SKRIPSI OPTIMALISASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK DENGAN MENENTUKAN FREKUENSI RESONANSINYA

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

SKRIPSI OPTIMALISASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK DENGAN MENENTUKAN FREKUENSI RESONANSINYA Skripsi Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Fisika Program Studi Fisika

Oleh: KATARINA WATINI 043214001

PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2008

1


SKRIPSI OPTIMALISATION OF THE PHOTOACOUSTIC DETECTOR BY DETERMINING ITS RESONANCE FREQUENCY

Skripsi Precented as Partial Fulfillment of the Requirement to Obtain the Sarjana Sains Degree In Physics

By: KATARINA WATINI 043214001

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERCITY YOGYAKARTA 2008

2


3


4


HALAMAN PERSEMBAHAN

Skripsi ini saya persembahkan kepada : Tuhan Universitas Sanata Dharma Kedua Orangtua, Adik dan seluruh keluarga saya Romo V. Kirjito Keluarga Bapak Haris Sriwindono

Motto Mengikuti arus adalah sebuah kebodohan, tetapi mengambil keputusan tanpa kebijaksanaan adalah kehancuran. Maka berbijaksanalah dalam segala hal demi kemulian Tuhan yang lebih.

5


6


7


ABSTRAK

OPTIMALISASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK DENGAN MENENTUKAN FREKUENSI RESONANSINYA

Abstrak Detektor fotoakustik merupakan alat ukur konsentrasi gas. Sensitifitas detektor fotoakustik dipengaruhi frekuensi resonansinya. Medium pada sel fotoakustik berupa gas. Frekuensi resonansi detektor fotoakustik dipengaruhi jenis mediumnya. Dalam penelitian ini, telah dilakukan penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik pada medium yang digunakan. Nilai frekuensi resonansi detektor fotoakustik yang diperoleh, untuk medium udara = (1720 ± 5) Hz, gas Nitrogen = (1741 ± 5) Hz dan gas Oksigen (1628 ± 5) Hz. Nilai frekuensi yang diperoleh dimanfaatkan dalam pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi oleh buah apel.

8


ABSTRACT OPTIMALISATION OF THE PHOTOACOUSTIC DETECTOR BY DETERMINING ITS RESONANCE FREQUENCY

Abstract Photoacoustic detector is an instrument for measuring gas concentration. Photoacoustic detector sensitivity is influenced by its resonance frequency. The medium at photoacoustic cell is gas. The kind of medium will influence resonance frequency. In this research, determinations of the resonance frequency of photoacoustic detector have been on the used medium done on the three different medium. Resonance frequency on air, Nitrogen, Oxygen are (1720 ± 5) Hz, (1741 ± 5) Hz, (1628 ± 5) Hz respectively. The result is used for measuring the ethylene concentration produced by an apple.

9


KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena segala rahmat dan kasih karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Penulis menyadari bahwa tanpa adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, skripsi ini tidak dapat terselesaikan dengan baik. Oleh karena itu, secara khusus penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr.Ign.Edi Santosa M.S selaku dosen pembimbing yang dengan sabar telah membimbing, membantu dan menyemangati selama proses penulisan skripsi ini. 2. Ir.Sri Agustini Sulandari, M.Si selaku ketua jurusan fisika sekaligus dosen penguji. 3. Dr. Agung Bambang Setyo Utomo,SU selaku dosen penguji. 4. Drs. Asan Damanik selaku dosen pembimbing akademik 5. Seluruh Dosen prodi fisika, yang telah membagikan ilmunya. 6. Pak’e dan Biyung “ Matur nuwun sampun karso paring dukungan lan donga pangestu.” 7. Adik saya tercinta Yohanes Sugeng Prayoga yang menjadi saudara dan teman terbaik saya, yang selalu menjadi motivator saya. Dismas dan Dek Gaby, dan seluruh keluarga yang senantiasa menghibur saya. 8. Rm. V Kirjito yang senantiasa memberkati saya dan Bapak Haris, Ibu Melania yang selalu mendukung saya. 9. Dirgan yang selalu bersama saya, motivator sekaligus lawan diskusi selama masa kuliah terlebih dalam pengerjaan tugas akhir saya. “you are my best friend”. 10. Teman seangkatan dan seperjuangan Ade, Sujad, Zee dan Siska yang senantiasa saling menyemangati dan mewarnai angkatan 2004.

10


11. Norberta Yuni Rusmintia selaku menejer saya serta Ardat, Yunika, Mas Didit, Alexa, Upik, Ibu Eko dan Bagas. Teman- teman kos: Ika, Titis, Clara, Encheng, Patmi, Yefin, Mas Wiwit, Mbak Atik, Mbak Ria, Mbak Tanti, Mbak Dwi, Shinta, Arum, Putri, Mas Kanek, Kang Gendot. 12. Seluruh karyawan Universitas Sanata Dharma khususnya Mas Bimo selaku karyawan Lab Analisa. 13. Kakak angkatan atas yang senantiasa berbaik hati, membantu, menguatkan saya Mba Asri, Mba Debora, Mas Mamat, Mas Hari, Lori, Iman, Tri, Ridwan, Gita, Yuda, Adit, Mbak Ayu, Mas Petrik. 14. Semua pihak yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

Akhir kata penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna, sehingga penulis masih menerima adanya kritik dan saran dari berbagai pihak. Besar harapan penulis, semoga skripsi ini bisa memberikan manfaat untuk para pembaca serta memberikan sedikit sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan .

