TE 091399
IMPLEMENTASI SENSOR KAPASITIF DALAM SISTEM KONTROL KADAR ETANOL Peter Chondro 2210100136 Dosen Pembimbing: Dr. M. Rivai, ST., MT. Suwito, ST., MT. Bidang Studi Elektronika | Jurusan Teknik Elektro | FTI-ITS | Surabaya 2014
Outline PENDAHULUAN DASAR TEORI
PERANCANGAN ALAT PENGUJIAN ALAT KESIMPULAN
PENDAHULUAN
Latar Belakang • Etanol merupakan elemen esensial dalam bidang medis, farmasi dan industri bahan bakar. • Etanol dimanfaatkan berdasarkan kadarnya. • Etanol akan menguap diatas suhu flash point setiap kadarnya.
SISTEM KONTROL KADAR ETANOL
Perumusan Masalah • Bagaimana bentuk rancangan sensor kapasitif yang dapat digunakan untuk mengukur kadar etanol. • Bagaimana bentuk rancangan sistem dengan kapabilitas kontrol kadar etanol. • Bagaimana bentuk rancangan algortima kontroler PID digital dalam ATmega16 sesuai dengan respon plant. • Bagaimana pengaruh TDS aquades dalam sensor kapasitif. • Bagaimana pengaruh pH larutan etanol dalam sensor kapasitif.
Tujuan Penelitian • Mendapatkan rancangan sensor kapasitif yang mampu mengidentifikasi etanol dengan kadar 0%90%. • Terciptanya sebuah prototip sistem kontrol yang mampu mengatur kadar etanol dalam larutan dengan kadar 0%-50%. • Tersematnya kontrol PID pada sistem melalui kedua pompa persitaltik sebagai aktuator sistem.
Batasan Masalah • Karakterisasi sensor untuk rentang kadar etanol 0%90% dengan resolusi sebesar 10%. • Pembanding data karakterisasi sensor memanfaatkan hidrometer alkohol analog. • Etanol 96% menggunakan tipe non food grade. • Pelarut etanol menggunakan air suling (aquades).
DASAR TEORI
Etanol Ion Metilen
Ion Hidroksil
Ion Metil
Etanol Karakteristik Fisis dan Kimia Etanol 96% • • • • • •
σ = 1,35x10-9 S/cm εr = 24,3 (εo = 8,85x10-12 F/m) pH 6,5 memiliki ujung polar dan non-polar larut dalam air (tidak bereaksi) - eksotermik mudah menguap
Etanol Flash Point Etanol Konsentrasi Etanol 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 96%
Suhu 49oC 36oC 29oC 26oC 24oC 22oC 21oC 20oC 17oC 16oC
Hidrometer Hidrometer memanfaatkan prinsip Kadar etanolbekerja dapat diukur menggunakan gravitasi hidrometer
Medium Dielektrik
Material
Konstanta Dielektrik
Konduktivitas (S/cm) 1
10-15
1,00059
8x10-15
Minyak Tanah
1,8
4x10-12
Kertas
3,6
6,4x10-11
Etanol 96%
24,3
1,35x10-9
Air
80,4
4x10-8
Vakum
Udara Kering
Sensor Kapasitif
Osilator
Kontrol PID • Terdiri atas komponen proporsional, integral dan derivatif. • Setiap komponen kontrol memiliki pengaruh yang berbeda.
Proporsional • Menambah atau mengurangi kestabilan. • Dapat memperbaiki respon transien khusus : rise time, settling time. • Mengurangi (bukan menghilangkan) error steady state.
Integratif • Menghilangkan error steady state • Respon lebih lambat dibandingkan dengan respon proportional. • Dapat menambah ketidakstabilan karena menambah orde sistem.
Derivatif • Memberikan efek redaman pada sistem yang berosilasi sehingga diperlukan pemberian nilai Kp yang lebih besar. • Memperbaiki respon transien, karena memberikan aksi saat terjadi perubahan error.
