February 19-

23.

[Bapedal] Badan Pengendalian Dampak Lingkungan. 1997. Pengaruh indeks

standar pencemar udara untuk setiap parameter pencemar. Jakarta: Bapedal.

Brunekreef B. 2007. Health effects of air pollution observed in cohort studies in

Europe. Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology B:

S61-S65.

Budiarti RDR. 2011. Karakterisasi sensor kristal fotonik satu dimensi untuk

pengukuran gas nitrogen dioksida [Skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan

Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.

Chen C et al. 2008. Sensitivity of photonic crystal fiber to temperature, strain, and

external refractive index. Optics Express 16 (13).

Choi YJ et al. 2008. Novel fabrication of an SnO2 nanowire gas sensor with high

sensitivity. Nanotechnology 19:095508 (4pp).

Chuang W, Guan BQ, Chao L, Tam HY. 2011. Salinity sensor based on

polyamide-coated photonic crystal fiber. Optics Express 19 (21).

Esplugues A et al. 2007. Air pollutant exposure during pregnancy and fetal and

early childhood development. Research protocol of the INMA [Childhood and

Environment Project]. Gaceta Sanitaria 21:162-171.

Fraden J. 2010. Handbook of Modern Sensor. Ed ke-4. California: Springer.

32

Galan I et al. 2003. Short-term effects of air pollution on daily asthma emergency

room admissions. Eur Respir J. 22:802–8.

Gauderman WJ et al. 2005. Childhood asthma and exposure to traffic and

nitrogen dioxide. Epidemiology 16:6.

Gouin T, Harner T, Blancahrd P, Mackay D. 2005. Passive and active samplers as

complementary methods for investigating persistent organic pollutants in the

Great Lakes Basin. Environ. Sci. Technol. 39:9115-22.

Gurjar BR, Butler TM, Lawrence MG, Lelieveld J. 2008. Evaluation of emissions

and air quality in megacities. Atmospheric Environment. 42 (7):1593-1606.

Hertel O, Goodsite ME. 2009. Urban air Pollution Climates throughout the World.

Issues in Environmental Science and Technology 28. Royal Society of

Chemistry.

Kita S, Nozaki, K, Baba T. Refractive index sensing utilizing a cw photonic

crystal nanolaser and its utilizing array configuration. Optics Express 16 (11).

Konorov SO, Zheltikov AM. 2005. Photonic crystal fiber as a multifunctional

optical sensor and sample collector. Optics Express 13 (9).

Larsen B, Hutton G, Khanna N. 2008. Air pollution. Copenhagen Consensus 2008

Challange Paper.

Li SS. 2006. Semiconductor Physical Electronic. Ed ke-2 New York: Springer.

Meixner H, Gerblinger J, Lampe U, Fleischer M. 1995. Thin-film gas sensors

based on semiconducting metal oxides. Sens. Actuators B 23:119-125.

Mishra V. 2003. Healts effects of air pollution. Population-Environment Research

Network (PERN) Cyberseminar. East-West Center, Honolulu.

[MNLH] Menteri Negara Lingkungan Hidup. 1997. Keputusan Menteri Negara

Lingkungan Hidup Republik Indonesia Nomor 45/MNLH/1997 tentang Indeks

Standar Pencemar Udara. Jakarta: MNLH.

Moodley KG, Singh H, Govender S. 2011. Passive monitoring of nitrogen dioxide

in urban air: a case study of durban metropolis, South Africa. Journal of

Environmental Management 92:2145-2150.

O’Connor GT. 2008. Accute respiratory health effects of air pollution on children

with asthma in US inner cities. United States Environmental Protecion Agency

Papers. Lincoln: University of Nebraska.

Patankar AM, Trivedi PL. 2011. Monetary burden of health impacts of air

pollution in Mumbai, India: implications for public health policy. Public

Health 125:157-164.

33

Rahmat M. 2009. Design and fabrication of one dimensional photonic crystal as a

real time optical sensor for sugar solution concentration detection [Thesis].

Bogor: Graduate School, Bogor Agricultural University.

Resosudarmo, BP. 2002. Indonesia’s clean air program. Bulletin of Indonesian

Economic Studies 38 (3): 343-365.

Schmidt O, Kiesel P, Mohta S, Johnson JN. 2007. Resolving pm wavelength shifts

in optical sensing. J. Appl. Phys. B86, 593-600

Shishiyanu ST, Shishiyanu TS, Lupan OI. 2005. Sensing characteristics of tin-

doped ZnO thin films as NO2 gas sensor. Sens. Actuators B 107:379-386.

