PENGENDALIAN IONIZER UNTUK NETRALISASI UDARA BERPOLUTAN MENGGUNAKAN LOGIKA FUZZY YUDA INDRA KURNIAWAN / 2211204005 Pembimbing : DR. MUHAMMAD. RIVAI, ST.,MT. Electrical Engineering ITS - Surabaya
Abstrak Proses ionisasi udara terjadi pada saat atom atau molekul mendapat atau melepaskan elektron. Ionizer atau Ozone Generator menghasilkan medan listrik tegangan tinggi yang mampu memberikan energi ionisasi melalui elektron bebas yang bertumbukan dan bereaksi dengan molekul-molekul oksigen sehingga menjadi ozon. Melalui proses ionisasi itu pula dimungkinkan terjadi reaksi kimia elektron bebas dengan molekulmolekul lain yang termasuk pada golongan polutan di udara sehingga kandungan polutan menjadi berkurang. Namun di sisi lain, Ozone Generator yang bekerja secara statis juga dapat menghasilkan ozon dalam konsentrasi relatif tinggi yang berdampak negatif terhadap sistem pernafasan. Untuk itulah maka penggunaan Ozone Generator harus disesuaikan dengan kebutuhan, sehingga dibutuhkan suatu kontroller sebagai pengendali. Kontroller tersebut akan diimplementasikan pada Ozone Generator sehingga dihasilkan pembentukan ozon di udara yang ideal untuk kebutuhan manusia dan lingkungan sesuai dengan nilai ambang batas (NAB) yang ditentukan oleh Badan Standardisasi Nasional (BSN). Dalam penelitian ini mengaplikasikan suatu ruang simulasi pengujian yang memungkinkan sistem dapat bekerja dengan baik. Pada sistem pengendali Ozone Generator akan digunakan metode kontrol tertutup menggunakan logika fuzzy, sehingga memungkinkan terjadinya reaksi yang seimbang dengan masukan nilai polutan. Udara berpolutan dalam penelitian ini adalah asap pembakaran obat nyamuk yang mengandung karbonmonoksida dan amonia cukup tinggi yang nantinya akan dinetralkan melalui proses ionisasi udara. Untuk monitoring kandungan karbonmonoksida dan amonia digunakan sensor MQ-7 dan MQ-135, serta sensor MQ-131 yang sangat peka terhadap kandungan ozon. Hasil pengujian menunjukkan dibutuhkan waktu 40 menit untuk menetralkan konsentrasi CO sebesar 269 ppm menjadi 187 ppm dan NH3 sebesar 100 ppm menjadi 82 ppm. Sedangkan pada saat konsentrasi CO sebesar 348 ppm dan NH3 127 ppm dibutuhkan waktu 54 menit untuk menetralkan CO menjadi 218 ppm dan NH3 menjadi 87 ppm. Kata kunci : Ionisasi, ozon, karbomonoksida, amonia, logika fuzzy.
Pendahuluan • • • • •
• • •
Asap obat nyamuk bakar dikategorikan sbg sumber polusi udara dlm ruangan (DepKes RI, 2008) Obat nyamuk bakar mengandung sejumlah polutan dalam bentuk gas, seperti : CO,CO2,NO,NO2, dan NH3 (Nahsihah dlm Yunda, 2010). Efek NH3 pd sistem pernafasan : iritasi hidung & tenggorokan, edema tenggorokan, penyakit paru kronik, batuk, asma (Brashier.et al. dlm Yunda,2010). Sedangkan Ozon sendiri pada dasarnya berbahaya karena sifatnya yang radikal. Sebenarnya kadar CO di udara dapat dikurangi melalui penanaman pohon pada tanah langsung karena pohon dapat menggerakkan aktivitas mikroorganisme dalam tanah. Namun penanaman pohon juga tidak bisa dilakukan di setiap sudut tempat. Ozone Generator bekerja secara statis (Ferry, 2010) Mengacu pada batas ambang standart konsumsi ozon, sehingga pemanfaatannya harus dikendalikan. Hasil dari penelitian ini dapat digunakan sebagai acuan pada aplikasi perangkat pengkondisi udara dalam ruangan maupun aplikasi lain yang bermanfaat.
