PENGENDALIAN IONIZER UNTUK NETRALISASI UDARA BERPOLUTAN DALAM RUANGAN Yuda Indra Kurniawan*, Muhammad Rivai** Lab Elektronika Industri Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya * Email:
[email protected] ** Email:
[email protected]
Abstrak Ionizer adalah perangkat yang menghasilkan tegangan tinggi untuk mengionisasi molekul udara, sehingga terbentuk ion negatif. Ion negatif atau anion adalah partikel dengan satu atau lebih elektron, dan merupakan partikel bermuatan negatif murni. Efek tegangan tinggi pada ionizer juga dapat menghasilkan ozon (senyawa O 3 hasil reaksi O 2 dengan O radikal ) yang dalam konsentrasi tertentu dapat bermanfaat bagi kehidupan manusia, namun dalam konsentrasi yang relatif terlalu tinggi dapat berakibat sebaliknya. Untuk itulah maka penggunaan ionizer harus disesuaikan dengan kebutuhan, sehingga diperlukan suatu sistem kontrol sebagai pengendali dari fungsi ionizer. Untuk pengendalian ioniser ini akan digunakan pengontrolan dengan metode kontrol tertutup, sehingga memungkinkan terjadinya reaksi yang seimbang dengan masukan nilai polutan. Udara berpolutan dalam penelitian ini adalah udara dengan kandungan karbonmonoksida yang bermuatan ion positif cukup tinggi yang nantinya akan dinetralkan dengan ion negatif melalui proses ionisasi udara. Untuk monitoring kondisi udara akan digunakan sensor MQ7 dan MQ-131 yang sangat peka terhadap CO dan O 3 sebagai efek dari ionisasi. Kata kunci : Io nizer, controller, polutan, sensor CO, sensor O 3 .
Abstract Ionizer is a device that produces a high voltage to ionize air molecules, forming negative ions. Negative ions or anions are particles with one or more electrons, and negatively charged particles are pure. The effect of high voltage on the ionizer can also produce ozone (O 3 compound reaction products O 2 with O radikal ) which in certain concentrations can be beneficial to human life, but the concentration is too high relative to the opposite effect. For that reason, the use of an ionizer must be tailored to the needs, so we need a control system as the controller of the ionizer function. To control this ioniser will be used to control a closed control method, thus enabling a balanced reaction to the input value of pollutants. The pollutants air in this research is the carbon monoxide as the positively charged ions that will be neutralized by negative ions through the air ionization process. For monitoring air condition sensor will be used the MQ-7 and MQ-131 is very sensitive to CO and O 3 as the effects of ionization. Keywords: Ionizer, controller, pollutants, sensor CO, sensor O 3 . I. PENDAHULUAN Udara yang sehat merupakan kebutuhan semua manusia untuk menunjang kesehatan tubuh sehingga dapat beraktifitas dengan kondisi tubuh yang bugar, serta secara tidak langsung bisa meningkatkan semangat kerja. Udara di
sekitar kita mengandung banyak ion positif dan negatif. Ion-ion ini terbentuk secara alamiah akibat radiasi dari sinar kosmik, gelombang elektromagnetik, sinar matahari, cahaya lampu, air terjun dan sebagainya dengan adanya friksi atau gesekan yang terjadi di udara. Pencemaran udara adalah suatu kondisi dimana kualitas udara menjadi rusak dan terkontaminasi oleh zat-zat, baik yang tidak berbahaya maupun yang membahayakan tubuh manusia. Orang yang berada di dalam ruangan akan menghirup lebih banyak polutan dibandingkan orang yang berada di luar ruangan karena polutan akan terakumulasi dengan konsentrasi yang semakin pekat. Kadar karbonmonoksida yang belum stabil dapat dinetralisir dengan mengikatkan ionion negatif dalam molekulnya. Partikelpartikel polutan yang berasal dari asap kendaraan bermotor dan industri, debu dan asap rokok yang bermuatan positif akan bereaksi saling tarik-menarik dengan ion negatif di udara dan menggumpal jatuh ke lantai. Sebenarnya kadar CO di udara dapat dikurangi melalui penanaman pohon pada tanah langsung, karena penanaman pohon ini dapat menggerakkan aktivitas mikroorganisme dalam tanah. Mikroorganisme inilah yang mampu dengan cepat menghilangkan CO di udara. Namun penanaman pohon juga tidak bisa dilakukan di setiap sudut tempat dan ruang, sehingga dibutuhkan suatu alat yang bisa membangkitkan elektron di udara. Untuk itu kita memerlukan peralatan seperti halnya pembangkit ion negatif atau ion generator atau ionizer. Secara umum, ionizer ini bekerja secara statis, artinya jumlah ion yang dihasilkan tetap meskipun kadar polutan sudah berkurang atau meningkat. Namun ionizer disini harus dikendalikan pemanfaatannya karena jika ion negatif ini bereaksi dengan Oksigen (O 2 ) akan membentuk Ozon (O 3 ) yang tentunya, dalam kadar yang tinggi, relatif berbahaya terutama bagi sistem pernafasan manusia.