Tuning PID • Untuk menentukan konstanta P, I dan D dari kontrol PID berdasarkan respon plant. • Ziegler Nichols 1 merupakan metode tuning berdasarkan respon step dari plant.
Respon Plant
Tuning PID
Waktu
Tuning PID
PERANCANGAN ALAT
Diagram Blok Sistem
Diagram Blok PID
Diagram Blok Sistem
PERANCANGAN SENSOR
Perancangan Sensor Desain
11,5 mm
2,5 mm
80 mm
Perancangan Sensor Pembahasan Desain (1)
• Sensor berjenis kapasitif karena etanol termasuk sebagai bahan dielektrik. Material Vakum Udara Kering Minyak Tanah Kertas Etanol 96% Air
Konstanta Dielektrik Konduktivitas (S/cm) 1 10-15 1,00059 8x10-15 1,8 4x10-12 3,6 6,4x10-11 24,3 1,35x10-9 80,4 4x10-8
Perancangan Sensor Pembahasan Desain (2)
• Rongga sensor dirancang relatif besar untuk mencegah aliran listrik akibat reaksi ionisasi.
CH3CH2OH + H2O
CH3CH2O- + H3O+
Perancangan Sensor Pembahasan Desain (3)
Sensor berbahan aluminium karena: • Tidak mudah teroksidasi • σ = 3,5x107 S/m • Tidak bereaksi dengan etanol • Paramagnetik
2Al + 3H2O
Al2O3 + 3H2
Pengujian Sensor Sampel
Sampel 1
Sampel 2
Sampel 3
Sampel 4
Sampel 5
Sampel Air Mineral “Aquase”
Percobaan KeKapasitansi Terukur LCR meter(nF) Rerata Kapasitansi Terukur (nF) 1 57,56 2 58,29 3 58,16 58,112 4 58,21 5 58,34 1 55,56 2 56,43 3 56,44 56,086 4 56,17 5 55,83 1 57,32 2 56,67 3 56,72 57,054 4 57,16 5 57,40 1 58,48 2 59,14 3 59,21 58,974 4 58,66 5 59,38 1 58,63 2 58,32 3 58,45 58,216 4 57,98 5 57,70 Rerata Kapasitansi Percobaan (nF) 57,684
Pengujian Sensor Sampel
Sampel 1
Sampel 2
Sampel 3
Sampel 4
Sampel 5
Sampel Air Mineral “Flow”
Percobaan Ke- Kapasitansi Terukur LCR meter(nF) 1 67,01 2 66,77 3 66,76 4 66,49 5 66,54 1 65,06 2 65,50 3 65,33 4 65,21 5 65,32 1 66,25 2 66,20 3 65,84 4 66,11 5 65,72 1 65,64 2 65,66 3 66,13 4 66,11 5 66,09 1 66,22 2 65,87 3 65,86 4 66,04 5 65,79 Rerata Kapasitansi Percobaan (nF)
Rerata Kapasitansi Terukur(nF)
66,714
65,284
66,024
65,926
65,956
65,981
Pengujian Sensor Sampel
Sampel 1
Sampel 2
Sampel 3
Sampel 4
Sampel 5
Sampel Aquades
Percobaan KeKapasitansi Terukur LCR meter(nF) 1 3,221 2 3,221 3 3,186 4 3,200 5 3,194 1 2,334 2 2,355 3 2,419 4 2,602 5 2,580 1 2,340 2 2,334 3 2,253 4 2,111 5 2,205 1 2,437 2 2,333 3 2,330 4 2,422 5 2,355 1 2,420 2 2,422 3 2,370 4 2,411 5 2,377 Rerata Kapasitansi Percobaan (nF)