Sumber : Badan Standarisasi Nasional, 2005
Perumusan Masalah Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah: Bagaimana mengimplementasikan Ozone Generator untuk menetralkan udara berpolutan yang dalam penelitian ini disimulasikan dengan kandungan CO, NH3, dan asap. Bagaimana menerapkan logika fuzzy dalam mengendalikan laju ionisasi dari efek Ozone Generator sehingga diperoleh kinerja sistem yang stabil. Bagaimana desain ruang simulasi pengujian yang sesuai untuk mengetahui kinerja dari sistem.
Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini antara lain : Sensor yang digunakan untuk mendeteksi udara berpolutan merupakan jenis sensor gas MQ-131, MQ-7, MQ-135, dan Smoke Alarm. Ruang pengujian merupakan ruang berukuran 0,5 x 0,5 x 0,5 meter, dengan ventilasi yang dilengkapi fan 12 Vdc, untuk membersihkan ruang pengujian dari kandungan CO dan Ozon. Tugas yang dilakukan dalam ruang simulasi pengujian adalah mendeteksi kadar CO dan NH3 yang berlebih kemudian mengaktifkan Ozone Generator untuk menetralkannya sampai diperoleh NAB seperti yang ditentukan oleh BSN. Konsentrasi gas lain dalam ruang pengujian diabaikan.
Maksud dan tujuan Maksud dan tujuan penelitian ini adalah: Mengimplementasikan Ozone Generator untuk menetralkan kandungan polutan, serta menghindari terbentuknya Ozon yang terlalu tinggi. Menerapkan logika fuzzy dengan input berdasarkan kondisi udara dalam ruang simulasi, yang bertujuan untuk mengendalikan laju ionisasi dari Ozone Generator sehingga diperoleh kinerja sistem yang stabil. Mendesain ruang simulasi pengujian yang sesuai untuk mengetahui kinerja dari sistem.
Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah dengan dihasilkannya suatu sistem yang stabil dalam pengendalian Ozone Generator untuk pemanfaatan netralisasi udara berpolutan, sehingga efektif diaplikasikan sebagai pengkondisi udara untuk keperluan rumah tangga, keperluan industri, dan utamanya untuk keperluan di bidang kesehatan.
Dasar Teori • •
Proses ionisasi udara terjadi pada saat atom atau molekul mendapat atau melepaskan elektron. Persamaan reaksi kimia dari oksigen menjadi ozon ditulis dalam persamaan :
O2 + O*n
O3
CO + O*n
CO2
(Kris T.B. dkk)
Dasar Teori
Sensor MQ-131
Sensor MQ-131 dapat diaplikasikan dg rangkaian sederhana untuk memperoleh nilai resistansi sensor (Rs). Grafik di samping menunjukkan besarnya nilai resistansi pada sensor, kemudian nilai resistansi ini diseri dg resistansi RL, melalui metode voltage divider dpt diperoleh nilai Vout.
Vout =
RL xVin Rs + RL
Dasar Teori
Sensor MQ-7
Dengan prinsip yg sama dg sensor MQ-131, namun dg konduktivitas sensor yang semakin tinggi seiring dg meningkatnya konsentrasi gas CO. Untuk mendapatkan nilai Vout diperoleh dg metode voltage divider. Vout =
RL xVin Rs + RL
Dasar Teori
Sensor MQ-135
Dengan prinsip yg sama dg sensor MQ-131, namun dg konduktivitas sensor yang semakin tinggi seiring dg meningkatnya konsentrasi gas NH3. Untuk mendapatkan nilai Vout diperoleh dg metode voltage divider.