Tabel 1. Batas ambang kadar CO dan O 3 di udara[1]
Oleh karena itu perlu dibuat suatu kontroller untuk mengendalikan laju ionizer ini. Kontroller dalam penelitian di sini akan diimplementasikan agar dapat menghasilkan ion negatif serta pembentukan ozon di udara yang ideal untuk kebutuhan manusia dan lingkungan sesuai dengan nilai ambang batas (NAB) yang ditentukan oleh Badan Standardisasi Nasional (BSN) maupun standart Internasional USEPA/NAAQS. Tabel 1. menunjukkan batas ambang konsentrasi CO dan O 3 yang diperbolehkan oleh standart Internasional USEPA/NAAQS. II. DASAR TEORI 2.1. Ionizer car JO-622 Keberadaan ionizer dalam penelitian ini adalah sebagai plant utama untuk pengendalian kondisi udara. Adapun ionizer yang digunakan ialah jenis car ionizer dengan tipe JO-622. Spesifikasi dari ionizer[2] tersebut adalah sebagai berikut:
Quick Details Power Source : Electrical Certification : CE, RoHS, FOC, Patent Place of Origin : Guangdong China (Mainland) Brand Name : Ionkini Technology (GZ) Co., Ltd Type : Electronic Product Model Number : JO-622 Installation : Mini Product : Air Ionizer Dimension : Ξ¦22 x 88 (mm) Weight : 33 gram Power Source : DC 12 V Power : 0,8 W Negative Ion : 2300000 pcs/m3 O 3 : < 0,02 ppm Sumber : Ionkini Technology Co.,Ltd,
Gambar 2. Struktur sensor MQ-131 [4]
Gambar 1. Ionizer car JO-622 Terjadinya ionisasi berawal dari loncatan muatan listrik pada ionizer[3]. Pada dasarnya ionizer yang digunakan pada penelitian ini bersifat statis, artinya ionizer akan terus bekerja selama masih ada supply tegangan yang melewatinya walaupun kadar polutan di sekitarnya telah berkurang. Gambar 1. menunjukkan bentuk fisik dari Ionizer car JO-622. 2.2. Sensor MQ-131 Sensor ozon yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah tipe MQ-131 yang memiliki range pengukuran antara 10 ppb2 ppm. Materi dari sensor gas MQ-131 adalah Tin-Oxide (SnO 2 ), materi tersebut dilindungi oleh plastik dan heater coil yang terbuat dari stainless steel. Heater coil sebagai masukan supply tegangan yang dibutuhkan sensor. Sensor ini memiliki 6 pi n, 4 pi n digunakan untuk mengambil sinyal, dan 2 lainnya digunakan untuk masukan supply sensor. Sensor gas MQ-131 memiliki sensititas tinggi terhadap Ozon. Struktur dan konfigurasi dari sensor gas MQ-131 ditunjukkan pada Gambar 2. Sedangkan Gambar 3. menunjukkan perbedaan nilai resistansi sensor MQ-131 pada berbagai jenis dan konsentrasi gas.