Soedoemo M, Usman K, dan Irsyad M. 1991. Analisis dan prediksi pengaruh

strategi pengendalian emisi transportasi terhadap konsentrasi pencemaran di

Indonesia: studi kasus di Jakarta, Bandung, dan Surabaya. Bandung: Institut

Teknologi Bandung.

Streets DG et al. 2003. An inventory of gaseous and primary aerosol emissions in

Asia in the year 2000. J. Geophys. Res 108:8809.

Tsiulyanu D, Marian S, Miron V, Liess HD. 2001. High sensitive tellurium based

NO2 gas sensor. Sens. Actuators B 73:35-39.

[USEPA] United States Environmental Protection Agency. 2006. 2002 National

emissions inventory booklet. North Carolina: USEPA

[USEPA] United States Environmental Protection Agency. 2008. Integrated

science assessment for oxides of nitrogen-health criteria. North Carolina:

USEPA

Wei BY et al. 2004. A novel SnO2 gas sensor doped with carbon nanotubes

operating at room temperature. Sens. Actuators B 101:81-89.

Winder S. 2002. Analog and Digital Filter Design. Ed ke-2. Amsterdam: Elsevier

Science. 2002.

[WHO] World Health Organization. 2000. Air quality guidelines for Europe, Ed

ke-2. Copenhagen: WHO Regional Publication, European Series 91:1-287.

Zhang D et al. 2004. Detection of NO2 down to ppb levels using individual and

multiple In2O3 nanowire devices. Nanoleters 4:1919-1924.

.

35

LAMPIRAN

37

Lampiran 1. Sistem kontrol mekanik, catu daya dan signal conditioning.

Signal Conditioning

39

Lampiran 2. Alur kerja sistem berupa kontrol mekanik dan akuisisi data.

41

Lampiran 3. Diagram pewaktuan sistem kontrol mekanik

43

Lampiran 4. Data pengujian pengukuran gas NO2 secara waktu nyata.

Menit ke

Tegangan (V)

ADC (bit)

2 4.31 881.826

4 4.28 875.688

6 4.22 863.412

8 4.25 869.55

10 4.26 871.596

12 4.27 873.642

14 4.25 869.55

16 4.24 867.504

18 4.18 855.228

20 4.17 853.182

22 4.16 851.136

24 4.17 853.182

26 4.14 847.044

28 4.15 849.09

30 4.13 844.998

32 4.12 842.952

34 4.13 844.998

36 4.14 847.044

38 4.13 844.998

40 4.12 842.952

42 4.1 838.86

44 4.12 842.952

46 4.09 836.814

48 4.1 838.86

50 4.08 834.768

52 4.07 832.722

54 4.04 826.584

56 4.06 830.676

58 4.08 834.768

60 4.03 824.538

45

Lampiran 5. Source code akuisisi data dan kontrol mekanik.

/* program kontrol mekanik stasiun otomat */ // deklarasi variabel // variabel untuk pengontrolan kontrol mekanik int a; int b; int c; int data_tsp; // variable untuk data TSP int data_so2; // variable untuk data TSP int data_co; // variable untuk data TSP int data_o3; // variable untuk data TSP int data_no2; // variable untuk data TSP //inisiasi pin untuk valve pendukung int pompa = 32; // SV pompavakum dihubungkan dengan pin 32 int led_ind = 33; // led indikator waktu inisialisasi dihubungkan ke pin 33 int air_in = 34; // valve udara supaya ga vakum dihubungkan ke pin 34 int data = 35; // LED dummy untuk analogi proses sampling data dihubungkan ke pin 35 //inisiasi pin untuk inlet chamber int in_tsp = 22; // SV inlet TSP dihubungkan dengan pin 22 int in_so2 = 23; // SV inlet SO2 dihubungkan dengan pin 23 int in_co = 24; // SV inlet CO dihubungkan dengan pin 24 int in_o3 = 25; // SV inlet O3 dihubungkan dengan pin 25 int in_no2 = 26; // SV inlet NO2 dihubungkan dengan pin 26 //variabel outlet chamber int out_tsp = 27; // SV outlet TSP dihubungkan dengan pin 27 int out_so2 = 28; // SV outlet SO2 dihubungkan dengan pin 28 int out_co = 29; // SV outlet CO dihubungkan dengan pin 29 int out_o3 = 30; // SV outlet O3 dihubungkan dengan pin 30 int out_no2 = 31; // SV outlet NO2 dihubungkan dengan pin 31 void setup() { // inisialisasi pin digital sebagai output. // pin inlet pinMode(in_tsp,OUTPUT); pinMode(in_so2,OUTPUT); pinMode(in_co,OUTPUT); pinMode(in_o3,OUTPUT); pinMode(in_no2,OUTPUT);