Rerata Kapasitansi Terukur(nF)
3,204
2,458
2,249
2,375
2,400
2,537
Pengujian Sensor
Sampel Aquades
Analisis Data Sensor
Material Etanol 96% Air
Konstanta Dielektrik 24,3 80,4
Pengujian Sensor
Sampel
Sampel Ke-
Sampel 1
1 2 3 4 5
Sampel Etanol 96%
Kapasitansi Terukur LCR meter (nF) 0,730 0,692 0,681 0,688 0,690
Rerata Kapasitansi Terukur (nF)
0,696
Pengujian Sensor
Sampel Etanol 96%
Analisis Data Sensor
Material Etanol 96% Air
Konstanta Dielektrik 24,3 80,4
Diagram Blok Sistem
PERANCANGAN OSILATOR
Perancangan Osilator Skematik Rangkaian
Perancangan Osilator Pembahasan Rangkaian Rancangan osilator mengeluarkan gelombang kotak (kompatibel dengan mikrokontroler)
Perancangan Osilator Pembahasan Rangkaian Rancangan osilator mampu menghasilkan gelombang dengan frekuensi dibawah rating (500kHz)
Udara memiliki εr terendah (εr = 1) Kapasitansi kabel terukur (LCR meter) = 0,078nF Kapasitansi kompensasi = 3,3nF
Pengujian Osilator No.
Sampel
1
Udara
2
Aquades 1
3
Aquades 2
Frekuensi Terukur Osiloskop (Hz) 458701 459224 459174 458855 459230 113777 114101 114340 113800 113980 86400 85992 86501 86388 86240
Diagram Blok Sistem
PERANCANGAN DRIVER POMPA
Perancangan Driver Pompa Skematik Rangkaian
100.00
96.08
92.16
88.24
84.31
80.39
76.47
72.55
68.63
64.71
60.78
56.86
52.94
49.02
45.10
41.18
37.25
33.33
29.41
25.49
21.57
17.65
13.73
9.80
5.88
1.96
Pengujian Driver Pompa Pengujian
160
140
120
100
80 9V
60 12V
40
20
0
100.00
96.08
92.16
88.24
84.31
80.39
76.47
72.55
68.63
64.71
60.78
56.86
52.94
49.02
45.10
41.18
37.25
33.33
29.41
25.49
21.57
17.65
13.73
9.80
5.88
1.96
Pengujian Driver Pompa Pengujian
120
100
80
60 9V
12V
40
20
0
Diagram Blok Sistem
PERANCANGAN SISTEM MIKROKONTROLER
Perancangan Sistem Mikrokontroler
Skematik Rangkaian
PERANCANGAN SOFTWARE
Diagram Blok Program Mikrokontroler
Diagram Blok
Diagram Blok Sistem
Algortima Pencacah Frekuensi
Diagram Blok
Algortima Pencacah Frekuensi
No
Duty Cycle Tes (%)
1
30
2
50
3
70
Frekuensi Tes (Hz) 101,38 1059,6 13527 105890 789000 101,38 1059,6 13527 105890 789000 101,38 1059,6 13527 105890 789000
Pengujian (1) Nilai Bacaan Frekuensi (Hz) 101 1060 13527 105890 789000 102 1060 13527 105890 789000 102 1061 13526 105887 789998
Galat (Hz) 0,38 0,4 0 0 0 0,62 0,4 0 0 0 0,62 1,4 1 3 2
Pengujian (2)
Algortima Pencacah Frekuensi
No.
