USULAN PENELITIAN S1
RANCANG BANGUN CHAMBER SENSOR ELECTRONIC NOSE
DESIGN OF SENSOR CHAMBER ELECTRONIC NOSE
PULUNG PURWO SAGITA 11/316739/PA/13866
PROGRAM STUDI ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI JURUSAN ILMU KOMPUTER DAN ELEKTRONIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2015
i
USULAN PENELITIAN S1
RANCANG BANGUN CHAMBER SENSOR ELECTRONIC NOSE
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh derajat Sarjana Sains Elektronika dan Instrumentasi
PULUNG PURWO SAGITA 11/316739/PA/13866
PROGRAM STUDI ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI JURUSAN ILMU KOMPUTER DAN ELEKTRONIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA
2015
i
HALAMAN PERSETUJUAN USULAN PENELITIAN S1
RANCANG BANGUN CHAMBER SENSOR ELECTRONIC NOSE
Diusulkan oleh PULUNG PURWO SAGITA 11/316739/PA/13866
Telah disetujui pada tanggal 03 Maret 2015
Pembimbing I
Pembimbing II
Triyogatama Wahyu W, S.Kom, M.Kom.
Danang Lelono, S.Si, M.T.
Reviewer 1
Reviewer 2
ii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL...........................................................................................
i
HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................................
ii
DAFTAR ISI ....................................................................................................... iii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... iv DAFTAR TABEL ...............................................................................................
v
BAB I
PENDAHULUAN ..............................................................................
1
1.1
Latar Belakang ..........................................................................
1
1.2
Rumusan Masalah .....................................................................
2
1.3
Batasan Masalah........................................................................
2
1.4
Tujuan .......................................................................................
3
1.5
Manfaat .....................................................................................
3
TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................
4
BAB III DASAR TEORI ..................................................................................
9
BAB II
3.1
Electronic Nose .........................................................................
9
3.2
Array Sensor.............................................................................. 11
3.3
Sensor Figaro TGS Secara Umum ............................................ 12
3.4
Perangkat Lunak LabView ........................................................ 14
3.5
Teh............................................................................................. 15
BAB IV METODE PENELITIAN ................................................................... 17
BAB V
4.1
Peralatan .................................................................................... 17
4.2
Bahan......................................................................................... 17
4.3
Rancangan Penelitian ................................................................ 17
4.4
Prosedur Kerja........................................................................... 20
RENCANA JADWAL PENELITIAN ............................................... 22
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 23
iii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 3.1 Olfaktori manusia secara biologis ........................................................9 Gambar 3.2 Sistem penciuman e-nose ...................................................................10 Gambar 3.3 Diagram blok dari 5 komponen utama dari electronic nose ...............11 Gambar 3.4 Contoh sistematika array sensor. ........................................................12 Gambar 3.9 Ilustrasi penyerapan O2 oleh sensor...................................................13 Gambar 3.10 Ilustrasi ketika terdeteksi adanya gas ...............................................14 Gambar 3.11 Bentuk fisik sensor TGS ..................................................................14 Gambar 3.12 Tampilan utama perangkat lunak LABVIEW .................................15 Gambar 4.1 Skema Rancangan Penelitian .............................................................18 Gambar 4.2Diagram Blok Rancangan Sistem e-Nose secara Keseluruhan ...........18 Gambar 4.3 Tampilan rancangan chamber sensor. ................................................19
iv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Hubungan penelitian sebelumnya dengan usulan penelitian ini ..............6 Tabel 3.1 Senyawa kimia yang merespon aroma teh .............................................16 Tabel 5.1 Waktu kerja rencana jadwal penelitian ..................................................22
v
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Teh merupakan jenis minuman yang sudah ada sejak zaman dahulu. Minuman teh ini berasal dari daun teh muda yang telah terpilih. Aroma daun teh ini yang menentukan kualitas teh. Adapun orang yang menentukan rasa dan aroma teh adalah tester teh . Tester teh adalah orang yang ahli atau telah berpengalaman dalam menentukan aroma dan rasa teh. Selain digunakan untuk sajian minuman, teh memiliki banyak manfaat bagi tubuh manusia. Salah satu manfaat dari teh adalah untuk minuman suplemen yang berfungsi sebagai obat. Dengan perkembangan teknologi yang semakin canggih, peran atau tugas tester dapat digantikan dengan hidung elektronik atau lebih dikenal dengan nama Electronic Nose. Electronic Nose ini cara kerjanya mirip hidung manusia yaitu mendeteksi bau atau aroma. Saat ini Electronic Nose dikembangkan untuk berbagai bidang, salah satunya dibidang makanan dan minuman yang digunakan untuk mengidentifikasi aroma. Dengan sistem kerja seperti hidung manusia, sistem kerja Electronic Nose dikenal dengan sistem olfaktori karena Electronic Nose menggunakan larik sensor yang terdiri dari beberapa sensor dengan sensitifitas yang berbeda-beda yang meniru larik syaraf penciuman dalam olfaktori manusia. Oleh karena itu, keluaran Electronic Nose dapat berupa polapola yang mewakili masing-masing aroma sehingga dapat diterapkan untuk aplikasi identifikasi, perbandingan, kuantifikasi dan klasifikasi berdasarkan aroma. (Triyana, Agustika, & Hardoyono, 2012). Performa dari sistem Electronic Nose salah satunya dipengaruhi oleh peletakkan sensor-sensor kimia dan gas yang berada didalam chamber sensor yang membentuk larik sensor. Larik sensor ini terdiri dari beberapa sensor gas dengan sensitifitas berbeda-beda terhadap suatu bahan kimia tertentu. Posisi dari sensor-sensor kimia dan gas ini mempengaruhi keluaran pola-pola respon tegangan terhadap waktu yang belum dinormalisasi dari masing-masing sensor. Aroma yang ditangkap oleh larik sensor menyebabkan resistansi sensor berubah.