RL Vout = xVin Rs + RL
Dasar Teori Ozone Generator •
Terjadinya ionisasi berawal dari loncatan muatan listrik pada ionizer. Pada dasarnya ionizer yang digunakan pada penelitian ini bersifat statis, artinya ionizer akan terus bekerja selama ada supply tegangan yang melewatinya walaupun kadar polutan di sekitarnya telah berkurang. Application:
Dryer Laundry room Bathroom Model:3.5g - AC220V Dishwasher Weight:0.5kg Refrigerator Power Supply Electronic shoe cabinet Dimension:145*58*48mm Air purifier Ozone-Ceramic Plate Eliminates odors Dimensions:112*50mm Freshens stale air Ozone Output:3500mg/h Destroys airborne microbel Feeding: Air or oxygen Water dispensers Purification area:115M³ Air cleaner purifying rate:99.99% Greenhouse vegetable POWER:50HZ (Adjustable) growing Runing hour:60min—120min Home appliances and equipment DESCRIPTION:
Dasar Teori •
Fuzifikasi
•
Rule Based
•
• Algoritma Kontrol Fuzzy Logic
Defuzzifikasi
14
Dasar Teori PWM
• Amplitudo dan frekuensi tetap • Lebar pulsa (dutycycle) bervariasi (0% - 100%) • Perubahan dutycycle akan merubah tegangan keluaran atau tegangan rata-rata Periode tetap Vdd
(a)
Vo
Vdd
(b) Duty cycle 50%
Duty cycle 20%
T on W1
T off
0
0 DC rata-rata
W3
T total
DC rata-rata
W2
Vss
Vss T
T
0 T
2T
3T
(c)
Vdd
Waktu (T)
Ttotal = Ton + Toff Ton Ttotal Ton Vout = xVin Ttotal D=
DC rata-rata
0 Duty cycle 75% Vss T
Metodologi Blok diagram keseluruhan sistem
Metodologi Blok Kontrol SET POINT +
SET POINT
-
SENSOR O3
e(t) +
-
+ -
Z-1
de
Fuzzy Logic Controller
PWM
DRIVER
IONIZER
e(t-1)
SENSOR CO
• • •
Masukan ke kontroller adalah nilai error (e) dan delta error (de) Nilai error dapat dicari dengan persamaan berikut : e(t)= Xactual - Xtarget Sedangkan nilai delta error (de) adalah selisih antara error saat ini dengan error sebelumnya, dapat ditulis dengan persamaan : de(t) = e(t) - e(t-1)
Metodologi Desain Sistem Keterangan : PI = Plant ionizer S1 = Sensor CO S2 = Sensor O3 Fan = Kipas (ventilasi) BC = Blok Kontrol
MQ-7(CO) dan MQ-135(NH3) akan mendeteksi konsentrasi polutan dan akan menjadi parameter utama bagi aktivitas ionizer untuk mengurangi konsentrasi polutan berupa CO dan NH3, sedangkan MQ-131 (O3) akan mendeteksi konsentrasi ozon yang sempat terbentuk karena pengikatan O2 dengan Oradikal dan akan menjadi parameter pendukung untuk kendali ionizer agar konsentrasi ozon yang terbentuk tidak melebihi nilai ambang batas. Penempatan ketiga sensor diletakkan berdekatan yang bertujuan untuk memaksimalkan kerja sistem secara keseluruhan. Ketiga sensor akan mendeteksi konsentrasi gas masingmasing pada satu titik acuan yang merepresentasikan kondisi udara dalam ruangan.