Sampel
1
Udara
2
Aquades 1
3
Aquades 2
Frekuensi Terukur Osiloskop (Hz)
458701 459224 459174 458855 459230 113777 114101 114340 113800 113980 86400 85992 86501 86388 86240
Frekuensi Terukur ATmega16 (Hz)
458702 459225 459175 458856 459230 113778 114102 113340 113800 113980 86400 85992 86500 86389 86240
Galat (Hz)
1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0
Diagram Blok Sistem
Algortima f to %Etanol
Dilakukan karakterisasi sensor terhadap pelbagai konsentrasi etanol dalam aquades Jenis Sampel
f Osilator (kHz)
Jenis Sampel
f Osilator (kHz)
Aquades
135,600
50% Etanol
174,205
10% Etanol
142,501
60% Etanol
181,003
20% Etanol
149,587
70% Etanol
188,777
30% Etanol
158,307
80% Etanol
195,164
40% Etanol
166,259
90% Etanol
205,618
Kadar Etanol (%)
Algortima f to %Etanol
Frekuensi Osilator (Hz)
Algortima f to %Etanol
Hasil Konversi Kadar Etanol (%Etanol) Hasil Pencacahan Frekuensi setelah Kompensasi TDS Pelarut
Pengaruh TDS Terhadap Sensor Kapasitif Dilakukan percobaan pengukuran frekuensi osilator menggunakan sampel aquades dan aquabides dengan pelbagai nilai TDS. No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
TDS (ppm)
0,42 0,49 0,59 0,70 0,71 0,81 0,90 2,45 2,51 2,55 3,15 5,13 5,14 5,15 5,15
Frekuensi (kHz) 134,615 133,705 132,336 131,039 130,879 129,658 128,137 108,421 107,583 107,081 106,247 81,437 81,283 81,123 81,117
ΔTDS (ppm) 0,07 0,10 0,11 0,01 0,10 0,09 1,55 0,06 0,04 0,06 1,98 0,01 0,01 0
Δf (kHz) -0,910 -1.369 -1,297 -0,660 -1,221 -1,121 -19,716 -0,838 -0,502 -0,834 -24,810 -0,154 -0,160 -0,006
Pengaruh TDS Terhadap Sensor Kapasitif Dilakukan percobaan pengukuran frekuensi osilator menggunakan sampel larutan etanol dengan pelbagai kadar. Jenis Sampel
TDS Larutan (ppm)
Aquades
0,4
10% Etanol
0,4
20% Etanol
0,4
30% Etanol
0,4
40% Etanol
0,42
50% Etanol
0,42
60% Etanol
0,42
70% Etanol
0,43
80% Etanol
0,43
90% Etanol
0,43
Pengaruh TDS Terhadap Sensor Kapasitif Dilakukan percobaan pengukuran frekuensi osilator menggunakan sampel larutan etanol dengan pelbagai kadar.
Diagram Blok Sistem
KONTROLER PID
Algortima Kontroler PID
Diagram Blok
Tuning PID
Tuning konstanta PID dilakukan dengan menggunakan metode ziegler nichols 1 dengan dua jenis respon 0%Et-10%Et dan 20%Et10%Et
Tuning PID
0%Et-10%Et
Kadar Etanol (%Et)
GRAFIK RESPON PLANT
Respon Step Respon Plant Garis Singgung Inflection Point Garis Bantu
Waktu (s) Jenis Kontroler P PID
Kp
Ki 6,182 7,418
Kd 0 0,455
0 0,550
Tuning PID
20%Et-10%Et
Kadar Etanol (%Et)
GRAFIK RESPON PLANT
Respon Step Respon Plant Garis Singgung Inflection Point Garis Bantu
Waktu (s) Jenis Kontroler P PID
Kp
Ki 4,689 5,628
Kd 0 0,172
0 1,450
Tuning PID
Kadar Etanol (%)
Pengujian
Kadar Etanol (%)
Waktu (s)
Waktu (s)
PENGUJIAN ALAT
Pengujian Alat
Sampel Aquades Konsentrasi Terukur Sistem (%)
Konsentrasi Terukur Hidrometer (%)
Replikasi ke-
Replikasi keII III
