## AIR DENGAN TEKNIK DORONG-TARIK
Darmawan Utomo

## ALAT PENGUKUR RESISTANSI, KONDUKTIVITAS, DAN

## TOTAL DISSOLVED SOLIDS AIR DENGAN

## TEKNIK DORONG-TARIK

## Darmawan Utomo
Program Studi Sistem Komputer, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer – UKSW Jalan Diponegoro 52-60 Salatiga – 50711
Email: darmawan@staff.uksw.edu

## INTISARI
Pada makalah ini diusulkan sebuah teknik yang memanfaatkan port dari mikrokontroler sebagai pembangkit gelombang kotak bolak-balik dengan cara dorong-tarik (push-pull) untuk mengukur resistansi  (elektrik),  konduktivitas  (elektrik),  dan  Total  Dissolved  Solids  (TDS)  air.  Pengujian dilakukan dengan menggantikan Rsensor dengan R sebesar ½ k, 1k, 2k, 3k, 4k ohm. Ralat yang diperoleh dari kombinasi resistor sebesar 0,45%. Pengujian terhadap air yang diberi penambahan garam dapur didapatkan ralat 1,61% terhadap TDS-3 buatan HM-Digital.
Kata kunci : Resistan, Konduktivitas elektrik, Total Dissolved Solids, Push-Pull

## 1. PENDAHULUAN
Kadar  garam  yang  tinggi  akan  berdampak  buruk  pada  kehidupan  manusia,  tanaman pangan,  dan  kehidupan  di  air  tawar  [1],  oleh  karenanya  perlu  diatur.  Batas  pencemaran  air limbah  dibedakan  dalam  lemah  (200  mg/L),  menengah  (500  mg/L),  dan  kuat  (700  mg/L)  [1]. Salah satu cara untuk mengukur kadar garam yang terlarut di dalam air adalah dengan mengukur resistansi elektrik dan Total Dissolved Solids-nya .
Ada kaitan yang jelas antara mengukur resistansi (elektrik), konduktivitas (elektrik), dan TDS air. Jika dilihat dari satuannya berturut-turut adalah ohm ( ), mho( ), dan part per million (ppm).  Satuan  mho  adalah  seper-ohm  atau  siemen  (S).  Sedangkan  satuan  TDS  dapat  diperoleh dengan persamaan:
TDS (ppm) = f k x S x 1.000.000 (1)
Di  mana  f k adalah  konstanta  yang  tergantung  dari  larutan.  Untuk  larutan  NaCl  nilainya  adalah 0,5 [2].
Resistansi  air  yang  mengandung  garam  tidak  dapat  diukur  dengan  menggunakan  ohm- meter arus searah. Hal ini karena air dan NaCl  tersusun dari molekul-molekul dwi kutub  yang jika  mendapat  arus  searah,  maka  pada  molekul-molekul  ini  akan  diarahkan  dan  ion  Na + akan tertarik  ke  kutub  negatif,  sedangkan  ion  Cl - ke  kutub  positif.  Akibatnya  hasil  pengukuran  ini tidak mencerminkan resistansi larutan karena hasilnya selalu berubah-ubah.
Teknik  pengukuran  yang  umum  dilakukan  adalah  dengan  memberi  tegangan  dua  arah (AC).  Dengan  teknik  ini  maka  molekul-molekul  air  dan  ion-ion  Na + dan  Cl - ,  relatif  tetap  pada tempatnya  jika  frekuensi  yang  digunakan  berorde  beberapa    kilo  hertz.  Frekuensi  yang  rendah, dapat menyebabkan molekul air dan ion-ion Na + dan Cl - sempat mengadakan perubahan susunan sehingga resistansi yang diukur kurang sesuai dengan kenyataan.
Gambar 1 . Diagram kotak model yang diusulkan.
Pada  makalah  ini  diusulkan  sebuah  teknik  yang  memanfaatkan  dua  pin  dari  port mikrokontroler  sebagai  pembangkit  gelombang  kotak  dengan  cara  dorong-tarik  ( push-pull ). Modelnya  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Dorong  atau  tarik  dipandang  dari  pin1. Dorong yaitu saat pin 1 bernilai tinggi ( High ) melewati suatu resistan larutan (R) yang terhubung secara seri dengan pin 2 yang bernilai rendah ( Low ). Definisi tarik adalah sebaliknya, arus keluar dari pin 2, melewati R dan masuk ke pin 1.
Besaran  arus  yang  melewati  R  dapat  diketahui  dengan  menambahkan  dua  buah  resistor secara  seri  pada  masing-masing  ujung probe sensor  (R s1 dan  R s2 )  atau  dengan  cara  mengukur
V1                             A                       Probe Sensor V2 B R air air Pin 1 =      Tinggi MIKROKONTROLER Pin 2 =   Rendah Rs1 Rs2