Penulis

11


DAFTAR ISI halaman HALAMAN JUDUL

i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING

ii

HALAMAN PENGESAHAN

iii

HALAMAN PERSEMBAHAN

iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

v

ABSTRAK

vi

ABSTRACT

vii

KATA PENGANTAR

viii

DAFTAR ISI

x

DAFTAR TABEL

xii

DAFTAR GAMBAR

xiii

BAB I PENDAHULUAN…………………………………………

1

I.A. Latar Belakang Masalah ……………………………….. 1 I.B. Perumusan Masalah ……………………………………. 3 I.C. Batasan Masalah ……………………………………….. 4 I.D. Tujuan Penulisan ……………………………………….

4

I.E. Manfaat Penulisan ……………………………………...

4

I.F. Metode Penelitian……………………………………….

5

I.G. Sistematika Penulisan…………………………………... 5 BAB II DASAR TEORI…………………………………………... 7 II. A. Sinyal Akustik pada Detektor Fotoakustik……………

7

II. B. Resonator Akustik pada Detektor Fotoakustik..............

9

BAB III METODE PENELITIAN………………………………... 14 III.A. Tempat Penelitian……………………………………...

14

III.B. Rangkaian Percobaan………………………………….. 14 III.C. Keterangan Alat dan Bahan……………………………

15

12


III.C.1. Alat……………………………………………

15

III.C.2. Bahan………………………………………….

16

III. D. Pengoperasian Alat…………………………………

16

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN………………………….. 18 IV.A. Hasil …………………………………………………...

18

IV.A.1 Menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik..............................................................

18

IV.A.2. Mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah apel................................................................. 22 IV.B. Pembahasan ....................................................................

24

BAB V PENUTUP...........................................................................

29

V.A. Kesimpulan ....................................................................

29

V.B. Saran ..............................................................................

29

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

13


DAFTAR TABEL halaman

Tabel 2.1 Konstanta

γ

dan M untuk gas yang digunakan dalam

Penelitian………………………………………………

12

Tabel 4.1 Hasil penentuan frekuensi resonansi..............................

27

Tabel 5.1 Penggunaan klep gas.....................................................

30

14


DAFTAR GAMBAR halaman Gambar 2.1 Bagan efek fotoakustik.................................................................. 7 Gambar 2.2 Fenomena eksitasi deeksitasi........................................................

8

Gambar 2.3 Sel fotoakustik yang digunakan dalam penelitian......................... 10 Gambar 2.4 Bagian-bagian sel fotoakustik.......................................................

11

Gambar 3.1 Susunan alat pada detektor fotoakustik…………………………. 14 Gambar 3.2 Detektor fotoakustik yang digunakan dalam penelitian………… 15 Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi stepermotor..

18

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap posisi stepermotor……………………………………………………...

19

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium udara untuk dua daya laser yang berbeda........................

19

Gambar 4.4 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium gas nitrogen untuk dua daya laser yang berbeda.............

20

Gambar 4.5 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium gas nitrogen untuk dua panjang gelom yang berbeda...... 21 Gambar 4.6 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium gas Oksigen.............................................................

21

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk tiga medium berupa udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen............ 22 Gambar 4. 8 Grafik hubungan antara konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah apel terhadap waktu............................................................. 23 Gambar 4. 9 Grafik hubungan antara konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah apel terhadap waktu.............................................................. 24 Gambar 5.1 Rangkaian pengatur gas pembawa..............................................

30

15


BAB I PENDAHULUAN

I.A. Latar Belakang Salah satu komoditas ekspor-impor adalah buah-buahan. Untuk menghindari kerugian exporter maupun importer tentunya buah-buahan tersebut harus dipertahankan kualitasnya. Untuk ekspor-impor dengan jarak dekat tidak akan menjadi masalah, tetapi untuk jarak jauh dan memakan waktu yang cukup lama akan menjadi masalah karena tidak semua jenis buah-buahan dapat bertahan lama. Maka perlu adanya usaha untuk mempertahankan kualitas buah-buahanan tersebut, selain untuk mencukupi kebutuhan akan buah-buahan juga mengurangi kerugian pengusaha dan para petani. Permasalahan kualitas buah-buahan dapat diatasi dengan cara mengatur lingkungannya dengan komposisi tertentu. Buah-buahan biasanya berada pada lingkungan udara yang terdiri dari Oksigen dan Nitrogen. Pengaturan ini dilakukan dengan harapan kualitas buah-buahan dapat dipertahankan kualitasnya. Untuk itu dilakukan pengujian sampel pada beberapa lingkungan. Tingkat kualitas buah-buahan dapat dilihat dari gas yang diproduksinya. Untuk mengetahui konsentrasi gas yang diproduksi oleh buah pada masing-masing lingkungan dibutuhkan alat ukur konsentrasi. Alat ukur konsentrasi biasanya menggunakan “Gas Chromatografi” (GC), selain GC ada juga metode pengukuran konsentrasi gas yang lain yaitu dengan