1
2
Stabilitas sensor terhadap waktu dan pengurangan variasi antara sensor-sensor yang berbeda dari jenis yang sama merupakan masalah utama. Sistem sampling mentransfer aroma sampel dari chamber sampel ke sensor dan kemudian di alirkan ke saluran pembuangan gas, sehingga pengendalian semua faktor aliran aroma akan mempengaruhi respon sensor. Sensor menanggapi konsentrasi sampel pada permukaan lapisan sensitif dari pada konsentrasi rata-rata di dalam ruangan. Sebuah chamber sensor harusnya menghasilkan respon konsentrasi sinyal masukkan secara akurat dari setiap sensor, mendapatkan profil konsentrasi yang sama dalam pengukuran yang berulang, dan waktu tempuh saat konsentrasi naik atau turun. Hasil diolah dengan menggunakan Microsoft Exel berupa grafik radar dan dianalisis lebih lanjut dengan metode PCA (Principal Component Analysis) (Iswanto, 2014). Oleh karena itu, posisi sensor chamber mempengaruhi pola-pola yang dihasilkan. Pada penelitian ini, akan dibahas tentang rancang bangun chamber sensor yang akan menghasilkan keluaran pola grafik tegangan terhadap waktu naik dan turun yang stabil, respon waktu yang cepat, dan kontak dengan bahan uji yang maksimal. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas, maka dapat dirumuskan masalah sebagai berikut :
Bagaimana merancang posisi sensor dalam chamber yang menghasilkan respon
keluaran
sinyal
pola
yang
efisien
sehingga
selanjutnya
memudahkan untuk melakukan proses ekstraksi ciri dan identifikasi dengan metode-metode terntentu.
Bagaimana merancang bangun chamber sensor yang dapat menghasilkan kontak dengan gas bahan uji yang maksimal yang akan berpengaruh pada resistansi sensor.
1.3 Batasan Masalah Batasan masalah pada penelitian ini antara lain:
Sampel yang digunakan adalah teh.
Chamber berbahan stainlees steel atau teflon.
3
Chamber berbentuk balok tanpa celah udara selain jalaur selang udara.
Menggunakan instrumen electronic nose dengan 12 sensor TGS untuk array sensor yang dibagi menjadi 4 node sensor.
Terdapat chamber sampel yang telah ada dari penelitian sebelumnya.
Chamber sensor dan chamber sampel ditempatkan pada tempat yang statis.
Pengolahan ADC (Analog to Digital Converter) oleh mikrokontroller Arduino Mega 2560.
1.4 Tujuan Tujuan dilaksanakan penelitian ini adalah membuat rancang bangun chamber sensor yang didalamnya terdapat array sensor yang dapat berkontak dengan aroma sampel dengan baik kemudian menghasilkan respon keluaran sinyal dari sampel jenis-jenis teh yang efisien pada electronic nose. 1.5 Manfaat Manfaat dilaksanakan penelitian ini antara lain:
Dapat membuat chamber sensor Electronis Nose yang berdimensi dengan keluaran berupa respon sinyal yang efisien dari sampel.