## AIR DENGAN TEKNIK DORONG-TARIK
Darmawan Utomo
arusnya  secara  langsung.  V A dan  V B diukur  dengan  ADC  untuk  mendapatkan  V AB .  Dengan rumus pembagi tegangan yang diperlihatkan pada Persamaan (2), dapat diperoleh R (resistan air) pada Persamaan (6).
V AB = R/ (R+R s1 +R s2 ) x V 12 (2)
V AB x  (R+R s1 +R s2 )  = R x V 12 (3)
V AB x  (R s1 +R s2 )  = R x V 12 - V AB x  R (4)
V AB x  (R s1 +R s2 )  = R x (V 12 - V AB ) (5)
R = V AB x  (R s1 +R s2 ) /  (V 12 - V AB ) (6)
Dari nilai R yang telah dihitung, dapat dicari nilai konduktivitasnya yaitu:
S = 1 / R
(7)
dan  TDSnya sesuai Persamaan (1).

## 2. KAJIAN PUSTAKA
Ada  banyak  alat  ukur  TDS  yang  beredar  salah  satunya  adalah  TDS-3  (tipe  saku)  yang dibuat  oleh  HM-Digital.  Alat  ukur  ini  tidak  dapat  dikenali  cara  kerjanya.  Bagian  yang  terlihat adalah  sensor  konduktivitas  yang  berupa  garpu  dua  mata,  dan  sensor  temperatur.  Keluarannya berupa penampil  LCD 3 digit. Beberapa spesifikasinya adalah jangkauan ( 0  – 999 ppm) untuk resolusi 1 dan ( 0 – 9999 ppm) 10 ppm, serta memiliki  akurasi (  2 %) [3].
Alat ukur yang lain  yang dibuat amatir [4] diperlihatkan pada Gambar 2,  menunjukkan secara  jelas  rangkaian  yang  direalisasikan.  Rangkaian  ini  terdiri  dari  blok  osilator  pembangkit tegangan  bolak-balik  dengan  menggunakan  teknik  wien-bridge.  Keluarannya  diumpankan  pada gain-loop yang  bagian  masukannya  dihubungkan  dengan  sensor.  Dengan  teknik  ini,  jika konduktivitasnya  tinggi  maka  keluaran  dari gain-loop (A0)  juga  tinggi  sebanding  dengan perubahan konduktivitas masukannya.
Sinyal keluaran perlu dijaga supaya tidak terbebani dengan menambahkan non inverting amplifier .  Keluaran  bolak-balik  dari non  inverting  amplifier perlu  disearahkan  jika  akan dihubungkan dengan volt-meter DC atau dengan analog-to-digital converter (ADC) pada sebuah mikrokontroler.  Untuk  menjaga  keamanan port mikrokontroler  dari  kerusakan  karena  tegangan di luar karakteristik port , maka perlu diberi tambahan diode-clamp pada bagian akhir.
Alat  ini  masih  memerlukan  tambahan  detektor  temperatur.  Temperatur  akan mempengaruhi nilai dari TDS sesuai dengan rumus [2]:
TDS (t) = TDS {1 + α (t-25 )}
(8)
Di mana:
TDS(t)  = TDS pada sembarang temperatur  t (°C)
TDS   = TDS pada temperatur 25°C
α = koefisien temperatur dari larutan air sebesar 0,0214
t = suhu larutan dalam °C