16


dasar penyerapan cahaya oleh gas. Dengan prinsip serapan cahaya telah dikembangkan berbagai metode pengukuran konsentrasi gas, salah satu diantaranya dengan detektor fotoakustik. Dengan ditemukannya laser dan mikropon yang peka detektor ini menjadi alat ukur konsentrasi yang sangat sensitive dan waktu tanggapnya relative cepat sehingga dapat digunakan secara online [Santosa, 2003]. Selain untuk mengukur konsetrasi gas yang diproduksi buah, alat ini dapat diaplikasikan juga untuk menentukan konsentrasi gas dalam berbagai bidang antara lain biologi, pertanian, medis dan lingkungan. Alat ini juga dapat mengukur konsentrasi gas secara simultan. Detektor fotoakustik mempunyai beberapa komponen penting antara lain laser, resonator dan mikropon. Laser digunakan sebagai sumber cahaya karena intensitas spektralnya yang tinggi dan dapat ditala. Resonator atau sel fotoakustik merupakan komponen yang berfungsi sebagai tempat konversi dari berkas cahaya laser menjadi sinyal akustik yang akan ditangkap oleh mikrophon. Mikropon kemudian mengirimkan sinyal untuk diolah oleh PC Sinyal akustik yang ditangkap oleh mikropon terkait juga dengan daya lasernya, konsentrasi molekul yang berada pada sel fotoakustik, koefisien serapan dan juga konstanta sel fotoakustiknya [Santosa, 2003]. Sel fotoakustik mempunyai dua kategori yaitu resonansi dan non-resonansi. Sistem resonansi lebih baik, karena pada kondisi frekuensi resonansi mampu memberikan kontribusi sinyal yang signifikan [Besson, 2006]. Apabila detektor fotoakustik diset pada kondisi frekuensi resonansi, maka pengukuran akan berada pada kondisi sensitivitas.

17


Dalam melakukan pengukuran konsentrasi gas, gas sampel akan dibawa ke sel fotoakustik oleh gas pembawa. Gas yang berada di dalam sel fotoakustik berperan sebagai medium akustik. Jenis gas yang berperan sebagai medium akan mempengaruhi kecepatan akustik, sehingga secara tidak langsung frekuensi resonansi juga dipengaruhi oleh jenis mediumnya. Oleh karena itu, dalam pengukuran konsentrasi gas perlu ditentukan terlebih dahulu frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium yang akan digunakan supaya dapat melakukan pengukuran konsentrasi pada kondisi sensitif. Dalam skripsi ini akan dipaparkan tentang bagaimana menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik. Penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik itu kemudiaan dimanfaatkan sebagai salah satu pengoptimal penggunaan detektor fotoakustik dalam mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi oleh buah apel.

I.B. Perumusan Masalah Berdasarkan uraian yang telah dikemukakan dalam latar belakang, pokok permasalahan dalam proposal skripsi ini dapat dirumuskan sebagai berikut: 1.

Bagaimana menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen?

2.

Berapa frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen?

3.

Bagaimana mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah apel pada lingkungan udara dan gas Nitrogen?

18


I.C. Batasan Masalah 1.

Penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium udara, gas Oksigen, gas Nitrogen untuk detektor fotoakustik yang berada di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2.

Mengoptimalkan kerja detektor fotoakustik dengan

menentukan

frekuensi resonansi detektor fotoakustik. 3.

Mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi apel pada lingkungan udara dan gas Nitrogen.

I.D. Tujuan Penulisan 1.

Dapat memahami dan mengetahui tentang detektor fotoakustik.

2.

Dapat menentukan kondisi optimum kerja detektor fotoakustik dengan menentukan frekuensi resonansinya.

3.

Dapat menentukan frekuensi resonansi

detektor fotoakustik untuk

medium udara, gas Nitrogen, gas Oksigen. 4.

Dapat mengamati proses produksi gas etilen yang diproduksi buah apel pada lingkungan udara dan gas Nitrogen.

I.E. Manfaat Penulisan 1.

Memberikan manfaaat bagi peneneliti dalam bidang fotoakustik khususnya tentang detektor fotoakustik yang ada di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

19


2.

Memberikan informasi tentang salah satu cara mengoptimalkan penggunaan detektor fotoakustik yaitu dengan menentukan frekuensi reonansi detektor fotoakustik.

3.

Memberikan informasi bagi masyarakat dalam bidang ilmu pengetahuan terutama tentang detektor fotoakustik dan tentang proses produksi gas etilen pada buah apel yang diletakan pada lingkungan udara dan gas nitrogen.

I.F. Metode Penelitian Metode penelitian akan dilakukan dengan studi pustaka dan eksperimen.

I.G. Sistematika Penulisan BAB I.

Pendahuluan Pada bab I akan diuraikan tentang latar belakang masalah yang diangkat, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.

BAB II

Dasar Teori Pada bab II akan diuraikan tetang dasar-dasar teori pendukung dalam penelitian frekuensi resonansi detektor fotoakustik.

BAB III

Metode Eksperimen Dalam bab III akan diuraikan tentang susunan alat dan bahan yang akan digunakan saat penelitian serta langkah-langkah yang dilakukan saat penelitian.