Metodologi Ilustrasi Ruang Pengujian
1. Deteksi kadar CO, NH3, dan O3 2. Mengatur dutycycle supply generator 3.Keseimbangan laju ionizer untuk netralisasi CO dan NH3 serta kadar O3 yang terbentuk
Metodologi Desain Denah sistem hardware
Metodologi Algoritma Kontrol Fuzzy
Metodologi Contoh perhitungan algoritma Kontrol Fuzzy
Perancangan Sistem Desain Ruang pengujian
Smoke detector
Fan ventilator Ceramic plate
Sensor gas
Perancangan Sistem Sensor MQ-7, MQ-131, dan MQ-135 MQ-135
MQ-7
MQ-131
Perancangan Sistem Denah Hardware Rangkaian Pengendali
Perancangan Sistem Software Program Kontrol dan Monitoring
Perancangan Sistem Sistem Keseluruhan
Hasil dan Analisa Data Sensor MQ-131 Nilai ADC
Vout sensor (V)
Resistansi Sensor (KΩ)
449
2.2
256.12
466
2.3
239.48
504
2.5
206.35
590
2.9
147.12
667
3.3
107.05
726
3.5
82.09
759
3.7
69.83
779
3.8
62.9
792
3.9
58.59
804
3.9
54.73
807
3.9
53.78
818
4.0
50.37
829
4.1
47.04
250
838
4.1
44.39
200
839
4.1
44.1
Pengujian Sensor Gas MQ-131
Vout = (ADC /1024) x 5
Konsentrasi ozon
Kadar ppb =
x max ppb
150 100 50 0 2.1
2.1
2.1
2.1
2.1
2.1
2.1
2.1
2.1
2.2
2.2
2.2
2.2
Tegangan output sensor
2.2
2.3
2.5
2.9
3.3
3.5
3.7
3.8
Hasil dan Analisa Data Sensor MQ-7
Pengujian Sensor Gas MQ-7 Vout = (ADC /1024) x 5
Konsentrasi CO
Kadar ppm =
x max ppm
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1.1
1.4
1.7
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.3
Nilai ADC
Vout Sensor (V)
Resistansi Sensor (KΩ)
228
1.1
174.56
294
1.4
124.15
347
1.7
97.55
387
1.9
82.30
413
2.0
73.97
432
2.1
68.52
444
2.2
65.32
464
2.3
60.34
476
2.3
57.56
492
2.4
54.07
502
2.5
51.99
519
2.5
48.65
530
2.6
46.60
541
2.6
44.64
549
2.7
43.26
555
2.7
42.25
2.4
Tegangan Output Sensor MQ-7
2.5
2.5
2.6
2.6
2.7
2.7
Hasil dan Analisa Data Sensor MQ-135
Pengujian Sensor Gas MQ-135
Nilai ADC
Vout Sensor(V)
Resistansi sensor(KΩ)
294
1.44
124.15
295
1.44
123.56
293
1.43
124.74
300
1.46
120.67
308
1.45
121.01
295
1.44
123.56
310
1.51
115.16
309
1.51
115.7
406
1.98
76.11
120
608
2.97
34.21
100
659
3.22
27.69
80
679
3.32
25.41
60
687
3.35
24.53
Vout = (ADC /1024) x 5
Konsentrasi Amonia
Kadar ppm =
x max ppm
40 20 0 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.5 1.6 1.4 1.5 1.5 2.0 3.0 3.2 3.3 3.4
Tegangan Output Sensor MQ-135
Hasil dan Analisa Pengujian Smoke Detector 120
Tegangan sensor
100 80 60 40 20 0 1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
Data ke-
Perubahan tegangan output terjadi saat ada asap yang terdeteksi, pancaran cahaya led yang diterima photodiode menyebabkan perubahan tegangan output. Respon perubahan tegangan tersebut terbentuk karena pendeteksian asap oleh smoke detector juga dipengaruhi kondisi udara yang bergerak keluar masuk chamber detector, namun kondisi tersebut sudah dapat merepresentasikan adanya kumpulan asap di sekitar ruang pengujian.