Dapat membuat array sensor gas untuk Electronic Nose yang dapat menerima aroma dari sampel dengan hasil uji yang mendekati pada setiap pengujian.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
(Sharma, 2012), telah melakukan penelitian mendiskriminasikan teh hitam dengan menggunakan array sensor quartz crystal microbalance (QCM). Pada penelitiannya array sensor QCM digunakan untuk membedakan sampel teh yang berbeda. Array sensor QCM ini teriri dari 5 lapisan analit yang masing-masing lapisan hanya dapat sensitif pada zat kimia tertentu, yaitu lapisan D-glucose, Adenine, Polyethylene glycol, D-Phenylalanine, dan Ethyl cellulose. Array sensor QCM ini tidak memiliki bentuk pola tertentu, namun array sensor ini bekerja dengan metode electrostatic spray dimana larutan bahan sensor aktif dimasukkan ke dalam jarum suntik kaca. Medan listrik yang tinggi di ujung jarum menyebar dalam bentuk semprot halus. Akibatnya, larutan ditransfer ke elektroda target dalam bentuk semprotan halus yang menyebar ke lapisan array sensor. Array sensor ini sering disebut array sensor komersial karena memang diperjualbelikan. Namun, kelemahan dari array sensor ini adalah beroperasi pada suhu yang tinggi sehingga membutuhkan daya yang tinggi. (Thepudom,
2012),
telah
membuat
array
sensor
ganda
untuk
mendiskripsikan perubahan volatil. Array sensor yang dibuat pada penelitiannya tidak menggunakan sensor gas namun menggunakan LED dan photodiode. LED dan photodiode di rangkai secara berpasangan. LED yang digunakan adalah LED warna. Terdapat 8 LED warna yang berbeda-beda, yaitu putih, inframerah, merah, kuning, hijau, biru, merah muda, dan ungu. Array sensor ini berbentuk segi empat tidak simetris. Keluaran nilai dari photodiode diubah dalam frekuensi. Detektor ini menghitung pulsa yang keluar sebagai frekuensi dari foton yang sebanding dengan intensitas cahayanya. Oleh karena itu, sinyal gas sampel dari pengukuran optik disajikan dalam nilai frekuensi. (Nakamoto, 2004), dalam merancang chamber sensor gas dalam sistem pengiriman aroma ke chamber sensor menggunakan sistem statis. Sistem statis adalah salah satu dasar yang digunakan untuk mengukur respon steady state sensor. Dalam sistem statis tidak ada aliran uap sekitar sensor, dan pengukuran
4
5
biasanya dilakukan pada respon steady-state sensor yang terkena uap pada konsentrasi konstan. Salah satu contoh array sensor yang menggunakan sistem statis adalah QCM array sensor. Prinsip untuk chmaber sensor pada penelitiannya yaitu sampel larutan diuapkan, kemudian respon sensor diukur pada keadaan yang stabil. Chamber sensor biasanya terbuat dari Teflon atau kaca untuk menghindari adsorpsi uap ke dinding internal. Namun metode ini susah untuk mendapatkan respon dari array sensor karena untuk mengukur respon sensor harus dalam keadaan yang stabil dimana keadaan ini membutuhkan waktu yang lama. (Triyana, 2012), telah melakukan penelitian pada ekstraksi ciri sampel teh yang
berbeda
menggunakan
electronic
nose.
Pada
penelitian
tersebut
menggunakan chamber sensor yang berbentuk tabung. Chamber sensor ini terdapat 8 sensor gas seri TGS, yaitu TGS 825, TGS 822, TGS 826, TGS 2620, TGS 813, dan TGS 2611. Dalam chamber juga terdapat dua buah kipas untuk meratakan aroma sampel teh. Kerja dari chamber ini yaitu sampel secara bergantian dimasukkak kedalam chamber. Kemudian kipas dinyalakan untuk meratakan aroma dalam chamber. Prinsip deteksi aroma oleh larik sensor gas adalah dengan mengukur perubahan resistansi saat molekulmolekul gas penyusun aroma tersebut mengenai permukaan masing-masing sensor. Perubahan resistansi ini selanjutnya diubah menjadi tegangan dengan rangkaian pembagi tegangan, dan dilanjutkan dengan rangkaian pengkondisi sinyal untuk mengurangi derau pada masing-masing sensor gas. Konversi tegangan analog menjadi digital dilakukan dengan menggunakan ADC dalam mikrokontroler. Pencatatan respon masingmasing sensor dilakukan setelah sinyal telah stabil. (Jaruwongrungsee, 2010), telah meneliti simulasi array sensor QCM dengan bentuk bulat dengan titik tengah sebagai pusat aliran bau ke sensor. Hasil simulasi menunjukkan bahwa aliran ke dalam chamber sensor tersebut tidak stabil atau turbulen. Selain itu, tingkat turbulen juga meningkat seiringnya laju aliran. Sampel dispersi khususnya pada kedua sisi yang jauh dari ruang di mana elektroda sensor berada menunjukkan ketidaklinieran. Dengan demikian letak sensor pada chamber sensor juga merupakan faktor penting karena kontak langsung aroma kepada sensor akan mendapatkan perlakuan yang berbeda-beda.
6
(Yang, 2012), dalam bukunya menjelaskan bahwa dalam mendesain array sensor pada chamber digunakan aliran aroma paralalel, dimana setiap sensor terkena gas aroma secara bersamaan sehingga respon dari masing-masing sensor dapat tampil secara serentak. Chamber sensor di buat kedap udara agar udara didalam tidak bercampur dengan udara lain. Chamber sensor ini didisain secara geometrik, mulai dari peletakkan sensor, volume, dan bentuk chamber. Menurut penulis yang harus di uji dalam pembuatan chamber sensor diantaranya adalah pengambilan data sampel, pengiriman aliran aroma, akuisisi sinyal respon sensor dan pengolahan data, analisis data, dan laporan visual dari hasil pengukuran.