20


BAB IV

Hasil dan Pembahasan Pada bab IV akan diuraikan tentang hasil penelitian dan pembasan hasil penelitian.

BAB V

Penutup Pada babV berisi kesimpulan dari hasil penelitian dan saran.

Selain itu disertakan pula lampiran-lampiran untuk melengkapi uraian-uraian sebelumnya.

21


BAB II DASAR TEORI

II. A. Sinyal Akustik pada Detektor Fotoakustik Fenomena Fotoakustik pertama kali dikemukakan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880 [Spike, 2006]. Detektor fotoakustik memiliki keunggulan sensitivitas yang tinggi dan waktu tanggap yang relatif cepat sehingga dapat digunakan secara on-line. Detektor ini dapat mendeteksi lebih dari satu jenis gas secara simultan. Selain itu, detektor ini dapat digunakan untuk mendeteksi gas pada bidang biologi, pertanian, medis dan lingkungan.

Gambar 2.1 Bagan efek fotoakustik

22


Efek Fotoakustik pada dasarnya merupakan konversi antara cahaya menjadi gelombang bunyi. Hal tersebut dapat dijelaskan dengan proses penyerapan cahaya oleh bahan (sampel) yang mengakibatkan perbedaan tekanan sekitar sampel karena fenomena eksitasi-deeksitasi sehingga memunculkan gelombang bunyi hal terebut dapat dijelaskan secara singkat dengan gambar 2.1.[Haisch et al., 2002]. Apabila laser ditala pada frekuensi transisi dari molekul yang ada dalam sel fotoakustik, sebagian tenaga Ei akan tereksitasi ke aras tenaga yang lebih tinggi Ef. Selanjutnya molekul-molekul dengan aras tenaga Ef dapat melepaskan tenaga eksitasinya secara radiasi maupun non-radiasi fenomena tersebut dapat dilihat pada gambar 2.2 [Santosa, 2003] .

Gambar 2.2 Fenomena eksitasi deeksitasi

23


Pada pelepasan tenaga eksitasisi secara non-radiasi ketika bertumbukan molekul tersebut akan mentransfer tenaga eksitasinya ke tenaga translasi molekul yang ditumbuknya. Kenaikan tenaga translasi menyebabkan kenaikan suhu dan tekanan. Jika berkas laser dimodulasi, tekanan di dalam sel fotoakustik akan berubah secara periodik. Perubahan tekanan tersebut merupakan sinyal akustik. Sinyal akustik dapat ditangkap oleh mikropon. Perubahan tekanan tersebut dapat dikatakan juga sebagai sinyal akustik. Sinyal akustik yang dihasilkan atau sinyal keluaran mikropon dipengaruhi oleh daya laser, konstanta sel fotoakustik, konsentrasi gas dan koefisien serapan. Apabila di dalam sel fotoakustik hanya terdapat satu macam gas “g”, hubungan antara keluaran mikropon dan besaran-besaran yang lain dapat dinyatakan dengan persamaan [Santosa, 2003]

S l = CPl C g α gl

(2.1)

dengan S l adalah keluaran mikropon ketika digunakan laser “l” dengan daya Pl , C adalah konstanta sel fotoakustik, C g adalah konsentrasi gas “g” dalam sel fotoakustik dan α gl adalah koefisien serapan dari gas “g” pada laser “l”. Dapat diperoleh sinyal ternormalisir dengan daya laser [Santosa, 2003].

Sl

= CC g α gl

(2.2)

(S P ) = CC α

(2.3)

Pl

l

g

gl

24


II. B. Resonator Akustik pada Detektor Fotoakustik Sensitivitas detektor fotoakustik merupakan hal yang sangat penting karena detektor fotoakustik bekerja pada orde yang sangat kecil (ppb). Dari persamaan (2.1) salah satu aspek yang mempengaruhi keluaran mikropon adalah konstanta sel fotoakustik (C). Sel fotoakustik yang digunakan dalam penelitian ini ditampilkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Sel Fotoakustik yang digunakan dalam penelitian

Sel fotoakustik dapat dikategorikan menjadi dua yaitu resonan dan nonresonan. Jika frekuensi modulasi lebih kecil dari frekuensi resonansi terendah, sel ini dioperasikan pada mode non-resonan. Kelemahan sistem non-resonan yaitu sulit menghilangkan gangguan sekitar karena beroperasi pada frekuensi rendah. Non-resonan mempunyai waktu tanggap lama dan kurang sensitif untuk mendeteksi gas. Sedangkan, untuk konfigurasi resonan, frekuensi modulasi

diatur setara

dengan frekuensi resonansi dari sel fotoakustik. Konfigurasi resonan memiliki waktu tanggap yang cepat dan sensitif. Konstanta sel merupakan gambaran

25


sensitifitas pada sistem yang berfrekuensi resonansi. Konstanta sel bergantung pada ukuran resonator, frekuensi dan faktor kualitas. [Basson, 2006]