Gambar 3. Karakteristik sensitivitas MQ131 [4] Bila menggunakan sensor ini, penyesuaian sensitivitas sangat diperlukan. Disarankan untuk kalibrasi sensor adalah pada 50 ppb O 3 di udara dan menggunakan nilai resistansi beban (RL) sekitar 100 KΞ©. Untuk akurasi pengukuran, titik pengukuran sensor gas harus ditentukan secara tepat. Gambar 3. menunjukkan karakteristik sensitivitas sensor MQ-131, sumbu Y adalah rasio resistensi dari sensor (Ro/Rs), sumbu X adalah konsentrasi gas. Rs berarti nilai resistansi pada gas yang berbeda, Ro berarti resistansi sensor pada 50 ppm. Semua pengujian dilakukan pada kondisi lingkungan standart. 2.3. Sensor MQ-7 Materi sensitif dari sensor gas MQ-7 adalah SnO 2 , dengan konduktivitas rendah pada saat udara bersih. Sensor ini memungkinkan mendeteksi dalam siklus V Heater tinggi dan rendah (V H = 1,5 β 5V). Konduktivitas sensor akan semakin tinggi seiring dengan meningkatnya konsentrasi gas. Sensor gas MQ-7 memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap karbonmonoksida.
Gambar 4. Struktur dan konfigurasi sensor MQ-7 [5]
amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Dengan kata lain, frekuensi gelombangnya adalah konstan (tetap) namun duty cycle bervariasi (antara 0% hingga 100%) menurut amplitudo sinyal aslinya. Gambar 6. menunjukkan variasi duty cycle sinyal PWM. Karena hanya ada 2 kondi si amplitudo sinyal PWM (yaitu Low dan High) maka dapat juga dikatakan bahwa sinyal PWM adalah sinyal yang informasinya terletak pada lebar pulsa. (1) (2)
ππππππππππππ = ππππππ + ππππππππ ππππππ π·π· = ππππππππππππ ππππππ
ππππππππ = π₯π₯π₯π₯π₯π₯π₯π₯ (3) ππππππππππππ Ton = waktu pulsa high Toff = waktu pulsa low D = dutycycle (lamanya pulsa high tiap 1 periode)
Gambar 5. Karakteristik sensitivitas MQ-7 [5] Sensor ini dapat digunakan untuk berbagai aplikasi dalam mendeteksi CO dan dengan harga yang relatif rendah. Struktur dan konfigurasi sensor gas MQ-7 ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 5. menunjukkan karakteristik sensitivitas dari MQ-7, sumbu Y adalah rasio resistansi dari sensor (Rs/Ro), sumbu X adalah konsentrasi gas. Rs berarti nilai resistansi sensor pada gas yang berbeda, Ro berarti nilai resitansi dari sensor di 1000 ppm.
Dari persamaan di atas diketahui bahwa perubahan duty cycle akan merubah tegangan keluaran atau tegangan rata-rata. Gambar 7. menunjukan perubahan tegangan DC rata-rata terhadap perubahan duty cycle. Periode tetap
Vo
T on W1
T off W3
T total W2
0 T
3T
2T Waktu (T)
Gambar 6. Sebuah gelombang PWM[6] Vdd
(a)
Vdd
(b) Duty cycle 50%
Duty cycle 20%
2.4. Sistem Kontrol Sistem kontrol yang digunakan di sini mampu menyesuaikan dan mengendalikan ionizer tanpa intervensi manusia.