46

// pin outlet pinMode(out_tsp,OUTPUT); pinMode(out_so2,OUTPUT); pinMode(out_co,OUTPUT); pinMode(out_o3,OUTPUT); pinMode(out_no2,OUTPUT); // pin vakum dan indikator pinMode(pompa,OUTPUT); pinMode(led_ind,OUTPUT); // pin air intake supaya impinger tdk vakum pinMode(air_in,OUTPUT); // pin data untuk simulasi capture data saja pinMode(data,OUTPUT); // seting komunikasi serial Serial.begin(9600); } ///////////////////////////////////////////////////// ///////////////////// PROGRAM UTAMA ///////////////// // baca data digital dari ADC kemudian kirimkan ke serial void loop() { digitalWrite(pompa,HIGH); // pompa dikondisikan mati (relay NC) digitalWrite(air_in,HIGH); // valve udara masuk dikondisikan mati (relay NC) inisialisasi(); // panggil fungsi inisialisasi (10 detik) pembuangan(); // proses pembuangan reagent di impinger delay(1000); // tunggu satu detik pengisian(); // proses pengisian reagent di impinger delay(1000); // tunggu satu detik // akuisisi data berlangsung selama waktu tertentu for (a=0; a<=100; a++) { akuisisi_data(); // baca data dan kirim lewat serial // kontrol pewaktuan tingkat kejenuhan larutan switch (a) { case 0:{ digitalWrite (pompa,LOW); // nyalakan pompa penghisap udara break;} case 10: { isi_tsp(); // proses isi ulang reagent TSP break;} case 20: { isi_so2(); // proses isi ulang reagent SO2 break;} case 30: { isi_co(); // proses isi ulang reagent CO break;}

47

case 40: { isi_o3(); // proses isi ulang reagent O3 break;} case 50: { isi_no2(); // proses isi ulang reagent NO2 break;} } delay(1000); } while(true); } //>>>>>>>>>>>>>>>>> FUNGSI-FUNGSI PENDUKUNG <<<<<<<<<<<<<<<< // Fungsi Inisialisasi dengan LED kelap-kelip selama 10 detik int inisialisasi() { int var = 0; while(var < 10) // lakukan ulangan 10 kali { digitalWrite(led_ind,HIGH); delay(500); digitalWrite(led_ind,LOW); delay(500); var++; } } // fungsi buka valve outlet impinger selama waktu tertentu int pembuangan() { int b = 0; while(b < 100) { // buka valve outlet digitalWrite(out_tsp,HIGH); // buka valve outlet TSP digitalWrite(out_so2,HIGH); // buka valve outlet SO2 digitalWrite(out_co,HIGH); // buka valve outlet CO digitalWrite(out_o3,HIGH); // buka valve outlet O3 digitalWrite(out_no2,HIGH); // buka valve outlet NO2 digitalWrite(air_in,LOW); // buka valve udara supaya ga vakum delay(100); b++; } // tutup valve outlet digitalWrite(out_tsp,LOW); // tutup valve outlet TSP digitalWrite(out_so2,LOW); // tutup valve outlet SO2 digitalWrite(out_co,LOW); // tutup valve outlet CO digitalWrite(out_o3,LOW); // tutup valve outlet O3 digitalWrite(out_no2,LOW); // tutup valve outlet NO2

48

} // fungsi untuk pengisian reagent int pengisian() { // buka valve inlet digitalWrite(in_tsp,HIGH); // buka valve inlet TSP digitalWrite(in_so2,HIGH); // buka valve inlet SO2 digitalWrite(in_co,HIGH); // buka valve inlet CO digitalWrite(in_o3,HIGH); // buka valve inlet O3 digitalWrite(in_no2,HIGH); // buka valve inlet NO2 // tutup valve inlet for (int c = 0; c <= 24; c++) { switch (c){ case 4:{ digitalWrite(in_tsp, LOW); break;} case 9:{ digitalWrite(in_so2,LOW); break;} case 14:{ digitalWrite(in_co,LOW); break;} case 19:{ digitalWrite(in_o3,LOW); break;} case 24:{ digitalWrite(in_no2,LOW); break;} } delay(1000); } return c; } //fungsi akusisi data dan kirimkan ke serial int akuisisi_data() { data_tsp = analogRead(0); // baca data TSP dari ADC0 data_so2 = analogRead(1); // baca data SO2 dari ADC1 data_co = analogRead(2); // baca data CO dari ADC2 data_o3 = analogRead(3); // baca data O3 dari ADC3 data_no2 = analogRead(4); // baca data NO2 dari ADC4 // kirim data ke serial, lima data dalam satu line dipisahkan oleh karakter Serial.print(data_tsp); // kirim data TSP Serial.print ("#"); Serial.print(data_so2); // kirim data SO2 Serial.print ("#");