I: pintu masuk gas; O: pintu keluar gas M: Mikropon

Gambar 2.4 Bagian-bagian sel fotoakustik

Bagian-bagian sel fotoakustik yang digunakan dalam penelitian terlihat seperti pada gambar 2.2. Ukuran dari sel fotoakustik yang digunakan dalam penelitian yaitu panjang resonator (L) 10 cm dan jari-jari resonator (R ) 0,5 cm. Persamaan kecepatan bunyi (v)

dengan panjang gelombang ( λ ) dan

frekuensi ( f ) secara umum mengikuti persamaan v = λ .f

(2.4)

Kecepatan bunyi pada medium gas dengan massa molar M pada suhu T , akan mengikuti persamaan[Besson, 2006]: v=

γRT M

(2.5)

dengan R (konstanta gas universal) = 8,3144 J/(Mol K) dan

26


γ =

cp cv

c p panas jenis pada tekanan konstan cv panas jenis pada volume konstan Tabel 2.1 merupakan salah satu konstanta γ dan M untuk suhu 20 0 C. Tabel 2.1 Konstanta γ dan M pada suhu 20 0 C [Basson, 2006] γ M (kg/mol) Jenis gas Udara

1,402

0,0288

Nitrogen ( N 2 )

1,401

0,0280

Oksigen (O2 )

1,398

0,0320

Sedangkan kecepatan bunyi pada suhu 0 0 C ( v0 ), akan mengikuti persamaan berikut [ Anderson,1989]:

v0 =

γR 273 M

(2.6)

dari persamaan (2.5) dan (2.6) dapat diperoleh persamaan[ Anderson,1989]: v = v0

T 273

(2.7)

Resonator pada sel fotoakustik berbentuk silinder dengan panjang l dan diameter d dan kedua ujung terbuka, sehingga panjang gelombangnya mengikuti persamaan[ Anderson,1989]:

λ = 2 Leff

(2.8)

27


dengan, Leff = l + 0,3d

(2.9)

dengan persamaan (2.7) dan (2.8) kecepatan gelombang bunyi pada sel fotoakustik akan mengikuti persamaan[ Anderson,1989]: v0

T = 2 Leff f 273

T 273 f = 2(l + 0,3d )

(2.10)

v0

(2.11)

28


BAB. III METODE PENELITIAN

III. A. Tempat Penelitian Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat Kampus III Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Paingan Maguwoharjo Depok Sleman Yogyakarta

III. B. Rangkaian percobaan

29


Gambar 3.1 Susunan alat pada detektor fotoakustik

Gambar 3.2 Detektor Fotoakustik yang digunakan dalam penelitian.

III. C. Keterangan Alat dan Bahan III.C.1. Alat Susunan alat pada detektor fotoakustik dapat dilihat pada gambar 3.1 sedangkan detektor yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada gambar 3.2 . Bagian-bagian penting pada detektor fotoakustik:

Laser CO 2 Laser berfungsi sebagai sumber cahaya. Laser CO digunakan sebagai sumber cahaya karena intensitas spektralnya yang tinggi dan dapat ditala sehingga dengan laser ini pengukuran sangat sensitive dan juga dapat mengukur secara on-line [Persijn, 2007]. Komponen laser terdiri dari cermin (11), kisi (9), tabung laser

CO 2 (10). Kisi digerakan atau diatur sudutnya oleh stepermotor yang dapat diatur melalui komputer. Tabung laser didinginkan dengan air yang mengalir secara

30


terus menerus selama laser hidup. Air dialirkan dari tempat penampungan air (7a) kemudian masuk tabung laser dibuang ke tempat pembuangan air (7b). Piezo (12) berfungsi mengoptimalkan daya laser. Laser dimodulasi oleh chopper (15). Daya laser ditangkap oleh detektor (13) dan diukur oleh powermeter (14).

Sel fotoakustik Sel fotoakustik merupakan ruang konversi cahaya menjadi sinyal akustik. Bagian-bagian penting dari sel fotoakustik adalah resonator (3) dan mikropon (4). Gas dari tabung gas (1) akan menuju ke tempat sampel (2) sebagai gas pembawa. Gas produksi sample kemudian akan dibawa ke dalam sel fotoakustik. Setelah terjadi konversi

cahaya menjadi sinyal akustik, sinyal akan ditangkap oleh

mikropon (4). Oleh mikropon akan dikirim ke lock-in amplifier (5) dan kemudian akan diolah dan ditampilkan pada computer (7)

III.C.2. Bahan

Gas (Udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen) Ketiga gas tersebut berfungsi sebagai gas pembawa. Gas pembawa adalah gas yang berfungsi sebagai membawa gas sample menuju sel fotoakustik akustik. Selain itu gas ini juga berfungsi sebagai medium pada detektor fotoakustik.

III. C. Pengoperasian Alat Gambar 3.1 merupakan susunan dari komponen-komponen detektor fotoakustik.

Menentukan garis laser

31


Langkah yang harus dilakukan sebelum menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik yaitu

menentukan daerah garis laser. Garis laser ini

menyatakan dimana daerah yang memiliki daya laser. Untuk menentukan garis laser dilakukan dengan membuka menu “POWER & SAMPLE STEP GRAPH”, menu ini selain memperlihatkan adanya garis laser juga memperlihatkan tingginya daya laser serta besarnya sinyal akustik yang ditimbulkan pada daya tersebut. Grafik hubungan antara daya laser, sinyal akustik dan posisi stepermotor hanya akan ditemukan pada band tertentu sehingga harus mengetahui interval band tersebut. Kemudian menscan daerah yang sudah ditentukan.