0
0
DC rata-rata
DC rata-rata Vss
Vss T
T
(c) Vdd DC rata-rata
2.4.1.Pulse Width Modulatio (PWM) Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi dasar yang tetap, namun lebar pulsanya bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan
0 Duty cycle 75% Vss T
Gambar 7. Tegangan rata-rata suatu PWM[6]
2.4.2. Logika Fuzzy Pada sistem logika fuzzy di sini memiliki dua input, yang pertama adalah nilai error yang merupakan selisih antara nilai yang terdeteksi sekarang dengan nilai set point atau target, yang kedua adalah nilai delta error yang merupakan nilai error yang terdeteksi sekarang dikurangi nilai error sebelumnya. Atau bisa dikatakan, masukan ke kontroller adalah kesalahan e dan perubahan kesalahan de. Nilai error yaitu ππ(π‘π‘) , dapat dicari dengan Persamaan 4 sebagai berikut : ππ(π‘π‘) = π₯π₯ππππππππππππ β π₯π₯π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘ (4) Sedangkan delta error adalah selisih error saat ini, ππ(π‘π‘) dengan error sebelumnya ππ(π‘π‘β1) yang dapat ditulis dengan Persamaan 5 berikut : ππππ = ππ(π‘π‘) β ππ(π‘π‘β1) (5) Nilai-nilai error dan delta error serta output PWM kemudian dimasukkan dalam basis aturan fungsi keanggotaan (membership function). Membership function dari nilai error dan delta error serta output PWM ditunjukkan pada Gambar 8.(a),(b), dan (c). Dari membership function ini akan didesain rule-rule keanggotaan dengan aturan yang terdapat pada Gambar 9. Secara umum aturan fuzzy dengan dua input dan satu ouput dapat mengimplementasikan hubungan fungsi AND[7]. Rule (i) ο if X i is A i ANDβ¦AND X n is A n then Y is C i
Gambar 9. Rule base system III. DESAIN SISTEM Desain sistem disini bertujuan untuk menjawab rumusan masalah yang telah disebutkan pada bab I, yaitu penggunaan kontroller untuk mengatur laju ionizer sehingga dimungkinkan sebanding dengan input deteksi konsentrasi karbonmonoksida (CO) dan Ozon (O 3 ) yang ada. Sensor karbonmonoksida (CO) akan mendeteksi konsentrasi polutan dan akan menjadi parameter utama bagi aktivitas ionizer yang membangkitkan ion-ion negatif di udara untuk mengurangi konsentrasi polutan berupa CO, sedangkan sensor Ozon (O 3 ) akan mendeteksi konsentrasi ozon yang sempat terbentuk karena pengikatan O 2 dengan O radikal yang dalam konsentrasi tinggi dapat membahayakan sistem pernafasan manusia. Blok kontrol sistem dapat dilihat pada Gambar 11.
Keterangan : P1 S1 S2
Gambar 8. Membership function (a) error (b) delta error (c) pwm
= Plant Ionizer = Sensor O3 = Sensor CO
DS = Display (LCD) V1 = Ventilasi ruang
Gambar 10. Miniatur ruang simulasi penelitian
SET POINT SET POINT
+
-
SENSOR O3
e(t) -
+ -
Z-1
de
Fuzzy Logic Controller
PWM
DRIVER
IONIZER
e(t-1)
SENSOR CO
Gambar 11. Blok kontrol system
Gambar 12. di atas menunjukkan bentuk ruangan yang didesain untuk percobaan pada penelitian. Ruang percobaan berbentuk persegi dengan ukuran 50cm x 50cm. Gambar 13. menunjukkan bentuk ruangan untuk pengambilan data awal untuk mendapatkan nilai respon sensor terhadap konsentrasi gas. Dalam ruangan ini terdapat dua buah ionizer seperti yang dijelaskan pada bab II dan terdapat sensor MQ-131 maupun MQ-7. 4.1. Pengujian sensor MQ-131 Pengujian sensor disini dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik sensor serta mencari nilai keluaran sensor. Pengujian didasarkan pada respon deteksi sensor terhadap konsentrasi karbonmonoksida (CO) dan ozon (O 3 ) di udara dalam ruang uji. 4 2 0 1 83 165 247 329 411 493 575 657 739 821 903 985 1067 1149 1231
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Sebelum melakukan kegiatan pengambilan data perlu dipersiapkan beberapa perangkat pendukung. Salah satu perangkat keras yang harus dipersiapkan adalah ruang simulasi sebagai media penampung udara untuk pengukuran konsentrasi gas baik CO maupun O 3 .