Tabel 2.1 Hubungan penelitian sebelumnya dengan usulan penelitian ini Tahun 2004
Peneliti Nakamoto
Metode
Keterangan
Chamber Sensor Statis
Chamber sensor statis ini bisa
untuk Electronic Nose
dikatakan
chamber
sensor
direct karena sampel langsung dimasukkan
ke
dalam
chamber yang juga terdapat array
sensor.
Kemudian
langsung
dilakukan
pengukuran respon sinyal dari sampel. 2010
Jaruwongrungsee Chamber sensor dengan array sensor QCM dengan bentuk
circular
Mensimulasikan
molekul ke dalam chamber
atau dengan
bulat.
aliran
simulasi
analisis
dinamika fluida. Kemudian aliran dapat diterima oleh array
sensor
QCM
yang
berada didalam chamber. 2012
Sharma
Array
sensor
(Quartz Microbalance)
QCM Kandungan
kimia
dalam
Crystal
aroma teh diubah ke bentuk
untuk
larutan. Array sensor QCM ini
membedakan sampel teh tidak memiliki bentuk pola
7
yang berbeda.
tertentu, namun array sensor ini bekerja dengan metode electrostatic
spray
dimana
larutan bahan sensor aktif dimasukkan ke dalam jarum suntik kaca. Medan listrik yang tinggi di ujung jarum menyebar semprot
dalam halus.
bentuk
Semprotan
halus ini menyebar ke bagian lapisan array sensor. 2012
Thepudom
Membuat chamber sensor
Mendiskripsikan uap dengan
gas dengan menggunakan
menggunakan dual chamber
LED dan photodiode.
sensor. Chamber sensor ini terdapat array sensor yang terbuat dari pasangan LED dan photodiode. Pada lapisan sisi ujung chamber di beri film
tipis.
Keluaran
dari
chamber sensor ini berupa sinyal frekuensi. 2012
Triyana
Membuat chamber sensor
Chamber sensor direct ini
direct untuk melakukan
terdapat
ekstraksi ciri sampel teh.
dengan 8 sensor gas seri TGS
array
sensor
gas
dan kipas untuk meratakan aroma pada saat pengambilan data sampel. 2012
Yang
Chamber sensor circular Array sensor pada chamber geomtry
yang
terdapat
array sensor paralel.
menggunakan aliran aroma paralalel,
dimana
setiap
sensor terkena gas aroma secara bersamaan sehingga respon dari masing-masing
8
sensor dapat tampil secara serentak. Chamber sensor di buat kedap udara agar udara didalam
tidak
bercampur
dengan udara lain. Chamber sensor ini didisain secara geometrik,
mulai
dari
peletakkan sensor, volume, dan bentuk chamber. 2015
Purwo
Chamber sensor dengan Merancang bangun chamber bentuk
balok
yang
terdapat 4 node sensor.
sensor electronic nose dengan bentuk balok. Chamber sensor ini terdapat 4 node sensor pada 4 sisi balok. Masingmasing node terdapat array sensor 3 sensor TGS.
BAB III DASAR TEORI
3.1 Electronic Nose Secara biologis sistem penciuman manusia terdiri dari jaringan sensorik, yang merupakan daerah epitel tipis yang terletak di bagian atas hidung. Jaringan ini berisi sekitar lima puluh juta neuron reseptor penciuman. Masing-masing neuron ini memiliki dendrit yang ujungnya berbentuk bola dimana terdapat silia yang memanjang. Reseptor mengikat G-protein yang terletak di permukaan silia dan bertindak sebagai reseptor chemosensory. Hal ini diyakini bahwa kespesifikan dan sensitivitas hidung mamalia berasal dari hasil dari sel-sel reseptor dengan sensitivitas sebagian yang tumpang tindih. Olfactory bulb dan otak menentukan pola dalam sinyal sebagian tumpang tindih dan mengidentifikasi kelas bau atau bau senyawa (Griffin, 2006). Gambar 3.1 menjelaskan alur identifikasi bau pada sistem penciuman manusia secara biologis.
Gambar 3.1 Olfaktori manusia secara biologis (Thuen, 2014).
Electronic Nose adalah instrumen yang terdiri dari sebuah larik sensor kimia elektronik dengan Elektivitas parsial dan sistem pengenalan pola yang tepat, yang mampu mengenali bau sederhana dan kompleks. Gas dari bahan kimia di lewatkan langsung ke sensor kimia melalui transduser. Interaksi molekul analit dengan bahan kimia yang sensitif menghasilkan beberapa perubahan fisik yang
9
10
dirasakan oleh transduser dan diubah menjadi sinyal output. Interaksi ini tergantung pada bentuk dan distribusi muatan dalam molekul analit dan bahan sensor, dan mirip dengan interaksi operasi dalam sistem biologis antara aroma dan reseptor (Patel & Kunpara, 2011). Electronic Nose adalah sebuah instrumen yang dimaksudkan untuk mendeteksi bau atau aroma. Electronic Nose juga sering disebut sistem olfaktori elektronik karena Electronic Nose mempunyai kemampuan meniru sistem penginderaan penciuman manusia. Electronic Nose dibangun atas beberapa sensor gas yang membentuk larik sensor yang mempunyai selektivitas global. Dengan larik sensor gas tersebut, Electronic Nose telah meniru struktur larik syaraf penciuman dalam olfaktori manusia. Oleh karena itu, keluaran Electronic Nose dapat berupa pola-pola yang mewakili masing-masing aroma sehingga dapat diterapkan untuk aplikasi identifikasi, perbandingan, kuantifikasi dan klasifikasi berdasarkan aroma (Triyana et al., 2012). Gambar 3.2 menunjukkan sistem penciuman pada e-nose.