Menentukan frekuensi Resonansi gas Dari garis yang sudah diperoleh, dimanfaatkan untuk menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik. Frekuensi resonansi ditentukan dengan mengatur manual control “chopper” dan mengamati sinyal akustik yang dihasilkan. Frekuensi resonansi detector fotoakustik merupakan frekuensi pada saat sinyal maksimum.

Menentukan konsentrasi gas Dalam mengukur konsentrasi gas kita harus mengetahui terlebih dahulu gas apa yang ada di dalam sel fotoakustik Setelah itu diset frekuensi resonansi sesuai gas yang ada di dalam sel fotoakustik. Kemudian pengukuran konsentrasi dapat dilakukan.

32


BAB. IV HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.A. Hasil IV.A.1. Menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik Gambar 4.1 dan 4.2 merupakan gambar hasil penscanan untuk menentukan garis laser pada setiap posisi stepermotor pada medium udara. Posisi stepermotor terkait dengan panjang gelombang lasernya. Grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi stepermotor dapat dilihat pada gambar 4.1 sedangkan grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap posisi stepermotor pada gambar 4.2. 5,0

Daya laser (watt)

4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 6100 -1,0

6300

6500

6700

6900

Stepermotor

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi stepermotor

33


4,5

Sinyal akutik (mV)

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,56100

6200

6300

6400

6500

6600

6700

6800

6900

Stepermotor

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap posisi stepermotor pada gas etilen.

Telah dilakukan penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakutik untuk medium udara. Gambar 4.3 merupakan gambar grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada satu panjang gelombang untuk dua daya laser yang berbeda. Pada satu garis laser tersebut, sinyal yang dihasilkan pada setiap frekuensi untuk dua daya laser yang berbeda tinggi sinyalnya juga berbeda. Frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium udara = (1720 ± 5) Hz. 1720 Hz

0,9 Sinyal akustik (mV)

0,8 0,7 0,6 0,5

Daya laser 1

0,4

Daya laser 2

0,3 0,2 0,1 0 1500

1550

1600

1650

1700

1750

1800

Frekuensi (Hz)

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium udara untuk dua daya laser yang berbeda .

34


Selanjutnya dengan cara yang sama dilakukan juga pada medium Nitrogen. Gambar grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk medium nitrogen dapat dilihat pada gambar 4.4 dan 4.5 Frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium gas Nitrogen = (1741 ± 5)Hz.

Sinyal akustik (mV)

1741 Hz

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1500

Daya laser 1 Daya laser 2

1600

1700

1800

Frekuensi (Hz)

Gambar 4.4 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium gas nitrogen untuk dua daya laser yang berbeda.

Gambar 4.5 merupakan gambar grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium gas Nitrogen untuk tiga panjang gelombang laser yang berbeda.

35


Sinyal akustik (m V)

0,6 0,5 0,4 panjang gelombang 1

0,3

panjang gelombang 2

0,2 0,1 0 1500

panjang gelombang 3

1550

1600

1650

1700

1750

1800

Frekuensi (Hz)

Gambar 4.5 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi pada medium gas nitrogen untuk dua panjang gelombang yang berbeda.

Gambar 4.6 merupakan grafik penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium gas Oksigen. Frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium gas Oksigen = (1628 ± 5) Hz.

Sinyal akustik (mV)

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1500

1550

1600

1650

1700

1750

1800

Frekuensi (Hz)

Gambar 4.6. Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk medium gas Oksigen

Selanjutnya gambar 4.7 merupakan grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk tiga medium yaitu udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen.

36


Sinyal akustik (mV

1,4 1,2 1 0,8

Udara

0,6

Oksigen Nitrogen

0,4 0,2 0 1500

1550

1600

1650

1700

1750

1800

Frekuensi (Hz)

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk tiga medium berupa udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen

IV.A.4. Mengukur Konsentrasi gas apel Setelah diperoleh nilai frekuensi resonansi detektor fotoakustik

untuk

beberapa medium, nilai tersebut dimanfaatkan untuk melakukan pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi oleh buah apel. Grafik 4.8 merupakan grafik hubungan antara konsentrasi gas etilen yang dipoduksi oleh buah apel terhadap waktu. Sampel diberi tiga perlakuan, yang pertama, kodisi A gas pembawa sampel gas Nitrogen dan gas yang ada pada sel fotoakustik juga Nitrogen sehingga pada kondisi A, frekuensi resonansi diset pada 1741 Hz. Kondisi B, kondisi B merupakan waktu transisi pengesetan mengubah perlakuan pada semple yang awalnya dialiri gas Nitrogen kemudian dialiri udara. Kondisi C, gas pembawa dan medium pada sel fotoakustik udara, sehingga untuk frekuensi resonansinya diset pada 1720 Hz.

37


Berikut ini juga merupakan pengukuran konsentrasi gas yang diproduki buah apel merah. Pada kondisi A sampel dialiri udara dan medium pada sel akustiknya juga berupa udara, sehingga frekuensi resonansinya diset 1720 Hz. Kemudian kondisi B, sampel dialiri gas Nitrogen dan untuk medium pada sel fotoakustik juga berupa gas Nitrogen, sehingga pada kondisi B frekuensi resonansinya diset pada 1741 Hz. Sedangkan untuk kondisi C gas nitrogen dialirkan tanpa dilewatkan pada sampel.