Gambar 13. Ruang pengambilan data awal
Tegangan
Ilustrasi miniatur ruang simulasi penelitian ditunjukkan pada Gambar 10. Penempatan kedua sensor berada pada jarak cukup berjauhan yang bertujuan untuk memaksimalkan kerja sistem secara keseluruhan. Sensor karbonmonoksida ditempatkan lebih jauh dari ionizer agar pendeteksian CO tidak hanya dilakukan pada area di sekitar ionizer, sedangkan sensor Ozon ditempatkan berdekatan dengan ionizer karena pada area dekat ionizer sangat dimungkinkan terjadi pembentukan Ozon lebih cepat bahkan mungkin memiliki konsentrasi Ozon lebih tinggi dibandingkan area lain.
Waktu (s)
Gambar 14. Grafik respon MQ-131 4
Tegangan
2 0 1 62 123 184 245 306 367 428 489 550 611 672 733 794 855 916
+
Waktu (s)
Gambar 12. Ruang percobaan
Gambar 15. Grafik respon MQ-7
4.2. Pengujian PWM Grafik pada Gambar 16. dan Gambar 17. menunjukkan respon aplikasi perubahan duty cycle PWM pada supply ionizer sehingga diperoleh deteksi sensor MQ-131 seperti yang terlihat pada grafik. 2 0 1 64 127 190 253 316 379 442 505 568 631 694 757 820 883
tegangan
4
waktu (s)
Gambar 16. Grafik respon dengan PWM 50%
4
tegangan
2 0 1 41 81 121 161 201 241 281 321 361 401 441 481 521 561
Pengamatan terhadap respon keluaran sensor dimaksudkan untuk mengetahui apakah ada perubahan tegangan keluaran sensor terhadap kadar CO dan O 3 sebagai indikator terdeteksinya konsentrasi gas. Sedangkan untuk respon sensor terhadap waktu dimaksudkan untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan sensor untuk mencapai nilai saturasi pada saat kondisi awal sensor diaktifkan. Sebelum semua hal di atas dilakukan, hal yang terpenting yang harus dilakukan adalah mencari nilai saturasi sensor terhadap udara terbuka, dengan tujuan untuk melakukan kalibrasi. Grafik pada Gambar 14. dan Gambar 15. menunjukkan respon sensor MQ-131 dan MQ-7 untuk mencapai nilai saturasi sebagai kondisi awal sensor saat diaktifkan serta deteksi sensor terhadap gas. Saat mendeteksi adanya kandungan O 3 di udara Rs pada sensor MQ-131 akan naik seiring besar konsentrasi O 3 yang terdeteksi, hal itu mengakibatkan tegangan output sensor akan mengalami penurunan yang terlihat mulai detik ke-553. Sedangkan pada sensor MQ-7 nilai Rs akan berkurang seiring besar konsentrasi CO yang terdeteksi hal itu mengakibatkan tegangan output sensor akan mengalami kenaikan yang terlihat mulai detik ke-141. Grafik tersebut seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. dan Gambar 5.