Hasil dan Analisa Pengujian Fuzzy Sistem
Error 36 = big 1 D. Error -4 = Negatif 0,75 Zero 0,25
High 0,75 V. High 0,25 2,55 detik
Hasil dan Analisa Pengujian beberapa variasi pengaktifan ozon generator
Hasil dan Analisa Pengujian penetralan polutan tanpa kontroller
Hasil dan Analisa Pengujian keseluruhan sistem pada beberapa variasi
Hasil dan Analisa Pengujian Sistem Keseluruhan 450 400 350
Konsentrasi Gas
300 250
CO
200
O3
150
NH3
100
Asap
50 0 1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69
Data ke-
Asap diinjeksikan selama 2 menit mulai dari data pertama dan langsung terdeteksi kandungan CO dan NH3, smoke detektor pun mendeteksi adanya asap dg memperlihatkan ripple. CO terdeteksi 269 ppm NH3 terdeteksi 100 ppm. Sistem terus aktif untuk menetralkan polutan yang ada. O3 belum terdeteksi karena cenderung terjadi reaksi kimia antara Oradikal dg polutan yang disebabkan terlalu banyaknya konsentrasi polutan. Sampai menit ke 40 konsentrasi CO berada pada 187 ppm dan NH3 berada pada 82 ppm serta konsentrasi ozon mulai ada kenaikan karena kandungan polutan telah berkurang. Hal itu bisa dikatakan bahwa telah terjadi proses penetralan polutan di udara. Pada menit ke 60 kandungan ozon mencapai 127 ppb
Hasil dan Analisa Pengujian Sistem Keseluruhan 450 400 350
Konsentrasi gas
300 250
CO
200
O3
150
NH3 Asap
100 50 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91
Data ke-
Dengan memberikan asap obat nyamuk selama 4 menit 20 detik terdeteksi konsentrasi CO sebesar 348 ppm dan NH3 sebesar 127 ppm. Sistem telah bekerja secara efektif, hingga pada menit ke 54 konsentrasi CO berada pada 218 ppm dan NH3 berada pada 87 ppm serta konsentrasi ozon mulai ada kenaikan karena kandungan polutan telah berkurang.
Kesimpulan Lucutan tegangan tinggi yang dihasilkan Ozone Generator telah mampu membangkitkan proses ionisasi di udara. Instrumentasi sensor gas yang digunakan telah didesain dengan tepat dan mampu mendeteksi kadar gas ozon, karbonmonoksida, dan amonia dalam level yang sangat rendah yaitu 10 ppb untuk ozon dan 20 ppm untuk karbonmonoksida serta 10 ppm untuk amonia. Sedangkan pada pendeteksi asap memanfaatkan smoke detector dengan input Vcc sebesar 5 volt dan pada kondisi steady memberikan tegangan keluaran sebesar 2,3 volt dan pada saat ada asap akan terjadi penurunan hingga 1.5 volt dengan membentuk pulsa-pulsa. Sistem kontrol logika fuzzy juga telah memberikan eksekusi pengolahan sesuai dengan perhitungan. Dari data hasil pengujian keseluruhan sistem menunjukkan dibutuhkan waktu 40 menit untuk menetralkan konsentrasi CO sebesar 269 ppm menjadi 187 ppm dan NH3 sebesar 100 ppm menjadi 82 ppm. Sedangkan pada saat konsentrasi CO sebesar 348 ppm dan NH3 127 ppm dibutuhkan waktu 54 menit untuk menetralkan CO menjadi 218 ppm dan NH3 menjadi 87 ppm.Sehingga dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa telah didapatkan sistem penetralan udara berpolutan yang efektif dengan tingkat keberhasilan 90%.
Saran Pengembangan sistem pengendalian Ozone Generator untuk netralisasi udara berpolutan berikutnya perlu dipertimbangkan hal berikut : Perlu digunakan desain ruang pengujian yang lebih sempurna, sehingga dapat menunjang kinerja proses ionisasi yang lebih mendekati pada kondisi sebenarnya. Hasil pembacaan dari semua sensor kandungan polutan menjadi referensi input kontrol sehingga dapat menambah akurasi dalam membaca kondisi udara dalam ruangan. Menambahkan lagi sensor untuk beberapa jenis kandungan polutan, misalkan sensor untuk NO, NO2 , dan CO2 sesuai yang disebutkan pada bab 1 bahwa hasil pembakaran obat nyamuk juga mengandung gas CO2, NO, dan NO2. Menambahkan sensor gas yang mungkin akan menjadi kandungan gas hasil pembentukan dari proses ionisasi. Menambah referensi sampel sumber kandungan polutan selain yang berasal dari pembakaran obat nyamuk bakar.
YUDA INDRA KURNIAWAN / 2211204005 Pembimbing : DR. MUHAMMAD. RIVAI, ST.,MT. Electrical Engineering ITS - Surabaya
Terima Kasih