38


A

B

C

6.000

Konsenrasi (ppb)

5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 -1.000

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

Waktu (jam)

Gambar 4. 9 Grafik hubungan antara konsentrasi gas produksi buah apel terhadap waktu

IV.B. Pembahasan Penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk tiga medium yaitu Udara, gas Nitrogen dan gas Oksigen. Dalam penentuan frekuensi resonansi, yang dilakukan terlebih dahulu menentukan garis laser. Hasil penentuan garis laser dapat dilihat pada grafik (4.1) dan (4.2). Gambar (4.1) merupakan gambar grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi stepermotor. Posisi stepermotor terkait dengan panjang gelombang laser. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa daya laser untuk masing-masing panjang gelombang berbeda-beda. Gambar (4.2) merupakan gambar hubungan antara sinyal akustik terhadap posisi stepermotor atau panjang gelombang lasernya. Dari gambar (4.1) dan (4.2) untuk konsentrasi gas (Cg) yang sama sepanjang pengukuran, dengan konstanta sel (C) tetap, dapat ditentukan koefisien serapanya dengan persamaan (2.3).


Dengan garis laser yang diperoleh, kemudian dimanfaatkan untuk menentukan frekuensi resonansi. Indikator terjadinya frekuensi resonansi adalah adanya sinyal akustik maksimum. Jadi dengan mengetahui frekuensi pada saat sinyal maksimum maka diperoleh frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium yang digunakan. Dari perumusan dasar teori disampaikan bahwa sinyal akustik dipengaruhi oleh konstanta sel, konsentrasi gas, koefisien serapan dan daya laser. Konstanta sel terkait dengan frekuensi resonansi. Dari beberapa grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi dapat diamati bahwa sinyal akustik untuk setiap frekuensi tidak sama dan frekuensi resonansinya berada pada sinyal maksimumnya. Sinyal akustik dipengaruhi oleh daya lasernya, hal tersebut dapat dilihat dari gambar 4.3 dan 4.4. Gambar tersebut diperoleh pada satu gelombang tertentu, dengan dua daya laser yang berbeda. Dari grafik hubungan sinyal akustik dengan frekuensi untuk dua daya laser yang berbeda dapat dilihat bahwa untuk dua daya laser berbeda menghasilkan tinggi sinyal akustik yang berbeda, sehingga daya laser mempengaruhi besarnya sinyal. Pada kondisi tersebut letak sinyal maksimum tetap pada frekuensi yang sama, dapt dikatakan juga frekuensi resonansi tidak dipengaruhu daya lasernya. Koefisien serapan, dapat dilihat dari grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk tiga panjang gelombang yang berbeda. Setiap panjang gelombang memiliki daya laser dan koefisien serapan tertentu. Dari Grafik 4.5 dapat dilihat bahwa untuk tiga panjang gelombang yang berbeda tinggi sinyal

2


yang dihasilkan juga berbeda, sehingga selain daya laser, koefisien serapan juga mempengaruhi tinggi sinyal akustik yang dihasilkan. Dari gambar tersebut juga dapat dilihat frekuensi pada saat sinyal maksimum sama, sehingga frekuensi resonansi tidak dipengaruhi koefisien serapanya. Gambar 4.7 grafik hubungan antara sinyal akustik terhadap frekuensi untuk tiga jenis gas, frekuensi resonansi untuk ketiga jenis tersebut berbeda dan tertentu. Dengan persamaan (2.11): fr =

1 2 Leff

γRT M

Telah dilakukan penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk medium udara, gas Nitrogen dan Oksigen. Dalam perhitungan, sebelum menentukan frekuensi resonansi, kecepatan bunyi ( v ) pada suhu medium pada saat penelitian dihitung terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan (2.6)

v = v0

T 273

Dengan v0 adalah kecepatan bunyi pada suhu 0 0 , nilai v0 diperoleh dari tabel kecepatan bunyi pada medium dengan suhu 0 0 [Anderson,H.L.1989] dan T adalah suhu medium pada saat pengukuran yaitu 300K. Setelah diperoleh kecepatan bunyi pada suhu 300K, kemudian ditentukan frekuensi resonansinya, dengan persamaan

fr =

1 Leff v 2

3


Tabel 4.1 Penentuan frekuensi resonansi Medium

v0 (m/s)

v (m/s)

fr perhitungan

(t = 27 C)

(Hz)

fr penelitian (Hz)