Kondisi* I
II
III
IV
I
IV
Tidak Diaduk Sebelum Pencampuran Etanol
0
0
0
0
0
0
0
0
Diaduk Sebelum Pencampuran Etanol
0
0
0
0
0
0
0
0
Tidak Diaduk Setelah Pencampuran Etanol**
0
0
0
0
0
0
0
0
Diaduk Setelah Pencampuran Etanol**
0
0
0,07
0,24
0
0
0
0
Pengujian Alat
Set point (%) 10
20
30
40
Uji Kontrol Normal
Rise Time Konsentrasi Terukur Error (%) (s) Hidrometer (%) 38 10 0 35 10 0 37 10 0 71 20 0 75 20 0 68 20 0 126 30 0 113 29 3,33 132 30 0 178 40 0 181 40 0 194 42 5
Settling Time (s) 67 62 65 137 141 133 238 221 240 421 422 439
Uji Kontrol dengan Perubahan Set Point
Pengujian Alat Set point (%) 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50
Konsentrasi Terukur Hidrometer(%) 9 18 28 37,5 47 10 20 28 38 47 10 20 29,5 38 48
Error (%) 10 10 6,67 6,25 6 0 0 6,67 5 6 0 0 1,67 5 4
Rise Time (s) 24 41,5 42 66 104 36 41 49,5 69 112 36 45 48 67 108
Settling Time (s) 45 59 72 109 135 62 59 76 115 143 60 59 71 112 136
Pengujian Alat
Gangguan
Uji Kontrol dengan Gangguan
Konsentrasi Terukur (%)
Error (%)
50 ml Aquades
9
10
150 ml Aquades
10
0
300 ml Aquades
10
0
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
• Sensor kapasitif yang telah dirancang dapat menghasilkan nilai kapasitansi
yang berbeda untuk sampel larutan yang berbeda sebagai fungsi konstanta dielektrik relatif (εr) .
•
Peningkatan nilai TDS (total dissolved substance) aquades sebagai pelarut menyebabkan penurunan frekuensi osilator sensor sebesar 1200Hz pada
ΔTDS sebesar 0,1ppm . •
Penambahan etanol 96%pada aquades tidak menaikkan TDS larutan
secara signifikan karena tidak terjadi penambahan mineral atau senyawa logam.
Kesimpulan
•
Algoritma pencacah frekuensi yang dirancang mampu mendeteksi
perubahan frekuensi sebesar 1Hz dengan error maksimum 0,6%. • Konstanta PID berdasarkan Ziegler Nichols 1 untuk pompa etanol adalah 7,4(Kp), 0,45(Ki) dan 0,55(Kd); untuk pompa aquades adalah 5,63(Kp), 0,17(Ki) dan 1,45(Kd). • Sistem kontrol yang dirancang mampu menghasilkan dan menjaga konsentrasi larutan etanol dengan error hingga 10% pada tingkat konsentrasi uji 0%-50%.
Saran
• Penggunaan Gas Chromatography sebagai penyedia data
karakterisasi sensor terhadap pelbagai kadar etanol diluar penggunaan hidrometer. • Penggunaan motor pengaduk dengan kecepatan putar yang lebih tinggi untuk mempercepat homogenisasi larutan.
Dokumentasi • Pembuatan Etanol 10%.MOV • Pengujian Sistem Kontrol Kadar.MOV • Pembandingan Data.MOV
TE 091399
TERIMA KASIH
Pengujian Alat
Set point (%)
10
20
30
40
Pengaruh pH
Konsentrasi Terukur (%) 10 10 9 20 21 20 30 30 30 40 41 40
Error (%) 0 0 10 0 5 0 0 0 0 0 5 0
pH 6,96 6,96 6,89 6,91 6,95 6,9 6,87 6,88 6,86 6,65 6,72 6,63
[H+] 10-6,96 10-6,96 10-6,89 10-6,93 10-6,95 10-6,90 10-6,87 10-6,88 10-6,86 10-6,65 10-6,72 10-6,63
Konduktivitas (uS) 3,472 3,484 3,484 3,355 3,333 3,367 3,164 3,164 3,164 2,777 2,762 2,777