49

Serial.print(data_co); // kirim data CO Serial.print ("#"); Serial.print(data_o3); // kirim data O3 Serial.print("#"); Serial.println(data_no2); // kirim data NO2 dan pindah line } //fungsi refill TSP int isi_tsp() { int t1_tsp; for (int t1_tsp = 0; t1_tsp <= 20; t1_tsp++) { //baca data selain TSP data_tsp = 0 ; // data TSP dibuat = 0 data_so2 = analogRead(1); // baca data SO2 data_co = analogRead(2); // baca data CO data_o3 = analogRead(3); // baca data O3 data_no2 = analogRead(4); // baca data NO2 //kirim data Serial.print(data_tsp); // kirim data TSP Serial.print("#"); Serial.print(data_so2); // kirim data SO2 Serial.print ("#"); Serial.print(data_co); // kirim dataCO Serial.print ("#"); Serial.print(data_o3); // kirim data O3 Serial.print ("#"); Serial.println(data_no2); // kirim data NO2 // kontrol tutup buka valve input dan output impinger switch (t1_tsp){ case 0:{ digitalWrite(out_tsp, HIGH); // buka valve out selama 10 detik break;} case 10:{ digitalWrite(out_tsp,LOW); // tutup valve out break;} case 11:{ digitalWrite(in_tsp,HIGH); // buka valve in selama 10 detik break;} case 20:{ digitalWrite(in_tsp,LOW); // tutup valve in break;} } delay(1000); } return t1_tsp; }

50

//fungsi isi ulang SO2 int isi_so2() { int t1_so2; //t1_so2 = 0; for (int t1_so2 = 0; t1_so2 <= 20; t1_so2++) { //baca data selain SO2 data_so2 = 0 ; // data SO2 dibuat = 0 data_tsp = analogRead(0); // baca data TSP data_co = analogRead(2); // baca data CO data_o3 = analogRead(3); // baca data O3 data_no2 = analogRead(4); // baca data NO2 //kirim data selain SO2 Serial.print(data_tsp); // kirim data TSP Serial.print ("#"); Serial.print(data_so2); // kirim data SO2 Serial.print ("#"); Serial.print(data_co); // kirim data CO Serial.print ("#"); Serial.print(data_o3); // kirim data O3 Serial.print("#"); Serial.println(data_no2); // kirim data NO2 // kontrol tutup buka valve input dan output impinger switch (t1_so2){ case 0:{ digitalWrite(out_so2, HIGH); // buka valve out selama 10 detik break;} case 10:{ digitalWrite(out_so2,LOW); // tutup valve out break;} case 11:{ digitalWrite(in_so2,HIGH); // buka valve in selama 10 detik break;} case 20:{ digitalWrite(in_so2,LOW); // tutup valve in break;} } delay(1000); } return t1_so2; } //fungsi isi ulang CO int isi_co() { int t1_co;

51

//t1_co = 0; for (int t1_co = 0; t1_co <= 20; t1_co++) { //baca data selain CO data_co = 0 ; // data CO dibuat = 0 data_tsp = analogRead(0); // baca data TSP data_so2 = analogRead(1); // baca data SO2 data_o3 = analogRead(3); // baca data O3 data_no2 = analogRead(4); // baca data NO2 //kirim data selain CO Serial.print(data_tsp); // kirim data TSP Serial.print ("#"); Serial.print(data_so2); // kirim data SO2 Serial.print ("#"); Serial.print(data_co); // kirim data CO Serial.print ("#"); Serial.print(data_o3); // kirim data O3 Serial.print("#"); Serial.println(data_no2); // kirim data NO2 // kontrol tutup buka valve input dan output impinger switch (t1_co){ case 0:{ digitalWrite(out_co, HIGH); // buka valve out selama 10 detik break;} case 10:{ digitalWrite(out_co,LOW); // tutup valve out break;} case 11:{ digitalWrite(in_co,HIGH); // buka valve out selama 10 detik break;} case 20:{ digitalWrite(in_co,LOW); // tutup valve in break;} } delay(1000); } return t1_co; } //fungsi isi ulang 03 int isi_o3() { int t1_o3; //t1_o3 = 0; for (int t1_o3 = 0; t1_o3 <= 20; t1_o3++) { //baca data selain O3 data_o3 = 0 ; // data O3 dibuat = 0

