SISTEM INSTRUMENTASI BERBASIS KRISTAL...
-
Upload
truongxuyen -
Category
Documents
-
view
223 -
download
2
Transcript of 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
ii
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.
iv
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
viii
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.
x
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:
xiv
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
xvi
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.
xviii
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
xxii
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
xxiv
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
xxvi
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.
16
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)
28
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.
30
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.
.
34
35
LAMPIRAN
36
37
Lampiran 1. Sistem kontrol mekanik, catu daya dan signal conditioning.
Signal Conditioning
38
39
Lampiran 2. Alur kerja sistem berupa kontrol mekanik dan akuisisi data.
40
41
Lampiran 3. Diagram pewaktuan sistem kontrol mekanik
42
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
44
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; } }