waktu (s)
Gambar 17. Grafik respon dengan PWM 100% Dengan duty cycle PWM 50% terbaca tegangan keluaran pada sensor berhenti di antara 0,5 β 1 volt yang mengindikasikan pembentukan ozon sebagai efek dari ionisasi tidak mencapai nilai maksimal dari range pembacaan sensor. Sedangkan dengan duty cycle PWM 100% cenderung lebih maksimal, sensor MQ-131 mendeteksi adanya konsentrasi ozon yang lebih tinggi daripada percobaan sebelumnya. Tegangan keluaran sensor menunjukkan respon deteksi hingga 0 volt yang berarti konsentrasi ozon yang ada bisa mencapai nilai maksimal range pembacaan sensor. Percobaan terhadap dutycycle PWM tersebut dilakukan dengan dua buah ionizer. 4.3. Pengujian Fuzzy system Desain rule base yang telah dibuat akan dijadikan acuan proses evaluasi rule. Pada desain ini evaluasi rule menggunakan metode Mamdani (Max-Min Implication Methode) dimana dicari nilai minimum dari derajat keanggotaan kedua input Β΅_A(x) dan Β΅_B(y) yang dinyatakan dengan Persamaan 6 : ππππππππππ[ππ] = πππππποΏ½πππ΄π΄ (π₯π₯), πππ΅π΅ (π¦π¦)οΏ½
(6)
Nilai-nilai yang didapat dari proses tersebut digunakan sebagai nilai maksimum dari Output Membership Function (OMF). Proses terakhir adalah defuzzyfikasi untuk mengubah variabel fuzzy menjadi variabel numerik, dalam hal ini adalah nilai duty cycle PWM dari supply yang akan diberikan pada ionizer. Metode yang digunakan adalah Center Of Area (COA) yaitu mencari nilai tengah dari luasan yang terbentuk pada proses
evaluasi rule. Hasil proses defuzzifikasi pada dutycycle PWM supply ionizer ditunjukkan pada Tabel 2., input A adalah representasi nilai masukan error dan input B adalah representasi nilai masukan delta error. Tabel 2. Data pengujian fuzzy system
Data ke1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Input A
Input B
1 2 3 5 6 9 10 8 11 7 6 7 10 15 17 12 10 7 5 4 3 2 1 1 1 5 7 10 11 8 5 3 2 1 1
1 1 1 2 1 3 1 -2 3 -4 -1 1 3 5 2 -5 -2 -3 -2 -1 -1 -1 -1 0 0 4 2 3 1 -3 -3 -2 -1 -1 0
Dutycycle PWM (%) 24,370 24,370 24,370 25,065 32,376 52,600 70,141 47,083 67,073 39,522 32,085 39,733 64,966 73,333 79,683 77,244 73,333 39,522 23,694 23,694 23,694 23,694 23,694 23,694 23,694 24,370 40,333 64,966 71,873 47,083 23,694 23,694 23,694 23,694 23,694
V. KESIMPULAN Aplikasi sensor MQ-131 dan sensor MQ-7 untuk implementasi penetralan udara berpolutan telah dapat mendeteksi adanya konsentrasi ozon (O 3 ) dan karbonmonoksida (CO) di udara. Pengaturan duty cycle PWM pada supply ionizer, yang berfungsi sebagai plant utama dalam penelitian ini, juga telah memberikan efek respon berbeda pada pembacaan ozon. Sehingga dengan kombinasi tersebut bisa diterapkan suatu sistem kontrol penetralan udara yang efektif.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
DAFTAR PUSTAKA www.epa.gov/air/criteria.html, update 31 Mei 2012. Ionkini Technology (GZ) Co., Ltd. β β, Room 402, TongYong Building, DaShi, PanYu, GuangZhou, GuangDong, China P.R., China 511430. Noras M.A., Pritchard D., βIon Imbalances on an ionizer-controlled work surfaceβ, Journal of Electrostatics, vol.64, Page 210-215, 2006. Henan Hanwei Electronics Co.Ltd. βMQ-131 Semiconductor Sensor for Ozoneβ, No.169 Xuesong Road,National&High Tech Zone,Zhengzhou, China. 1998(b). Henan Hanwei Electronics Co.Ltd. βMQ-7 Semiconductor Sensor for Carbon Monoxideβ, No.169 Xuesong Road,National&High Tech Zone,Zhengzhou, China. 1998(a). Slamet M.B., βPengembangan perangkat pelatihan pembangkit Pengembangan perangkat pelatihan pembangkit sinusoidal metode PWM dan modulasi 16 mode ideal (1 sinus untuk 3-bit)β, Universitas Indonesia, Hal 23-31, 2009. Lu Yi-Yu, Sheh Cheng-Shion, Hung Rong-Ting, βAn improvement on the digital redesign method using fuzzy
PWM controllerβ, Journal of Process Control, vol.20, Page 709-715, 2010.