Gambar 3.2 Sistem penciuman e-nose (Arshak, 2004). Menurut (Patel, 2011), e-nose terdiri dari berbagai jenis sensor array yang berbeda-beda sangat responsif terhadap berbagai kemungkinan analitik dan memiliki sejumlah keunggulan dibanding dengan instrument analitik klasik. Enose tidak memerlukan reagen kimia, mempunyai sensitivitas tinggi, memberikan hasil yang cepat dan murah serta memiliki potensi yang lebih besar dibandingkan dengan instrument laboratorium analisis yang begitu kompleks. E-nose terdiri dari 5 komponen utama, yaitu : ruang sampel, ruang sensor, sistem akuisisi data dan unit pengendali, power supply , dan antarmuka grafik pada PC. Kelima komponen ini ditunjukkan oleh Gambar 3.3.
11
Gambar 3.3 Diagram blok dari 5 komponen utama dari electronic nose (Patel & Kunpara, 2011). Pada pengaplikasiannya, sistem e-nose menggunakan beberapa sensor (antara 4 - 100 buah) yang memiliki sensitivitas berbeda-beda terhadap berbagai macam gas. Semakin banyak jumlah sensor yang digunakan, maka kepekaan sistem terhadap berbagai macam bau lebih tinggi. Respon kimiawi sensor yang terukur sebagai perubahan pada suatu parameter fisik (konduktivitas). Waktu respon sensor biasanya diberi selang waktu tiap satu detik
hingga permenit
(Bennetts, 2010).
3.2 Array Sensor Secara umum, larik sensor adalah seperangkat sensor yang digunakan untuk mengumpulkan informasi tentang objek yang diuji. Dalam aplikasinya di bidang kimia, larik sensor terdiri dari beberapa sensor yang berbeda dengan sensitivitas yang luas dan sebagian tumpang tindih dengan berbagai gas. Larik sensor gas digunakan untuk mengkonversi informasi mengenai bahan kimia campuran gas multi-komponen ke dalam satu set sinyal terukur. Sensor-sensor tersebut diakses secara individual dan secara hampir bersamaan pada alat yang digunakan. Oleh sebab itu, dalam prosedur operasinya sensor-sensor tersebut dapat digunakan sebagai elemen sensor yang independen (Szczurek & Maciejewska, 2010).
12
Sensor array terdiri dari beberapa sensor yang jumlahnya tergantung pada analisis yang akan dilakukan. Semakin banyak titik dalam ruang, semakin baik sistem ini mampu membedakan antara analit. Ada batas efektivitas dan perhitungan matematis bisa sangat memakan satu sama tambahan baru untuk ruang fitur waktu (Griffin, 2006). Gambar 3.4 menunjukkan larik array sensor menggunakan 8 sensor TGS yang dihubungkan ke unit utama pengolahan data.
Gambar 3.4 Contoh sistematika array sensor. Terdapat dua tipe struktur larik sensor menurut laju alir gas uji yang akan dilewatkan sensor gas, yaitu tipe seri dan tipe paralel. Gambar 3.7 merupakan laju alir gas uji yang melalui larik sensor seri dan paralel. Laju alir ini berawal dari masukan (inlet) yang menuju kedalam chamber menggunakan selang yang telah membawa gas aroma atau gas bau dari sampel. Chamber ini yang didalamnya terdapat larik sensor dengan tipe seri atau paralel. Laju alir secara seri mengindikasikan gas bau yang dibawa ke chamber melewati sensor gas satu persatu berurutan sedangkan laju alir secara paralel mengindikasikan setiap sensor mendapatkan kontak langsung dengan gas bau secara bersamaan.
3.3 Sensor TGS TGS merupakan singkatan dari Taguchi Gas Sensor yang merupakan sensor gas yang diproduksi oleh Figaro Inc,. Beberapa hal yang perlu diperhatikan
13
dalam pemakaian sensor gas pada sistem robot adalah sensor gas tersebut harus memiliki sensitifitas yang tinggi, memiliki respon yang cepat, pemakaian daya yang kecil serta bentuk yang sederhana. Sensor TGS merupakan sebuah sensor kimia yang digunakan untuk mendeteksi gas tertentu. TGS mempunyai sebuah tahanan sensor yang nilainya bergantung pada keberadaan oksigen. Bahan sensor pada sensor gas TGS adalah metal oxide Sn. Dengan meningkatnya keberadaan oksigen pada lapisan tin oxide, akan meningkatkan level potential barrier yang juga meningkatkan nilai tahanan dari sensor. Perubahan keberadaan oksigen terhadap perubahan level potential barrier dan perubahan nilai tahanan diperlihatkan pada Gambar 3.9 merupakan keadaan awal dimana banyak terdapat kandungan dalam permukaan tin oxide yang mengakibatkan adanya resistansi yang tinggi pada grain boundary (Figaro, 2003). Contoh gambar ilustrasi penyerapan O2 oleh sensor TGS ditunjukkan pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Ilustrasi penyerapan O2 oleh sensor (Figaro, 2003).