## AIR DENGAN TEKNIK DORONG-TARIK
Darmawan Utomo
Osilator Jembatan Wien                                 |   Sensor            | Gain-loop
High-impedance Non Inverting Amplier -                         AC-DC                    - Clamping
Gambar 2. Rangkaian TDS dengan osilator Wien-bridge [2].
Alat  ukur  ini  cukup  sulit  untuk  ditera  karena  ada  tiga  potensiometer  yang  harus  diatur. Masing-masing  untuk  mengatur  amplitudo  osilator  wien-bridge,  kalibrasi  penguatan,  dan pengaturan offset tegangan.  Kalibrasi  penguatan  akan  membuat offset tegangan  berubah,  dan setelah  pengaturan offset tegangan  perlu  dilakukan  pengaturan  penguatan  lagi.  Hal  ini  yang membuat alat ukur ini memerlukan beberapa kali pengaturan kalibrasi. Agak kontras dengan cara kalibrasi TDS-3  yang hanya dengan mengubah nilai satu potensiometer saja.

## 3. PERANCANGAN
Pada Gambar 3 ditunjukkan sebagian rangkaian sistem mikrokontroler ATmega 8535/32 untuk memperjelas ide yang dimaksud. Sensor terhubung dengan PA0 dan PA1 sebagai masukan ADC0 dan ADC1. ADC yang digunakan pada ATmega ini adalah tipe Successive Approximation 10 bit dengan referensi AVCC.
Pembangkit  tegangan push-pull dikeluarkan  oleh  PB0,  dan  PB1.  Spesifikasi  sensor konduktivitas yang digunakan adalah sensor dengan konstanta satu yang memiliki jangkauan  5 – 1000  ppm.  Sedangkan  untuk  sensor  suhu  digunakan  LM35  yang  menghasilkan  tegangan sebanding  dengan  suhu  dikali  dengan  10  mV.  Nilai  tegangan  dari  port  B  saat  berlogika  tinggi dan rendah perlu diukur untuk mengetahui rentang tegangan yang dikeluarkan oleh PB0-PB1.
Gambar 3 . Bagian Sensor TDS, push-pull , dan pembatas arus (Rseri=1k)
Langkah percobaan dari model ini adalah sebagai berikut:
1. Inisialisasi (UART, ADC, PORT B, R=1k/0,1%) dan variabel yang digunakan.
2. Atur JDA = Tinggi (H) dan JDB = Rendah (L)
3. Ambil dan simpan nilai konversi dari ADC0, dan ADC1

## AIR DENGAN TEKNIK DORONG-TARIK
4. Set JDB = H dan JDA = L
5. Ambil dan simpan nilai konversi dari ADC0, dan ADC1
6. Ambil nilai konversi keluaran LM35 di ADC2.
7. Hitung Nilai Resistan (R) sesuai dengan persamaan (6 )
8. Hitung nilai Konduktan (1/R)
9. Hitung nilai TDS(t) dengan persamaan 1.
10. Hitung TDS yang dikalibrasi dengan suhu 25 o C sesuai Persamaan 8.
11. Tampilkan di LCD, dan kirim melalui UART. Ulangi langkah 2.
12. Ganti R dengan nilai-nilai ½ k, 2k, 3k, dan 4k. Ulangi langkah 1.
Perhitungan R dari Gambar 3 dapat diperoleh dari Persamaan-persamaan (9) hingga (13).
V 01 = R x V HL / (2k + R) (9)
V 01 x (2k + R) = R  x V HL (10)
R x V HL = 2k x V 01 +  R x V 01 (11)
R (V HL – V 01 )  = 2k x V 01 (12) R = (2k x V 01 ) / (V HL – V 01 ) (13)
Di mana:
V 01 =  selisih tegangan yang diperoleh dari ADC0 dan ADC1.
V HL = selisih tegangan yang diperoleh dari V H - V L dari Port B.
2k = pembatas arus (Rs1=1k dan Rs2=1k) yang mengalir keluar dan masuk Port B. R  = resistan yang dicari.
Gambar 4 . Modul realisasi rangkaian Gambar 1, Rs1 dan Rs2 diletakkan di bawah PCB. Gambar 4 menunjukkan modul pengujian yang telah dibuat. Resistor Rs1 dan Rs2 yang masing-masing bernilai 1k diletakkan pada sisi solder. Probe yang digunakan memiliki nilai k=1. LM35 dan isolator dicelupkan ke dalam air. Pin-pin LM35 dicat untuk melindungi pin-pin LM35 dari kontak secara elektrik.