Udara

331,45

346,98

1745, 38

1720

Nitrogen

334

350,13

1761,2

1741

Oksigen

316

331,26

1666,29

1628

Hasil penentuan frekuensi resonansi dapat dilihat dari perhitungan dan penelitian pada tabel 4.1 dari tabel tersebut terlihat besarnya frekuensi resonansi pada perhitungan dan penelitian sesuai baik dari nilainya yang relatif sama (mendekati) ataupun dari segi perbandingan nilai untuk ketiga jenis mediumnya. Perbedaan tersebut muncul, ada beberapa kemungkinan yang menyebabkan munculnya perbedaan tersebut; adanya kemungkinan gas yang berada pada sel fotoakustik tidak murni, adanya perubahan temperatur pada saat melakukan pengukuran, dari sinyal akustik yang fluktuatif saat menentukan frekuensi resonansi detektor fotoakustik. Dari hasil perolehan frekuensi resonansi kita dapat memanfaatkanya dalam pengukuran konsentrasi. Gambar 4.8 merupakan pengukuran konsentrasi gas Apel pada kondisi awal konsentrasi cukup tinggi karena dimungkinkan adanya penimbunan gas produksi apel. Selanjutya sampel dialiri dengan gas Nitrogen hal ini berarti bahwa lingkungan apel berupa gas Nitrogen. Setelah beberapa saat konsentrasi gas etilen yang produksi apel mengalami penurunan, menuju kondisi konstan tetapi lebih rendah dari pada kondisi awalnya. Kemudian nitrogen dialirkan tanpa melewati sample, berarti tidak ada gas produksi apel yang terukur

4


konsentrasinya, sehingga konsentrasinya nol seperti pada kondisi B. Setelah itu gas pembawa dan medium akustik pada sel fotoakustik diganti dengan udara, frekuensi resonansi diset pada 1720 Hz dan yang terjadi adalah adanya peningkatan konsentrasi gas produksi apel. Pada kondisi ini nilai dari konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah apel pada lingkungan udara lebih rendah dari pada lingkungan gas Nitrogen, karena pada kondisi ini merupakan kondisi transisi. Pada Gambar 4.9 pengambilan data diawali dengan mengalirkan udara pada sample, pada gambar terjadi penurunan, penurunan tersebut bukan karena udara menghambat produki gas apel tetapi karena diawali dengan penimbunan gas produksi apel. Penurunan tersebut menuju kondisi normal kemudian setelah itu baru mengalami peningkatan produksi gas. Pada kondisi B, sample dialiri dengan Nitrogen, yang terjadi penurunan konsentrasi. Diakhir gas Nitrogen dialirkan tanpa melewati sample, sehingga konsentrasinya menuju nol. Dengan memahami proses penentuan frekuensi resonansi detektor fotoakustik untuk tiga jenis medium dan menggunakan frekuensi tersebut dalam pengukuran konsentrasi gas. Pengesetan frekuensi resonansi yang sesuai harus dilakukan karena frekuensi resonansi detektor merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi optimalisasi detektor fotoakustik, sehingga ketika menggunakan medium gas tertentu, frekuensi resonansi detektor fotoakustik juga harus diset dengan nilai tertentu sesuai dengan frekuensi resonansinya.

5


BAB. V PENUTUP

V. A. KESIMPULAN

1.

Penggunaan detektor fotoakustik dapat dioptimalkan dengan bekerja pada frekuensi resonansinya.

2.

Frekuensi resonansi dipengaruhi mediumnya.

3.

Frekuensi resonansi tidak dipengaruhi oleh daya laser dan koefisien serapanya.

V. B. SARAN

Untuk melakukan pengukuran konsentrasi gas dengan berbagai perlakuan pada sample tanpa harus mengubah frekuensi resonansi sepanjang pengukuran dapat digunakan klep gas. Klep gas merupakan alat untuk mengatur aliran gas seperti pada gambar 5.1. Hal tersebut dilakukan supaya gas atau medium yang berada pada sel fotoakustik konstan, hasilnya dapat dilihat pada tabel 5.1 Untuk mengatur aliran gas seperti pada gambar 5.1 dengan menggunakan klep secara elektronik. Klep Gas terdiri dari 3 bagian (lubang alir) input Oksigen O2 , Jalur On dan Off.

6


Tabel 5.1 Penggunaan klep gas Tempat sampel

Sel fotoakustik

Off

N2

N 2 + O2

On

N 2 + O2

N 2 + O2

7


Daftar Pustaka

Anderson,H.L.1989.A Phisicist’s Desk Reference.New York:American Institute of Physics. Besson,J.P. 2006. “Photoacoustic Spectroscopy for Multi-Gas Sensing Using Near Infrared. Lasers”.http:// bibion.epfl.ch/ EPFL/theses/2006/3070/3670_abs.pdf. Diakses pada tanggal, 6 November 2007. Haisch, C & Niessner, R. 2002. “Light and sound – Potoacoustic Spectroscopy”.http://www.spectroscopyerupe.com/ PAS iu_5. pdf. Diakses pada tanggal, 6 November 2007. Persijn,S. 2007. Sensitive gas Detection using CO2 Laser Photoacoutic Spectrocopy. Makalah kursus singkat laboratorium analisa kimia fisika pusat. Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Santosa, I. E. 2003. Pengukuran Konentrasi Gas dengan Detektor Fotoakustik. Makalah seminar dosen Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Spike, B.T. 2006. “The Photoacoustic Effec”. http:// uw.physics.wisc.edu/timbie/P325/ Spike-photoacoustic effect.pdf. Diakses pada tanggal, 6 November 2007.

8

SKRIPSI OPTIMALISASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK DENGAN MENENTUKAN FREKUENSI RESONANSINYA

Recommend Documents