52

data_tsp = analogRead(0); // baca data TSP data_so2 = analogRead(1); // baca data SO2 data_co = analogRead(2); // baca data CO data_no2 = analogRead(4); // baca data NO2 //kirim data selain O3 Serial.print(data_tsp); // kirim data TSP Serial.print ("#"); Serial.print(data_so2); // kirim data SO2 Serial.print ("#"); Serial.print(data_co); // kirim data CO Serial.print ("#"); Serial.print(data_o3); // kirim data O3 Serial.print("#"); Serial.println(data_no2); // kirim data NO2 // kontrol tutup buka valve input dan output impinger switch (t1_o3){ case 0:{ digitalWrite(out_o3, HIGH); // buka valve out selama 10 detik break;} case 10:{ digitalWrite(out_o3,LOW); // tutup valve out break;} case 11:{ digitalWrite(in_o3,HIGH); // buka valve out selama 10 detik break;} case 20:{ digitalWrite(in_o3,LOW); // tutup valve in break;} } delay(1000); } return t1_o3; } //fungsi isi ulang NO2 int isi_no2() { int t1_no2; //t1_no2 = 0; for (int t1_no2 = 0; t1_no2 <= 20; t1_no2++) { //baca data selain NO2 data_no2 = 0 ; // data NO2 dibuat = 0 data_tsp = analogRead(0); // baca data TSP data_so2 = analogRead(1); // baca data SO2 data_co = analogRead(2); // baca data CO data_o3 = analogRead(3); // baca data O3 //kirim data selain NO2

53

Serial.print(data_tsp); // kirim data TSP Serial.print ("#"); Serial.print(data_so2); // kirim data SO2 Serial.print ("#"); Serial.print(data_co); // kirim data CO Serial.print ("#"); Serial.print(data_o3); // kirim data O3 Serial.print("#"); Serial.println(data_no2); // kirim data NO2 // kontrol tutup buka valve input dan output impinger switch (t1_no2){ case 0:{ digitalWrite(out_no2, HIGH); // buka valve out selama 10 detik break;} case 10:{ digitalWrite(out_no2,LOW); // tutup valve out break;} case 11:{ digitalWrite(in_no2,HIGH); // buka valve in selama 10 detik break;} case 20:{ digitalWrite(in_no2,LOW); // tutup valve in break;} } delay(1000); } return t1_no2; } ///////////////// digital median filter /////////////////////////// Digital filter (). int anPin = 3; // baca data dari sensor di pin 3 //variabel disimpan dalam array int arraysize = 11; //jumlah data yang akan disampling int rangevalue[] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; //inisialisasi array //*********************************************************// void setup() { //memulai komunikasi serial Serial.begin(9600); printArray(rangevalue, arraysize); delay(5000); //menunggu sekitar 5 detik } //*********************************************************// void loop() {

54

pinMode(anPin, INPUT); for(int i = 0; i < arraysize; i++) { rangevalue[i] = analogRead(anPin); Serial.print("i, value "); Serial.print(i); Serial.print(" , "); Serial.print(rangevalue[i]); Serial.println(); delay(20); //menunggu sampel berikutnya } Serial.print("unsorted "); printArray(rangevalue, arraysize); Serial.println(); isort(rangevalue, arraysize); Serial.print("sorted "); printArray(rangevalue, arraysize); Serial.println(); // now show the medaian range int midpoint = arraysize/2; //nilai tengah data = median Serial.print("median range value "); //mengirim string median Serial.print(rangevalue[midpoint]); Serial.println(); Serial.println(); delay(2000); //menunggu sekitar 2 detik } //akhir loop //********************************************************************************* // sort function void isort(int *a, int n) // *a adalah array pointer function { for (int i = 1; i < n; ++i) { int j = a[i]; int k; for (k = i - 1; (k >= 0) && (j < a[k]); k--) { a[k + 1] = a[k]; } a[k + 1] = j; } }

SISTEM INSTRUMENTASI BERBASIS KRISTAL...

Documents

Transcript of SISTEM INSTRUMENTASI BERBASIS KRISTAL...