Di dalam sensor, arus elektrik mengalir melewati daerah sambungan (grain boundary) dari kristal SnO2. Pada daerah sambungan, penyerapan oksigen mencegah muatan untuk bergerak bebas. Jika konsentrasi gas menurun, proses deoksidasi akan terjadi, dan rapat permukaan dari muatan negatif oksigen akan berkurang. Kondisi ini mengakibatkan menurunnya ketinggian penghalang dari daerah sambungan, misal saat adanya gas yang terdeteksi. Dengan menurunnya penghalang, maka resistansi sensor akan juga ikut menurun. Ilustrasi tersebut dapat ditunjukkan pada Gambar 3.10.
14
Gambar 3.10 Ilustrasi ketika terdeteksi adanya gas (Figaro, 2003). Hubungan antara nilai hambatan sensor dengan konsentrasi gas pengoksidasi dapat ditunjukkan pada persamaan berikut : Rs=A [C]-α di mana Rs = Resistansi sensor A = konstanta [C] = konsentrasi gas α = kemiringan grafik Rs
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
Gambar 3.11 Bentuk fisik sensor TGS. (a) TGS 3830 (b) TGS 2602 (c) TGS 2600 (d) TGS 2611 (e) TGS 2612 (f) TGS 2610 (g) TGS 2620 (h) TGS 813 (i) TGS 822. 3.4 LabView LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) adalah platform dan pengembangan lingkungan untuk bahasa pemrograman visual dari National Instruments. Bahasa grafis di beri nama "G". Awalnya dirilis untuk Apple Macintosh pada tahun 1986, LabVIEW umumnya digunakan untuk akuisisi data, kontrol instrumen, dan otomasi industri pada berbagai platform termasuk
15
Microsoft Windows, berbagai rasa dari UNIX, Linux, dan Mac OS X. Program LabVIEW disebut Instrumen Virtual, atau Vis, karena penampilan dan operasi mereka meniru instrumen fisika, seperti osiloskop dan multimeter. LabVIEW berisi seperangkat alat untuk memperoleh menganalisis, menampilkan, dan menyimpan data, serta alat-alat untuk membantu memecahkan kode program yang rumit (Halvorsen, 2014). Gambar 3.12 menunjukkan tampilan menu awal saat perangkat lunak LABVIEW dijalankan.
Gambar 3.11 Tampilan utama perangkat lunak LABVIEW (Halvorsen, 2014).
3.5 Teh Teh merupakan salah satu minuman yang terkenal. Minuman teh berasal dari daun teh muda yang telah megalami prosesn pengolahan seperti pelayuan, oksidasi enzimatis, penggilingan, dan pengeringan. Bukan hanya sebagai minuman siap saji saja, namun teh juga memiliki banyak manfaat bagi tubuh manusia. Hal ini dikarenakan teh memiliki kandungan senyawa kimia seperti polifenol, theofilin, flavonoid, tanin, vitamin C, vitamin E, katekin, dan sejumlah mineral seperti Zn, Se, Mo, Ge, dan Mg.
16
Menurut (Bhattacharyya, 2004) terdapat tiga tipe teh yang dibedakan menurut pengolahannya yaitu Teh Hitam, Teh Hijau, dan Teh Oolong. Dari ketiganya, Teh Hitam adalah yang paling terkenal. Senyawa kimia yang merespon aroma teh dapat dilihat pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Senyawa kimia yang merespon aroma teh Senyawa
Aroma
Linalool, Linalool Oksida
Manis
Geraniol, Phenylacetaldehyde
Beraroma seperti bunga
Nerolidol,
Benzaldehyde,
Methylsalicylate,
Beraroma seperti buah
Phenil ethanol Trans-2-Hexenal,
n-Hexenal,
Grassy, dan b-Ionone
Cis-3-Hexenol, Beraroma segar
BAB IV METODE PENELITIAN
4.1 Peralatan Dalam penelitian ini dibutuhkan beberapa peralatan yang digunakan untuk mendukung penelitian efisiensi strukture chamber sensor pada perangkat Electronic Nose. Pada penelitian ini peralatan yang dibutuhkan dapat dibagi menjadi per unit seperti berikut : 1. Chamber berbahan teflon atau stainless steel beserta selang alir. 2. 12 sensor TGS, yaitu TGS 3830, TGS 2600, TGS 2610, TGS 2611, TGS
2612, TGS 2620, TGS 813, TGS 822, TGS 2602, TGS 825, TGS 826, dan TGS 832. 3. Mikrokontroller Arduino Mega 2560. 4. Seperangkat PC (Personal Computer). 5. Seperangkat Software Labview. 6. Rangkaian elektronik pendukung.