## 4. PENGUJIAN
Tabel 1 . Hasil pengujian dengan RX ½ k,  1k,  2k,  3k, 4k  ohm
No VAB V01 RX µ mho TDS(t) RX-MM Ralat % 1 1,0 4,876 498 2.007 1.003 499 -0,20 2 1,6 4,891 1.000 1.000 500 999 0,10 3 2,5 4,911 2.006 499 249 1997 0,45 4 3,0 4,922 3.006 333 166 2997 0,30 5 3,3 4,930 4.014 249 125 4000 0,35
Pengujian  dilakukan  dengan  menggantikan  R  sensor  dengan  R  sebesar  ½  k  (498),  1k (1000),  2k  (2006),  3k  (3006),  4k  (4014)  ohm.    Resistor  yang  digunakan  adalah  seri  maupun paralel dari Resistor 1k/ 0,1%. Tabel 1 menunjukkan hasil pengukuran dengan alat  yang dibuat (RX)  dan  dengan  multimeter  ¾  digit  Constant  89  (RX-MM).  Ralat  yang  didapatkan  adalah 0,45%.  Alat  juga  menghasilkan  turunan  dari  RX  yaitu  konduktan  elektrik  ( µ S)  dan  TDS(t) (ppm).
PROBE LM-35 + ISOLATOR

## AIR DENGAN TEKNIK DORONG-TARIK
Darmawan Utomo
Pengujian juga dilakukan untuk sensor yang tidak tercelup ke dalam air. Pada saat tidak tercelup ke air, hambatan yang ada adalah hambatan udara dan dielektrik. Nilai R yang terukur 1,9x10 6 – 2x10 6 ohm karena selisih V HL – V 01 yang sangat kecil.
Pengujian di dalam air dilakukan dengan mengambil air dari keran PDAM Surakarta dan memberi tambahan  garam halus. Ralat diperoleh dengan membandingkan hasil dari alat  sendiri terhadap  TDS-3  buatan  HM-Digital  dengan  TDS-3  sebagai  acuan.  Tabel  2  memperlihatkan hasilnya. Ralat yang didapatkan dari pengujian ini adalah 1,61%.
Tabel 2 . Hasil pengujian alat ukur TDS yang dibuat terhadap TDS-3. No Keterangan TDS-Alat Sendiri TDS-3 Ralat % 1  Air PDAM 112 113 -0,88 2  Penambahan Garam I 189 186 1,61 3  Penambahan Garam I I 261 260 0,38 4  Penambahan Garam III 394 390 1,03
Hasil ini juga menunjukkan tingkat linearitas antara alat sendiri dengan TDS-3. Kalibrasi TDS-3 terhadap larutan tertentu dilakukan dengan memutar sebuah resistor variabel. Akibatnya penguatannya akan berubah. Pada alat sendiri, kalibrasi dapat dilakukan dengan memberi faktor pengali sesuai dengan hasil pembandingan yang didapatkan.

## 5. KESIMPULAN
Telah  ditunjukkan  sebuah  teknik  dorong-tarik  pengukuran  resistan,  konduktivitas elektrik, dan TDS melalui pin port yang tegangannya diukur dengan ADC mikrokontroler. Ralat yang diperoleh dari pengujian resistor 1k/0,1% dan kombinasi seri dan paralel (½k, 1k, 2k, 3k, 4k)  sebesar  0,45%.  Alat  ini  juga  berhasil  diimplementasikan  untuk  mengukur  TDS  air  yang diberi tambahan garam. Ralat alat ini terhadap TDS-3 sebesar 1,61 %.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini didanai dari Penelitian Internal UKSW dengan nomor kontrak 001/SPK- PB/PRV/XII/2011.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Miroslav R. and Vladimir N. B., “Practical Environmental Analysis, 2nd Ed.”, Cambridge: Royal Society of Chemistry Publishing, 2006.
2. Coleparmer, “Conductivity Theory and Technical Tips”, coleparmer.com/TechLibrary Article/78, 2006 .
3. HM-Digital, “TDS Meter 3, Water Quality Tester User Guide”, HM Digital Inc.
4. Anonim, “EC/TDS/PPM Meter On Limited Budget”, octiva.net/projects/ppm/, 2007