4.2 Bahan Bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah sampel teh.
4.3 Rancangan Penelitian Tahapan rancangan penelitian dijelaskan pada Gambar 4.1. Pada gambar tersebut dijelaskan bahwa langkah awal penelitian yaitu melakukan studi pustaka tentang Electronic Nose dan studi pustaka tentang larik sensor yang digunakan pada sistem Electronic Nose. Selanjutnya akan dilakukan membuat rancangan skematik larik sensor sesuai yang dikehendaki dalam penelitian ini. Kemudian membuat rancangan chamber untuk tempat larik sensor yang sesuai dengan volume yang dikehendaki. Setelah merancang perangkat keras tersebut, kemudian dapat dilakukan pengujian kelayakan sensor bau yang bertujuan unutk mengetahui respon repeatibilitas yang baik dari sensor bau yang digunakan. Selanjutnya pengujian respon sensor dengan sampel teh. Hasil yang didapat berupa tegangan
17
18
terhadap waktu yang akan digambarkan pada Microsoft Excel. Setelah didapatkan data hasil penelitian yang sesuai maka akan dilakukan analisa dan pembahasan. Studi Pustaka E-nose dan sensor array pada enose
Rancangan skematik larik
Membuat perangkat keras
sensor
larik senor dan chamber
Analisa dan Pembahasan
Pengujian respon dengan
Uji kelayakan sensor bau
sampel teh
Gambar 4.1 Skema Rancangan Penelitian
4.3.1
Rancangan Sistem Secara Keseluruhan
Sistem electronic nose yang akan dirancang untuk penelitian ini bertujuan agar respon dari setiap sensor TGS pada larik sensor dapat bekerja secara efisien sehingga didapatkan pola-pola yang berbeda dari setiap sensor pada uji sampel teh. Data pola dari larik sensor tersebut kemudian di proses oleh Mikrokontroler sehingga mendapatkan data ADC berupa tegangan kemudian hasil pembacaan tegangan tersebut dihubungkan secara serial ke perangkat komputer (PC). Data tersebut lalu diolah diperangkat komputer dengan menggunakan Microsoft Excel dan software LabView sehingga dapat dilihat besar keluaran dari masing-masing sensor tersebut dan kemudian ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik. Secara keseluruhan diagram blok sistem ini dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Diagram Blok Rancangan Sistem e-Nose secara Keseluruhan
19
4.3.2 Rancangan Chamber Sensor Dalam rancangan chamber sensor electronic nose yang akan dilakukan pada penelitian ini memiliki perbedaan dari penelitian sebelumnya. Chamber sensor ini berbentuk balok yang terdapat 4 node sensor yang di letakkan pada 4 sisi chamber. Masing-masing node sensor terdapat 3 sensor gas. Sedangkan dua sisi lainnya digunakan sebagai jalan masuk dan keluarnya gas aroma teh. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3 yang menjelaskan array sensor yang akan dibuat menggunakan 12 buah sensor TGS, yaitu TGS 3830, TGS 2600, TGS 2611, TGS 2612, TGS 2610, TGS 2620, TGS 813, TGS 822, TGS 2602, TGS 825, TGS 826, dan TGS 832. Desain chamber sensor ini relatif kecil dan diharapkan respon keluaran sinyal menjadi cepat dan stabil karena aroma ditangkap langsung secara bersamaan oleh array sensor yang terdapat pada node sensor. Bahan dari chamber sensor ini adalah stainleess steel atau teflon karena tidak mudah korosi.
outLet
inLet
Node Sensor
Gambar 4.3 Tampilan rancangan chamber sensor. 4.3.3 Rancangan Perangkat Lunak Dalam rancangan sistem ini dilakukan perancangan perangkat lunak yang mana perancangan perangkat lunak ini dibagi menjadi dua bagian, yang pertama menggunakan software LABVIEW yang digunakan untuk mengolah data berupa tegangan berdasarkan nilai tegangan dari mikrokontroller. Yang kedua adalah perangkat lunak Microsoft Excel untuk menggambar plot grafik dari data hasil pada pengolahan perangkat lunak LABVIEW.
20
4.4 Prosedur Kerja Pada penelitian ini, variabel yang akan dianalisis adalah nilai tegangan keluaran dari setiap sensor gas. Setiap sensor gas akan mengeluarkan tegangan dengan nilai tertentu saat terpapar pada gas dan konsentrasi tertentu. Prosedur kerja dari sistem ini sebagai berikut : a) Sampel Dalam penelitian ini, sampel yang digunakan adalah teh.
b) Pengujian Sampel Dalam pengujian sampel, sampel ditaruh dalam suatu wadah (Chamber). Kemudian chamber dipanaskan pada suhu tertentu yang akan menghasilkan gas uap dari sampel yang dipanaskan tersebut. Selanjutnya uap dibawa ke chamber sensor yang terdapat array sensor melalui selang. Pada chamber sensor ini, diharapkan setiap node sensor dapat berkontak langsung dengan aroma secara bersamaan sehingga mampu menghasilkan respon keluaran sinyal yang efisien. Setiap sensor akan mengalami perubahan resistansi sehingga mengeluarkan tegangan yang berbeda-beda sesuai sensitifitas sensor. Pengujian sampel dilakukan dalam beberapa kali untuk mendapatkan nilai tegangan keluaran yang konstan dan akurat.
c) Pengolahan Data Untuk pengolahan datanya, data yang diperoleh dari nilai ADC sensor pada mikrokontroler kemudian dikirim melalui port USB ke Perangkat Komputer (PC). Kemudian dengan menggunakan perangkat lunak LabView, data tersebut dibuat menjadi sebuah tampilan grafik selanjutnya dieksport ke Microsoft excel.
21
d) Analisa dan Pembahasan Dilakukan analisis terhadap respon waktu dari data ADC yang keluar dari setiap sensor pada chamber sensor. Analisis yang dilakukan yaitu pada data ADC yang belum dinormalisasi dan setelah dinormalisasi. Kemudian dilakukan analisis data ADC pada pengujian sampel secara berkala. Analisis tersebut juga akan dibandingkan dengan hasil analisis respon keluaran sinyal dari implementasi chamber sensor dengan bentuk tabung pada penelitian lainnya dengan seperangkat electronic nose yang sejenis. Setelah itu baru dilakukan pembahasan secara keseluruhan mengenai pengimplementasian chamber sensor bentuk kubus geometri dari sistem electronic nose yang digunakan.
BAB V RENCANA JADWAL PENELITIAN
Jadwal pelaksanaan penelitian ditunjukkan oleh Tabel 5.1 Rencana jadwal penelitian yang disusun memperlihatkan persiapan yang dimulai dari persiapan dan pembuatan peranti keras-lunak sampai tahap evaluasi akhir setelah dilakukan ujicoba.
Tabel 5.1 Waktu kerja rencana jadwal penelitian Tahun 2015 No.
Kegiatan
Maret
April
Mei
Juni
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Seminar 1
Proposal Usulan Tugas Akhir Kajian
2
Literatur dan Konsultasi Perancangan
3
Hardware dan Software Pengambilan
4
Data Hasil Penelitian Pengolahan
5
Data Sinyal Keluaran Penyusunan
6
Laporan Penelitian
22
DAFTAR PUSTAKA
Arshak, Moore, Lyons, Harris, dan Clifford, 2004, A review of gas sensors employed in electronic nose applications, Paper, Informatics and Electronics Limerick University, Limerik, Irlandia. Bhattacharyya, 2004, Aroma Characterization of Orthodox Black Tea With Electronic Nose, Centre for Development of Advanced Computing (C-DAC), Kolkata, India. Bennetts, 2010, Fast Transient Classification With a Parallelized Temperature Modulated E-Nose, Thesis, Technology Orebro University. Orebro. Figaro, 2003, General information for tgs sensors 1, www.figarosensor.com/products/general.pdf, diakses tanggal 21 Februari 2015 pukul 20.30 WIB. Griffin, 2006, Electronic Noses: Multi-Sensor Arrays. Davidson College. Halvorsen, 2014, Introduction to LabVIEW, Departement Electrical Engineering. Information and Cybernetics, Faculty of Technology Telemark University, Norwegia. Iswanto, 2014, Implementasi Rancang Bangun Electronic Nose Untuk Mengklasifikasi Pola Bau Tahu Murni dan Tahu Berformalin, Skripsi, JIKE Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Jaruwongrungsee, Maturos, dan Sritongkum, 2010, Design and Simulation of Flow Cell Chamber for Quartz Crystal Microbalance Sensor Array, National Electronics and Computer Technology Center, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Thailand. Nakamoto, 2004, Odor Handling and Delivery Systems. Patel dan Kunpara, 2011, Electronic Nose Sensor Response and Qualitative Review of E-Nose Sensor, Institute of Technology, Nirma University, Ahmedabad. Sharma, Ghosha, Tudua, Bandyopadhyay, dan Bhattacharyyab, 2012, Quartz Crystal Microbalance Sensors for Discrimination of Black Tea, Departement
23
24
of Instrumentation and Electronics Engineering, Jadvpur University, Kolkata, India. Szczurek, dan Maciejewska, 2010, Gas Sensor Array with Broad Applicability, Wroctaw University of Technology, Polandia. Thepudom, Kladsomboon, Pogfay, Tuantranont, dan Kerdcharoen, 2012, Portable Optical-Based Electronic Nose Using Dual-Sensors Array Applied for Volatile Discrimination, Faculty of Science, Mahidol University, Bangkok, Thailand. Thuen, 2014, Sensing Odour With E-Nose. Triyana, Agustika, dan Hardoyono, 2012, Penerapan Metode Ekstraksi Ciri Berbasis Transformasi Wavelet Diskrit untuk Meningkatkan Unjuk Kerja Electronic Nose, FMIPA Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Yang, 2012, Sensor Array, Rijeka, Kroasia.
